高水壓巖溶鐵路隧道支護結構承載安全性研究

中圖分類號：U459.1文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.054

文章編號：1673-4874（2025）01-0183-04

0 引言

在山區地形中設計高鐵線路時，難免會穿越高水壓巖溶區1。自然降雨通過巖土體的孔隙與裂隙補給地下水，導致隧道建設面臨高水壓問題，這嚴重威脅了隧道施工與運營的安全性，因此高水壓問題成為隧道建設與運營的重要難點之一[2]。學者們通過試驗、仿真和理論分析研究了高水壓隧道施工穩定性與支護結構安全性受到高水壓的影響。隧道設計階段應運用數值模擬去探究合理開挖與注漿方案，以確保隧道施工方案的可行性[3-5]。巖溶區域大多數為軟弱圍巖，軟巖隧道建設既要確保圍巖施工的穩定性，也要保證運營期間支護結構的安全性，而水壓大小、支護參數、支護缺陷、背后空洞、滲流作用均對隧道支護結構承載安全性產生影響[6-7]軟巖隧道建設需要保證施工和運營期間的安全，考慮水壓、支護參數和缺陷等多個因素對支護結構安全性的影響。本研究以某高鐵隧道巖溶段為例，建立了標準支護和抗水壓支護的數值模型，分析了圍巖變形和支護安全性，為類似隧道工程的設計、施工和運營提供參考。

1工程概況

該高鐵隧道設計行車速度為 250k m/h 設計使用壽命為100年，巖溶段地下水穩定，隧頂以上水位變化為 隧道穿越粉質黏土和砂巖夾泥巖層，圍巖與支護易受水軟化和氯離子侵蝕。選擇水位12m與埋深33m的斷面作為分析特征斷面，橫斷面設計見圖1（a），采用臺階法進行開挖。在維持支護總厚度不變的情況下，設計了兩種支護類型：標準支護，見圖1（b）；抗水壓支護，見圖1（c）。后者增加了一層噴射混凝土，初支為C35噴射混凝土，二襯為C45鋼筋混凝土。

2仿真模型與參數設置

數值模型尺寸為 74m×74m×1m ，尺寸模型與網格劃分分別見圖2（a）和 2（b） 。采用實體單元模擬圍巖、注漿區、初支，Shel單元模擬二襯。除初支和二襯采用彈性材料外，其他使用摩爾一庫侖本構。注漿區、初支和二襯的材料參數通過等效剛度法計算。力學邊界條件為頂部自由，其余邊界施加法向位移約束；滲流邊界條件為水頭距拱頂12m，水位以上圍巖干燥，以下為飽和，除底部不透水外，其余邊界透水，開挖臨空面水壓為0。初始地應力僅考慮自重，側壓力系數為0.6，圍巖孔隙率為0.35。如表1所示為圍巖與支護材料參數取值表；測點布設見圖2（c）。

3支護安全性分析

考慮到邊界條件、荷載、圍巖和支護的對稱性，模型選取一半進行分析即可。施工階段圍巖與初支協同變形和共同承載，因此分析圍巖變形和初支受力特征對于研究支護結構的安全性至關重要。隧道采用臺階法開挖后，按《鐵路隧道工程施工安全技術規程》（TB10304一2020）相關規定施工二襯，通過分析二襯內力來評估支護安全性，為運營安全性研究提供依據。綜合圍巖變形、初支和二襯的安全性等三個方面來探討支護結構的承載安全性。

3.1施工階段圍巖變形分析

圍巖變形可分解為水平和豎向位移，可通過沉降、鼓起、收斂進行描述，通過深淺理計算分析，確定埋深33m為深埋隧道，按《鐵路隧道監控量測技術規程》（Q/CR9218一2015）的洞周圍巖充許位移規定，確定該隧道沉降、收斂最大允許值分別為 12m m，14m m ，標準支護和抗水壓支護下圍巖位移分布及對比分析見圖3。

由圖3可知：

（1）單層初支條件下，圍巖的水平位移（收斂）峰值出現在邊墻，豎向位移（沉降和鼓起）峰值分別位于拱頂和拱底。隧道臺階開挖完成后，沉降和鼓起的峰值分別為8.7mm和6. 3m m ，分別達到允許值的 72.5% 和 52.5% 收斂峰值為 ，達到水平位移充許值的 44.3% 。這表明單層初支對應的圍巖保持穩定。

（2）在雙層初支條件下，圍巖的位移分布特征與單層初支類似，而沉降、鼓起和收斂的峰值分別減小至 分別占允許值的 60.8% ，45. 8% 、35. 7% 。這表明雙層初支條件下圍巖的施工穩定性優于單層初支。

（3比較不同支護類型的水平和豎直位移，兩種支護類型的水平位移近似對稱分布，且越靠近邊墻位移越大；越靠近邊墻，豎直位移（沉降值和鼓起值）越小。相較于標準支護，抗水壓支護對應的圍巖位移有所減小，表明雙層初支可以有效限制圍巖變形，提高隧道的穩定性。

3.2施工初支安全性分析

已知雙層初支比單層初支更能限制圍巖施工變形，但由于圍巖變形受限，其自身承載能力減弱，導致更多施工荷載轉移到初支上。雙層初支（50cm厚）的截面慣性矩大于單層初支（25cm厚），從而提高了其強度、剛度等特性。通過分析不同支護類型初支的最大和最小主應力，見圖4（a）、圖4（b），提取內、外邊緣主應力數據，計算初支的軸力和彎矩，求解過程見式 。按《混凝土結構設計規范》（GB50010一2010）規定，借助軸力、彎矩計算初支安全系數，為計算所得的初支安全系數（見圖4（c））。初支材料抗拉、抗壓強度標準值分別為2.34 MPa 、23.4 ，安全系數限制值為 。

由圖4可知：

（1）不同支護類型的初支最大主應力存在拉應力和壓應力兩種形式，內外邊緣應力分布不同。拱底內邊緣的拉應力峰值和拱腳外邊緣的壓應力峰值在雙層初支條件下均小于單層初支，且都低于材料的抗拉和抗壓強度標準值，表明支護材料未破壞，抗水壓支護在抗拉和抗壓性能上均優于標準支護。

（2）不同支護類型的初支最小主應力均為壓應力，且由外邊緣向內邊緣逐漸增大。壓應力峰值位于邊墻內邊緣，最小值在拱頂外邊緣。單層和雙層初支的壓應力峰值分別為3.80MPa和2.05 ，均低于抗壓強度標準值，說明初支主要承受壓應力且處于安全狀態，抗水壓支護在抗壓性能上優于標準支護。

（3）兩種支護類型的各測點安全系數雷達圖關于隧道中線對稱，雙層初支的同測點安全系數均高于單層初支，并沿輪廓線從上至下呈先減小后增大的趨勢，拱頂和拱底處安全系數較高，最小值在邊墻處。雙層初支的安全系數約為單層初支的 倍，以安全系數限制值2.4為標準，不同類型的初支均處于安全狀態，但雙層初支的安全性更高。

3.3運營二襯安全性分析

已發現初支主要承受施工荷載，而二襯于基本穩定后施工，其作用是提供安全儲備作用。初支和二襯共同構成永久性支護，初支承擔大部分圍巖荷載后，可減少二襯厚度。在保持總支護厚度不變的情況下，標準支護和抗水壓支護的二襯厚度分別選為50cm和25cm。不同支護類型的二襯內力、安全系數見圖5，其二襯安全系數限制值為 2.0

由圖5可知：

（1）標準支護的二襯軸力均為壓力，而抗水壓支護存在拉力和壓力，且拉力僅于拱底附近出現。兩種支護類型的壓力峰值均位于邊墻，標準支護和抗水壓支護的壓力峰值分別為540.1KN和412.8KN。不同支護類型的正負彎矩峰值分別位于拱腳、拱底附近，標準支護的正、負彎矩峰值分別為56.7kN·m和49.0kN·m，而抗水壓支護的峰值分別為31.5KN·m和27.5kN·m，說明抗水壓支護相比標準支護分擔的二襯內力少，這是因為抗水壓支護類型的初支承擔較多荷載，減少了二襯的荷載分擔比例。

（2）各測點的安全系數對稱分布于隧道中線，抗水壓支護的安全系數普遍低于標準支護，且從拱頂到拱底呈現逐漸減小的趨勢。這是因為地下水從下往上滲入隧道，導致抗水壓支護的二襯安全系數降低。以安全系數限制值2.0為標準，兩種支護類型的二襯均安全，但抗水壓支護的二襯安全性略低于標準支護，這是因為抗水壓支護減少了二襯厚度以增加初支厚度。

4結語

（1）在施工階段，不同支護類型的圍巖位移包括沉降、鼓起和收斂，相應峰值分別位于拱頂、拱底和邊墻。雙層初支的位移峰值低于單層初支，收斂在邊墻附近最大，而沉降和鼓起在邊墻附近最小。兩種支護類型都具有良好的施工穩定性，其中雙層初支更為穩定。

（2）不同支護類型在施工階段的初支應力滿足材料抗拉和抗壓強度要求，其中雙層初支的性能優于單層初支。雙層初支的安全系數高于單層初支，兩種支護類型的初支均處于安全狀態，雙層初支的施工安全性更佳。

（3）在運營階段，不同支護類型的壓力峰值位于邊墻，而彎矩峰值在拱腳、拱底附近。抗水壓支護的二襯荷載分擔比例低于標準支護，對應安全系數也略低于標準支護，但兩種支護類型的二襯均處于安全狀態。

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