兰渝高速铁路砂质围岩隧道初期支护结构安全度研究

第３３卷第２期　隧道建设　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｖ０１．３３　Ｎｏ．２　２０１３年２月　Ｆｅｂ．　２０１３　兰渝高速铁路砂质围岩隧道初期支护结构安全度研究　朱得华　，梁　斌　，于少辉　，杨朝帅　（１．河南科技大学规划与建筑工程学院，河南洛阳４７１００３；２．中铁隧道集团有限公司技术中心，河南洛阳４７１００９）　摘要：以兰渝高速铁路某砂质围岩隧道为工程依托，针对砂质围岩的工程特性，施工中采用水平旋喷超前预加固措施，通过有限元　数值模拟，结合围岩压力及拱架应力的监测资料，分析砂质隧道围岩压力的分布情况以及初期支护结构的受力特征。研究结果表　明：水平旋喷超前预加固后，初期支护结构的安全度能够满足要求，更有一定的富裕度，可为砂质围岩隧道的优化设计和施工提供　理论依据。　关键词：兰渝高速铁路；砂质围岩；监测；数值模拟；水平旋喷；初期支护　ＤＯＩ：１０．３９７３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７４１Ｘ．２０１３．０２．００８　中图分类号：Ｕ　４５６．３　１　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７２—７４１Ｘ（２０１３）０２—０１３５—０７　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　Ｐｒｉｍａｒｙ　Ｓｕｐｐｏｒｔ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｔｕｎｎｅｌ　ｉｎ　Ｓａｎｄｙ　Ｒｏｃｋ　Ｍａｓｓ　ｏｎ　Ｌａｎｚｈｏｕ－Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ　Ｒａｉｌｗａｙ　ＺＨＵ　Ｄｅｈｕａ　，ＬＩＡＮＧ　Ｂｉｎ　，ＹＵ　Ｓｈａｏｈｕｉ　，ＹＡＮＧ　Ｃｈａｏｓｈｕａｉ　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｕｏｙａｎｇ　４７　１　００３，　Ｈｅｎａｎ，Ｃｈｉｎａ；２．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｌｕｏｙａｎｇ　４７１００９，Ｈｅｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｔｕｎｎｅｌ　ｉｎ　ｓａｎｄｙ　ｒｏｃｋ　ｍａｓｓ　ｏｎ　Ｌａｎｚｈｏｕ—Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　ｈｉｇｈ・ｓｐｅｅｄ　ｒａｉｌｗａｙ．ａｄｖａｎｃｅ　ｒｅｉｎ－　ｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｉｓ　ｍａｄｅ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｊｅｔ　ｇｒｏｕｔｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓａｎｄｙ　ｒｏｃｋ　ｍａｓｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｓｕｐｐｏ￣ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｙｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｎ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｏｃｋ　ｍａｓｓ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｔｅｅｌ　ａｒｃｈ　ｓｔｒｅｓｓ．Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｄｅ—　ｇｒｅｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ｐｒｅ—ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｂｙ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｊｅｔ　ｇｒｏｕｔｉｎｇ　ｃａｎ　ｍｅｅｔ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｒｅｑｕｉｒｅ—　ｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｈａｓ　ｓｏｍｅ　ｍａｒｇｉｎ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌｓ　ｉｎ　ｓａｎｄｙ　ｒｏｃｋ　ｍａｓｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｌａｎｚｈｏｕ—Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　ｒａｉｌｗａｙ；ｓａｎｄｙ　ｒｏｃｋ　ｍａｓｓ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｊｅｔ　ｇｒｏｕｔｉｎｇ；ｐｒｉｍａｒｙ　ｓｕｐｐｏｒｔ　０　引言　在隧道及地下工程中，遇到砂质土围岩的情况十　砂的颗粒细而均匀，大多集中在０．０５～０．１　ｍｍ，级配　很差，孔隙比大，开挖扰动后呈松散状，无黏结力，自稳　能力差　；新杏树峁隧道位于神朔铁路复线上，洞身　穿越山梁上部为半固定砂地，风积细砂厚度大于３０　ｍ，属于Ⅵ级围岩　。　分常见。一部分主要集中在我国各大城市修建的地下　工程中，如北京地铁“复一八”线大北窑一热电厂区间　隧道，自区间隔断门向西施工时遇到饱和状态的自稳　能力极差的粉细砂层，经扰动即成流砂状　；上海市　砂质土在力学形态上是一种呈松散介质力学形态　的散粒土质围岩，不能承受拉应力，但能承受一定的剪　应力和压应力。在一般工作条件下，砂质土的破坏形　态为剪切破坏，也就是说抗剪强度是砂质土围岩抗力　的主要来源。工程上主要特点为没有黏聚力，自稳能　共和新路高架工程中山北路站至延长路站区间隧道联　络通道及泵站位于两站区间隧道中部，周围地层以粉　土和粉细砂为主，含承压水，扰动后极易形成流砂　Ｊ。　另一部分集中在我国西北地区，该地区风积砂地层较　多，如神朔线上的杏树峁隧道，地层主要为粉细砂层，　收稿日期：２０１２—１０—１９；修回日期：２０１２—１２—１０　力差；如果存在地下水，遇水后会变成松散、流动状态，　基金项目：铁道部科技研究开发计划重大课题（２０１　１　Ｇ００４）　作者简介：朱得华（１９８９一），男，河南孟津人，河南科技大学在读硕士，研究方向为隧道及地下工程。　鹰道　建谨　第３３卷　导致围岩抗力下降；在自重压力或土的附加压力与自　重压力共同作用下，可能会导致初期支护承受巨大的　应力，使已施作初期支护的喷射混凝土突然开裂，拱架　严重弯曲变形。　软弱围岩隧道支护体系的设计和施工一直是隧道　建设中的难题，国内外诸多学者对其进行了大量研究并　取得了一些成果。吴梦军等　对四车道公路隧道在不　同施工方法下的施工动态过程进行了模型试验和数值　模拟分析，得到了四车道隧道在不同施工方法下的动态　施工力学特征；谭忠盛等　。　采用现场试验手段对大断　面深埋和浅埋黄土隧道锚杆的作用效果进行了研究，得　到了锚杆的力学特征，并认为拱部锚杆的支护效果不明　显，可以取消。以上的研究主要集中在对支护体系的受　力特征的研究，对于支护结构的安全状态没有进行定量　化的分析，尤其是对于新的工法的效益评估，更离不开　对支护结构安全状态的评估。本文主要依托某砂质围　岩隧道工程，该隧道在采用水平旋喷超前预加固措施后　实现了大断面开挖，为了获得初期支护结构的受力特　征，对作用在初期支护结构上的土压力以及初期支护结　构的应力进行监控量测，同时对比数值模拟结果，进一　步分析初期支护结构的安全度。　１工程概况　本隧道为兰渝铁路上双线单洞隧道，开挖断面宽　１５．２３　ｍ，高１３．４８　ＩＴＩ，最大埋深２００　ｍ，设计时速２５０　ｋｍ／ｈ。试验段位于出口段，分布情况如图１所示，平　均埋深１００　ｍ　ｉ　西重庆　２　监测断面　１　监测断面　图１试验段位置示意图　Ｆｉｇ．１　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｒｉａｌ　ｓｅｃｔｉｏｎｓ　试验段主要涉及的地层有：第四系砂质黄土，风　积砂质黄土，冲积卵石土，粗圆砾土、卵石土及遇水未　成岩粉细砂，设计围岩为Ⅵ级。地层开挖后，无水时较　密实，稳定性较好，但遇水后具塑性流变状态，基底承　载力急剧降低。卵石土层填充差，无胶结，出露后极易　引起滑塌。该地区地下水为第四系孔隙水和基岩裂隙　水。隧道洞身部分基岩裂隙水受补给源限制，其富水　性较差。隧道洞身通过地段较为破碎，地下水不丰富。　试验段采用“水平旋喷超前加固＋综合降水＋大　断面施工”施工方案，主要通过隧道周边水平旋喷桩　结合大管棚、掌子面水平旋喷结合玻璃纤维锚杆和隧　道内部综合降水等措施对围岩进行预加固处理，采用　挖掘机和破碎锤开挖，机械装运出渣。旋喷桩按布置　位置不同分３种：掌子面的旋喷桩＋玻纤锚杆、周边　旋喷桩＋钢管棚和拱脚的锁脚旋喷桩，如图２所示。￡９　古舌一　兰　　隧道周边旋喷　些　菅－　２一　隧道周边旋喷　一　３　一一　锁脚锚杆　。。ｏ土。。。　啭　，＋　白一…锁脚锚杆　　一　０　０　０　０ｌ　０　）０　Ｃ、　Ｂ段锁脚一　、　子面水平旋喷　Ｂ段锁脚　旋喷　旋喷　惫　、　ｃ段锁脚　旋喷　仰　旋喷曲８００　ｍｍ订７００ｌ　ｍｍ　图２旋喷桩布置图　Ｆｉｇ．２　Ｌａｙｏｕｔ　ｏｆ　ｊｅｔ　ｇｒｏｕｔｉｎｇ　ｐｉｌｅｓ　２监测概况和数值模拟　２．１初期支护围岩压力　为了掌握砂质围岩隧道初期支护结构的受力特　征，并最终确定初期支护结构的安全度，共设置２个监　测断面：１　断面为初期支护背后土压力监测断面，２　断面为拱架受力监测断面。２个监测断面采用的支护　参数见表１。　表ｌ　各监测断面的初期支护参数　Ｔａｂｌｅ　１　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｅｃｔｉｏｎ　围岩压力采用ＪＴＭ—Ｖ２０００型振弦式土压力计，　压力盒在开挖立拱时埋设在每段拱架中间位置后面，　压力盒与围岩紧密接触，监测仪器布置如图３所示。　拱架应力的量测采用ＪＴＭ—Ｖ５０００型振弦式应变计，　应变计焊接在每段型钢拱架中间位置的翼缘上，监测　仪器布置如图４所示，对称布置２个，一个靠近围岩，　另一个背离围岩，具体布置如图５所示。　根据隧道开挖后的地质调查，２个监测断面的地　质条件较为接近，掌子面拱顶位置为冲积卵石土，拱顶　以下为粉细砂层（见图５），地下水位位于仰拱位置。　２．２数值分析　计算模型如图６所示，由于模型沿　＝０对称，因　此选取右半侧的模型进行计算。模型水平方向半长　４０　ｍ，上、下各４０　ｍ，轴向长８０　ｍ，共计２８　９６０个单　元，３１　６７１个节点。开挖跨度为１５．６２　ｍ，开挖高度为　１３．６８　ｍ。边界条件为：左右边界水平方向位移固定，　底部边界垂直方向固定，顶部至地表，为自由边界。支　护结构一锁脚旋喷桩计算模型如图７所示，有关的计　算参数见表２。　第２期　朱得华，等：　兰渝高速铁路砂质围岩隧道初期支护结构安全度研究　聊　图６数值计算模型　Ｆｉｇ．６　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　图３压力盒布置图　Ｆｉｇ．３　Ｌａｙｏｕｔ　ｏｆ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｅｌｌｓ　１－１　＿１　１－２　Ｙ２＿１　｝　｛　ｚ　道ｉ　中　线　｝　群８　眦　１７－１　图７支护结构一锁脚旋喷桩模型　Ｆｉｇ．７　Ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｆｏｏｔ—ｌｏｃｋｉｎｇ　ｊｅｔ　ｇｒｏｕｔｉｎｇ　ｐｉｌｅｓ　Ｙ６＿１　ｌ　施工过程模拟为：开挖前先进行超前水平旋喷桩　预加固施工，桩长１８　ｍ，桩径０．６　ｍ，咬合０．１　ｍ，范围　图４应力计布置图　Ｆｉｇ．４　Ｌａｙｏｕｔ　ｏｆ　ｓｔｒｅｓｓ　ｍｅｔｅｒｓ　为上台阶下部０．３　ｍ处（上台阶顶部由于有部分砂卵　石未施工旋喷桩）；三台阶施工，上台阶为６．５　ｍ，中　台阶为２．５　ｍ，下台阶为２　ｍ，３个台阶跟进长度１０　ｍ，　开挖进尺为０．７　ｍ，计算中设定为１　ｍ；开挖完成后跟　进初期支护，并施工锁脚旋喷桩，锁脚旋喷桩长度８　）　ｍ，施工在上台阶和中台阶脚处，仰拱跟进距离为３５　围岩　围岩　ｊ应变计（Ｃｕｔ）　Ｉ　Ｉ一　图５拱架应力计安装位置　ｍ，步距５　ｍ；等初期支护变形基本稳定后在进行二次　衬砌施工，故二次衬砌对隧道结构的受力影响不大，在　计算中暂不考虑。　表２数值计算材料参数　Ｔａｂｌｅ　２　Ｍａｔｅｒｉａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｆｏｒ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　Ｆｉｇ．５　Ｌａｙｏｕｔ　ｏｆ　ｓｔｒｅｓｓ　ｍｅｔｅｒｓ　ｏｎ　ｓｔｅｅｌ　ａｒｃｈ　３监测结果及分析　３．１初期支护围岩压力　埋设传感器到结束经过了长达３０　ｄ的量测，测得数据　已基本趋于稳定，图中数值为各测点的最大值。由图　８可知，围岩压力并非均匀地分布在支护结构上，由于　受众多因素的影响，其分布形式复杂，不同部位的围岩　３．１．１　围岩压力量测结果　图８为１　监测断面的围岩压力分布图，１　断面从　窿莲建谨　第３３卷　压力相差较大，局部甚至会出现围岩压力集中的现象。　从１　监测断面的结果来看，最大围岩压力出现在左侧　拱腰部位，而拱顶和拱墙部位的围岩压力较小，仰拱底　部位的围岩压力较大。　ｎ　０３１　Ｑ　图８　１　监测断面围岩压力分布图（单位：ＭＰａ）　Ｆｉｇ．８　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｏｃｋ　ｍａｓｓ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　Ｎｏ．１　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｃｒｏｓｓ—　ｓｅｃｔｉｏｎ（ＭＰａ）　３．１．２围岩压力数值计算结果　图９和图１０分别为参考断面（Ｙ＝１０　ｍ处）拱顶　和起拱线处应力变化曲线。从图９和图１０可以看出，　拱顶和起拱线处的径向应力变化规律相似，即掌子面　推进到５　ｍ时，径向应力几乎不变，随后迅速减小直到　在掌子面处达到最小值，分别为一０．４　ＭＰａ和一０．５３６　ＭＰａ，随后应力值有所增加，但很快趋于稳定值，分别　为一０．７５８　ＭＰａ和一１．０３　ＭＰａ。　３．１．３量测结果与数值计算结果对比　１　断面的量测结果与理论计算对比，如表３所示。　在相同的部位，数值计算的结果比实际量测结果大得　多，表明在水平旋喷体相搭接形成的旋喷拱棚的保护　下，初期支护结构承受的围岩压力要比理论计算值要　小得多，说明旋喷拱棚的刚度很好，承受了上层覆土的　压力。量测值与理论计算值对比见表３。　３．２初期支护拱架应力　３．２．１拱架应力量测结果　作用在初期支护上的围岩压力，在二次衬砌混凝　土施作之前，都将由初期支护钢架和喷混凝土共同承　担，即围岩压力将转化为初期支护钢架和初期支护混　凝土的应力，故初期支护钢架的应力主要受围岩压力、　钢架和初期支护混凝土各自的刚度控制　。１　监测断　面和２　监测断面距离较近，初始的地应力状态可近似　认为相同，加之２个断面的初期支护结构参数相同，所　以可以认为２个断面的围岩压力也是近似相同的。图　１　１为２　监测断面初期支护钢架应力分布图，从图中可　以看出，拱架中应力分布也是不均匀的，离散程度比较　大，拱架中应力最大的位置是拱腰位置，与围岩压力最　大的部位相吻合。　掌子面距离／ｍ　－１０　０　１０　２０　３０　４０　蓬　蔷　图９参考断面拱顶处应力变化曲线　Ｆｉｇ．９　Ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｔ　ｔｕｎｎｅｌ　ｃｒｏｗｎ　ｏｆ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ　重　『】｝黑｛；｝　恒罄　・…‘。　………　………？……　１（）　２ｏ　３０　４０　－１．０／　．　…一一……～………一　｛『　—：　‘。：：：：：：二＋＝’：’：…径向正应力Ｓ：：　ＴＴ：’　．’　Ｔ’’’Ｘ　：Ｘ　…’’　’：’：’：　～，，Ｔ　…Ｔ　Ｔ，…　＋切向正应力ｓ忍　＋偏差应力（ＳＺＺ－－ＳＸＸ）／２　图ｌ０参考断面起拱线处应力变化曲线　Ｆｉｇ．１０　Ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｔ　ｓｐｒｉｎｇ　ｌｉｎｅ　ｏｆ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ　表３量测值与理论计算值对比表　Ｔａｂｌｅ　３　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒａｓｔ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｄａｔａ　ａｎｄ　ｃａ１一　ｃｕｌａｔｉｏｎ　ｄａｔａ　ＭＰａ　注：起拱线处的围岩压力取左右拱脚处压力的平均值。　３．２．２初期支护截面内力计算　在计算型钢混凝土组合截面内力时，可以按照刚　度分配的原理。在进行结构内力和变形计算时，取计　算单元如图１２所示，型钢混凝土组合结构构件的刚　度，可按式（１）和式（２）　计算：　Ｅ１＝Ｅｃ，ｃ＋Ｅ　，　；　（１）　ＥＡ＝ＥｃＡｃ＋　Ａ　。　（２）　式中：　和ＥＡ为型钢混凝土构件截面抗弯刚度和轴　向刚度；Ｅ　Ｉｃ和Ｅ　。为钢筋混凝土部分的截面抗弯　刚度和轴向刚度；Ｅ　，　和Ｅ　Ａ　为型钢部分的截面抗　第２期　朱得华，等：　兰渝高速铁路砂质围岩隧道初期支护结构安全度研究　弯刚度、轴向刚度。　根据表１的结构参数，按照式（１）和（２）计算型组　合截面的刚度，如表４所示。　＆５８　Ｙ５＿ｌ　Ｙ６－１　１８２　７９　（ａ）靠近隧道外侧应变计　Ｙ４—２　Ｙ　２　Ｙ　（ｂ）靠近隧道内侧应变计　图１１　初期支护拱架应力分布图　Ｆｉｇ．１１　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｎ　ｓｔｅｅｌ　ａｒｃｈ　ｏｆ　ｐｆｉｎ１　ｙ　ｓｕｐｐｏｒｔ　Ｉ　；　ＩＡａ　Ａｃ　㈠…　图１２初期支护结构断面图　Ｆｉｇ．１２　Ｐｒｏｆｉｌｅ　ｏｆ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　表４型钢混凝土组合构件的刚度　Ｔａｂｌｅ　４　Ｒｉｇｉｄｉｔｙ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ—ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　首先，按照型钢翼缘的应力来计算型钢部分的内　力　和Ⅳ　，然后根据截面内力按刚度分配的原理计　算组合截面的内力　和Ⅳ，计算结果见表５。内力分　布情况如图１３所示。在图１３（ａ）中，初期支护结构中　正负弯矩交替出现，其中，正弯矩主要分布在拱顶、左　侧中台阶拱墙以及左右侧拱脚位置，量级为０—５００　ｋＮ・ｍ，最大的正弯矩出现在中台阶侧墙中问位置，为　４６６．５　ｋＮ・ｍ。负弯矩分布在右侧中台阶拱墙和仰拱　位置，其中最大弯矩出现在右侧中台阶拱墙位置，　为一３５５．６　ｋＮ・ｍ。在图１３（ｂ）中，轴力主要为压力，　最大值主要集中在右侧中台阶拱墙位置，为７　３９６．９　ｋＮ，而仰拱处的轴力较小。　＿２８８．４　（ａ）弯矩分布图（单位：ｋＮ・ｍ）　（ｂ）轴力分布　（单位：ｋＮ）　图１３初期支护结构内力分布图　Ｆｉｇ．１　３　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｔｕｒｃｔｕｒｅ　３．２．３初期支护内力的数值计算　图１４为参考断面处初期支护的内力图，可以看　到，在图１３（ａ）所示，初期支护结构中正负弯矩交替出　现，其中，正弯矩主要分布在中台阶侧墙处，量级为０～　８００　ｋＮ・ｍ，最大的正弯矩出现在中台阶侧墙中间位　置，这与根据量测数据计算的结果相吻合。负弯矩分　布在拱顶、上台阶侧墙、下台阶侧墙以及仰拱位置，其　中最大弯矩出现在上台阶拱脚位置，约为一９００　ｋＮ・ｍ，最小弯矩出现在仰拱位置，量级为一１００～０　ｋＮ・ｍ，与理论计算结果的位置存在一定的偏差。在　图１３（ｂ）中，轴力都为压力，最大值主要集中在拱顶部　位，约为７　０００　ｋＮ，而侧墙及拱脚处的轴力较小，量级　为１　０００～６　０００　ｋＮ，仰拱部位的轴力最小，量级为　隧道建设　第３３卷　６００～１　０００　ｋＮ。数值模拟与理论计算结果的对比，如　表６所示，从表中可以看出，弯矩的理论计算的结果比　数值模拟结果偏保守，但是数量级是相同的，轴力的计　算结果接近，说明了理论计算方法是可靠的。　表５内力计算表　Ｔａｂｌｅ　５　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｔｅｍａｌ　ｆｏｒｃｅ　（ａ）参考断面处弯矩分布图　（ｂ）参考断面处轴力分布图　图１４初期支护结构内力分布云图　Ｆｉｇ．１４　Ｃｌｏｕｄ　ｏｆ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　表６数值模拟与理论计算对比表　Ｔａｂｌｅ　６　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒａｓｔ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｈｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　４初期支护结构的安全度计算　大量计算结果表明，初期支护结构会承受很大的　应力与变形，必然会进入弹塑性状态，如果硬把它视作　安全系数，（Ｋ］为规范规定的安全系数　ｌｏ］）。表７中　Ｒ　：Ｅ￡【ｎｌ　；　Ｒ　＝Ｅ　ｉ　。　弹性杆件，则安全系数极小。因此，把初期支护结构视　作加固体，允许有较大的变形并进入弹塑性状态，只要　围岩与初期支护能够保证围岩有一定的安全度，就能　保证施工安全，隧道运行的安全则由初期支护与二次　衬砌共同来承担。　式中：尺．为型钢喷射混凝土的极限抗拉强度；Ｒ　为型　钢喷射混凝土的极限抗压强度；Ｅ为组合截面的弹性　模量，按照刚度等效原理计算；　ｔ…为型钢喷射混凝土　的极限拉应变；　ｅｉ　为型钢喷射混凝土的极限压应变。　从表７可以看出，初期支护结构的安全系数都能　采用极限分析法计算初期支护的安全系数，计算时　满足规范要求，可视作初期支护结构后的围岩是稳定　的，可以承受围岩荷载而把二次衬砌视作安全储备。　采用的是极限抗拉压强度，计算结果见表７（Ｋ为计算的　第２期　朱得华，等：　兰渝高速铁路砂质围岩隧道初期支护结构安全度研究　１４１　５结论及讨论　［３］　陈豪雄，朱永全．风积粉细砂地层注浆加固的试验研究和　水平旋喷超前预加固形成的拱壳加固体、围岩的　应用［Ｊ］．铁道标准设计，１９９３（２）：ｌ８—２４．（ＣＨＥＮ　Ｈａｏ—　初期支护结构与围岩协同作用共同承担开挖而形成的　ｘｉｏｎｇ，ＺＨＵ　Ｙｏｎｇｑｕａｎ．Ｓｔｕｄｙ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｒｏｕｔｉｎｇ　ｒｅ—　ｉｎｆｏｒｅｅｍｅｎｔ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｏｌｉａｎ　ｓｉｌｔｙ—ｆｉｎｅ　ｓａｎｄ　ｓｔｒａｔｕｍ　荷载。本文通过对兰渝高速铁路某隧道的监测，通过　［Ｊ］．Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｔａｎｄａｒｄ　Ｄｅｓｉｇｎ，１９９３（２）：１８—２４．（ｉｎ　Ｃｈｉ—　数值计算和理论计算，分析研究了初期支护背后围岩　ｎｅｓｅ））　压力、拱架内力分布特征以及初期支护结构的安全度，　［４］　于家宝．不同辅助方法在风积砂隧道施工中的应用［Ｊ］．　得到以下结论：　铁道标准设计，２００５（５）：８９—９１．（ＹＵ　Ｊｉａｂａｏ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　１）在水平旋喷体相搭接形成的旋喷拱棚的保护　ｏｆ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ａｕｘｉｌｉａｒｙ　ｍｅｔｈｏｄｓ　Ｏｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｉｎ　ｅｏ—　下，初期支护结构承受的围岩压力要比数值计算的结　ｌｉａｎ　ｓａｎｄ　ｓｔｒａｔｕｍ［Ｊ］．Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｔａｎｄａｒｄ　Ｄｅｓｉｇｎ，２００５（５）：　果小得多，围岩压力最大值出现在拱腰位置。　８９—９１．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ））　［５］　吴梦军，黄伦海．四车道公路隧道动态施工力学研究［Ｊ］．　２）初期支护结构中正负弯矩交替出现，最大的正　岩石力学与工程学报，２００６，２５（ｓ２）：３０５７—３０６２．（ｗｕ　弯矩出现在中台阶侧墙中间位置，为４６６．５　ｋＮ・ｍ，轴　Ｍｅｎｇｊｕｎ，ＨＵＡＮＧ　Ｌｕｎｈａｉ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｏｎｓｔｕｒｃｔｉｏｎ　力主要以压力为主，最大值为一７３９６．９　ｋＮ，支护内力　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｏｆ　ｆｏｕｒ—ｌａｎｅ　ｈｉｇｈｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ　１　Ｊ　１．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　的最不利组合出现在中台阶拱墙处，支护内力分布与　ｏｆ　Ｒｏｃｋ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００６，２５（Ｓ２）：３０５７—　围岩压力分布特征近似吻合，但是离散程度比较大。　３０６２．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ））　３）采取水平旋喷超前预加固措施后，初期支护结　［６］　谭忠盛，喻渝，王明年，等．大断面深埋黄土隧道锚杆作用　构的安全度能满足规范要求，有一定的富裕量，而且，　效果的试验研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００８，２７　（８）：１６１８—１６２５．（ＴＡＮ　Ｚｈｏｎｇｓｈｅｎｇ，Ｙｕ　Ｙｕ，ＷＡＮＧ　在施工过程中没有出现因为拱架变形过大而引起的围　Ｍｉｎｇｎｉａｎ，ｅｔ　ａ１．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｂｏｌｔ　ａｎｃｈｏｒａｇｅ　岩失稳，由此可见，水平旋喷预加固在处理砂质围岩工　ｅ　ｃｔ　ｏｎ　ｌａｒｇｅ—ｓｅｃｔｉｏｎ　ｄｅｅｐ—ｂｕｒｉｅｄ　ｔｕｎｎｅｌ　ｉｎ　ｌｏｅｓｓ『Ｊ＿．Ｃｈｉ—　程问题中的适用性，可为以后类似的工程提供参考。　ｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｒｏｃｋ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００８，２７　４）在能够满足安全施工的基础上，有必要对砂质　（８）：１６１８—１６２５．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ））　围岩隧道的变形特征和水平旋喷超前预加固措施的作　［７］谭忠盛，喻渝，王明年，等．大断面浅埋黄土隧道锚杆作用　用机制进行更深人的研究。　效果的试验研究［Ｊ］．岩土力学，２００８，２９（２）：４９１—　４９５，５０６．（ＴＡＮ　Ｚｈｏｎｇｓｈｅｎｇ，ＹＵ　Ｙｕ，ＷＡＮＧ　Ｍｉｎｇｎｉａｎ，　ｅｔ　ａ１．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｂｏｌｔ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｌａｒｇｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｓｈａ１．　参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）　１ｏｗ—ｂｕｒｉｅｄ　ｌｏｅｓｓ　ｔｕｎｎｅｌｓ『Ｊ］．Ｒｏｃｋ　ａｎｄ　Ｓｏｉｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，　贺长俊，周晓敏．“复～八线…‘大一热”区问含水粉细砂　２００８，２９（２）：４９１—４９５，５０６．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ））　地层水平冻结的隧道施工技术［Ｊ］．地铁与轻轨，１９９９　［８］赵勇，刘建友，田四明．深埋隧道软弱围岩支护体系受力　（４）：５—１０．（ＨＥ　Ｃｈａｎｇｊｕｎ，ＺＨＯＵ　Ｘｉａｏｍｉｎ．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ　特征的试验研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１１（８）：　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｆｒｅｅｚｅ　ｆｏｒ　ｐａｒｔ　ｏｆ　Ｄａ・－ｒｅ　ｏｆ　Ｆｕ－－ｂａ　ｒａｉｌ－－　１６６３—１６７０　（ＺＨＡ０　Ｙｏｎｇ，ＬＩＵ　ＪｉａｎＹＯＨ，ＴＩＡＮ　Ｓｉｍｉｎｇ．Ｅｘ—　ｗａｙ　ｉｎ　ｓｉｌｔｙ—ｉｆｎｅ　ｓａｎｄ　ｓｔｒａｔｕｍ　ｗｉｔｈ　ｗａｔｅｒ　ｌ　Ｊ　１．Ｓｕｂｗａｙ　ａｎｄ　ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｙｓ—　Ｌｉｇｈｔ　Ｒａｉｌ，１９９９（４）：５—１０．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ））　ｔｅｍ　ｆｏｒ　ｗｅａｋ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｏｆ　ｄｅｅｐ　ｔｕｎｎｅｌｓ『Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ　［２］　李泽农，陈越粤．承压水砂性土层隧道构筑技术与运动规　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｒｏｃｋ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１　１（８）：　律非线性动力学方法研究［Ｊ］．岩土锚固工程，２００６（２）：９　１６６３—１６７０．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ））　—１４．（ＬＩ　Ｚｅｎｏｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｙｕｅｙｕｅ．Ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｆ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌ—　［９］　ＪＧＪ　１３８—２ｏ０１（Ｊ　１３０—２００１）型钢混凝土组合结构技术　ｏｇｙ　ａｎｄ　ｍｏｔｉｏｎ　ｌａｗ　ｗｉｔｈ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｄｙｎａｍｉｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｎ　ａ　ｔｕｎ—　规程［Ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２００１：１２—１３．　ｎｅｌ　ｉｎ　ｓａｎｄｙ　ｓｔｒａｔｕｍ　ｗｉｔｈ　ｃｏｎｆｉｎｅｄ　ｗａｔｅｒ［Ｊ］．Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　［１０］ＴＢ　１０００３－－２００５（Ｊ　４４９－－２００５）铁路隧道设计规范［Ｓ］．　Ａｎｃｈｏｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００６（２）：９—１４．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ））　北京：中国铁道出版社，２００５：６８—６９．