數值計算下公路與鐵路隧道支護參數對比分析★

李俊鋒，張 卓，何嶸國

（1．云南省交通運輸廳工程質量監督局，云南 昆明 650214； 2．中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 611731）

隨著我國隧道工程修建技術的飛速發展，不同圍巖級別、不同斷面形狀條件下更為合理、經濟的支護參數與變形控制成為當前隧道工程精益求精的追求目標，也是精細化設計施工的體現。根據類比法對比鐵路、公路、城市地鐵等交通行業的不同支護參數及其效果［1－8］，進而吸收再創新是工程中一種便捷的方式。本文依托玉楚高速公路與蒙華鐵路，在經驗認識的基礎上，通過監測數據、支護參數對比分析，并通過數值計算驗證，分析兩者在支護參數上的差異性，為相互借鑒確定更為合理的支護參數提供參考。

1 變形數據對比分析

統計分析玉楚高速公路與蒙華鐵路雙線隧道在Ⅳ級、Ⅴ級圍巖下的拱頂沉降值，其中玉楚高速淺埋樣本量213 組，深埋209 組，蒙華鐵路淺埋樣本量441 組，深埋372 組，其結果分別如下：

1） Ⅳ級圍巖。玉楚高速淺埋地段拱頂下沉最大值為203．8 mm，集中分布在155 mm 以內，占比95．00%。深埋地段拱頂下沉最大值為248． 3 mm，集中分布在235 mm 以內，占比94．78%。蒙華鐵路淺埋地段拱頂下沉最大值為49． 6 mm，集中分布在25 mm 以內，占比95．88%。深埋地段拱頂下沉最大值為75．3 mm，集中分布在55 mm 以內，占比94．65%。2） Ⅴ級圍巖。玉楚高速淺埋地段拱頂下沉最大值為295．3 mm，集中分布在250 mm 以內，占比95．38%。深埋地段拱頂下沉最大值為325．0 mm，集中分布在290 mm 以內，占比96．00%。蒙華鐵路淺埋地段拱頂下沉最大值為231．6 mm，集中分布在50 mm 以內，占比95．92%。深埋地段拱頂下沉最大值為69．8 mm，集中分布在30 mm 以內，占比94．81%?？傮w而言，相同圍巖級別下玉楚高速公路隧道變形值均大于蒙華鐵路，除部分地段圍巖巖性差異外，可能與斷面形狀、支護參數等有關，需進一步探討。

2 支護參數對比分析

參考設計資料，蒙華鐵路隧道襯砌斷面分為Ⅳa（深埋） 、Ⅳb（淺埋） 、Va（深埋） 、Vb（淺埋） 、Vc（加強） ； 玉楚高速公路隧道襯砌斷面分為SF4a（淺埋） 、SF4b（深埋） 、SF4c（深埋） 、SF5a（淺埋） 、SF5b（深埋） 、SF5c（加強） 。各襯砌類型設計參數如表1 所示。

表1 支護主要設計參數表

由表1 可知，玉楚高速在相同圍巖級別下，無論深埋或淺埋條件，初期支護噴混凝土厚度、錨桿長度、拱架型號均小于蒙華鐵路，而在二次襯砌厚度和預留變形量上大于蒙華鐵路，體現了公路隧道弱初支，強二襯，預留變形量大的特點。21．11 mm） ，深埋工況規律與淺埋相同。主要原因為： 相同條件下玉楚高速公路隧道的橫斷面面積更大，而其襯砌剛度相比于蒙華鐵路更弱。

3 數值模擬對比分析

3．1 計算參數

根據設計資料及規范，取圍巖和初期支護結構材料物理力學參數如表2，表3 所示。

表2 圍巖力學參數取值表

表3 支護力學參數取值表

3．2 計算模型

計算模型水平方向取90 m，針對不同的工況，隧道埋深不同，因此模型的豎向高度不同，深埋取50 m（計算模型豎向為90 m） ，淺埋取10 m（計算模型豎向為50 m） ，初始應力僅考慮自重應力場的影響。利用FLAC3D 軟件對計算模型邊界條件作如下選定： 模型上方地表為自由邊界，模型底部施加X，Y，Z方向的固定約束，左右邊界施加X方向的水平約束，前后邊界施加Y方向的約束，圍巖采用摩爾庫侖本構模型，襯砌采用彈性模型，并均按臺階法施工進行模擬。

深埋計算模型如圖1 所示。

圖1 深埋計算模型

2） Ⅴ級圍巖計算結果。

Ⅴ級圍巖對應玉楚高速公路SF5a，SF5b，SF5c 型襯砌以及蒙華鐵路Va 型，Vb，Vc 型襯砌。施工完畢后豎向、水平位移計算結果如表5 所示，典型斷面豎向位移云圖如圖3 所示。

圖3 Ⅴ級圍巖典型斷面豎向位移云圖

表5 Ⅴ級圍巖襯砌位移計算結果

3．3 計算結果

1） Ⅳ級圍巖計算結果。

Ⅳ級圍巖對應玉楚高速公路SF4a，SF4b，SF4c 型襯砌以及蒙華鐵路Ⅳa 型、Ⅳb 型襯砌。施工完畢后豎向、水平位移計算結果如表4 所示。

表4 Ⅳ級圍巖襯砌位移計算結果

典型斷面豎向位移云圖如圖2 所示。

圖2 Ⅳ級圍巖典型斷面豎向位移云圖

由上，淺埋工況，玉楚高速公路SF4a 型襯砌施工完成后，豎向位移為31．03 mm，水平收斂為25．28 mm，比蒙華鐵路Ⅳb 型襯砌隧道位移更大（豎向18．08 mm，水平

由上，就支護剛度比較而言，玉楚高速公路SF5c 型襯砌隧道要大于SF5a 型襯砌隧道，而蒙華鐵路Vb 型襯砌隧道要大于Vc 型襯砌隧道。淺埋，就位移量值比較而言，SF5c ＞SF5a ＞Vc ＞Vb。深埋，玉楚高速公路SF5b 型襯砌隧道要大于蒙華鐵路Va 型襯砌隧道。主要原因為：相同條件下玉楚高速公路隧道的橫斷面面積更大，而其襯砌剛度相比于蒙華鐵路更弱。

綜上所述，由于玉楚高速公路隧道的橫斷面面積更大，而其支護剛度相比于蒙華鐵路更弱，故在Ⅳ級、Ⅴ級圍巖下，施工完畢后，其拱頂下沉和水平收斂值較蒙華鐵路更大，與監測數據統計規律一致。

4 結論

1） 相同圍巖級別下玉楚高速公路隧道變形值均大于蒙華鐵路，除部分地段圍巖巖性差異外，可能與斷面形狀、支護參數等有關。

2） 設計參數對比分析可知，玉楚高速公路初期支護噴混凝土厚度、錨桿長度、拱架型號均小于蒙華鐵路，而在二次襯砌厚度和預留變形量上大于蒙華鐵路，體現了公路隧道弱初支，強二襯，預留變形量大的特點。

3） 由于玉楚高速公路隧道的橫斷面面積更大，而其支護剛度相比于蒙華鐵路更弱，故計算變形值較蒙華鐵路更大，與監測數據統計規律一致。