四川省綿茂路籃家?guī)r隧道支護(hù)設(shè)計(jì)方案

摘 要：籃家?guī)r隧道是四川省綿竹縣至茂縣2級公路的重點(diǎn)控制性工程，分析隧道的支護(hù)設(shè)計(jì)方案具有意義。本文在介紹工程概況的基礎(chǔ)上，克服軟弱巖石的影響，根據(jù)公路隧道設(shè)計(jì)國家標(biāo)準(zhǔn)，對隧道進(jìn)行斷面設(shè)計(jì)和支護(hù)設(shè)計(jì)，通過計(jì)算驗(yàn)算，設(shè)計(jì)結(jié)果符合國家的強(qiáng)度要求，滿足隧道的實(shí)際需求。

關(guān)鍵詞：隧道斷面設(shè)計(jì)；支護(hù)設(shè)計(jì)；軟弱巖石

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.070

1 工程概況

籃家?guī)r隧道是四川省綿竹縣至茂縣 2 級公路的重點(diǎn)控制性工程，為單洞 2 車道雙向行車隧道，設(shè)計(jì)速度80km/h[1]。籃家?guī)r隧道設(shè)計(jì)樁號為K43+200-K51+310（老樁號為K43+035～K51+150），全長8000m為本線路上最長的隧道，屬特長隧道。其進(jìn)口設(shè)計(jì)洞底標(biāo)高1747.009m，主軸線方向351°，出口設(shè)計(jì)洞底標(biāo)高1850.0m。隧道縱坡采用人字坡，上坡坡度1.9%，下坡坡度-0.5%，隧道最大埋深約1820m。根據(jù)本次地質(zhì)調(diào)查，主要按照巖石的堅(jiān)硬程度和巖體完整程度兩個(gè)基本因素的定性特征，進(jìn)口地段強(qiáng)風(fēng)化（淺部）——弱風(fēng)化，據(jù)茂縣段已有的資料， 強(qiáng)風(fēng)化千枚巖飽和抗壓強(qiáng)度極低（<1 MPa），弱風(fēng)化千枚巖巖石飽和抗壓強(qiáng)度在6～10Mpa之間，屬軟巖，巖體較破碎。估算圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)取值巖休較完整，屬軟巖——較軟巖。巖石（取滴水狀），按圍巖分級標(biāo)準(zhǔn)劃分為Ⅴ級。按Rc=20MPa計(jì)算其千枚巖〔BQ〕值也小于250，隧道K43+035-K44+750洞室圍巖以白云巖、其余硬質(zhì)巖為深埋段，弱——微風(fēng)化，巖石較堅(jiān)硬——堅(jiān)硬，巖體較完整，圍巖劃分為Ⅲ級。

2 隧道設(shè)計(jì)

本隧道設(shè)計(jì)全部采用公路隧道設(shè)計(jì)國家標(biāo)準(zhǔn)[2]。

2.1 隧道斷面的設(shè)計(jì)

根據(jù)公路隧道建筑限界的規(guī)定：

本隧道為80km/h一級公路隧道可知：W=3.75m ， LL=0.5m ， LR=0.5m ， J=0.75， h=0.25m，H=5m 隧道建筑限界凈寬10.25m；W為行車道寬度；LL為左側(cè)的寬度；LR為右側(cè)的寬度；J是檢修道寬；h是檢修道高度；EL是建筑限界左頂角寬度；EL=LL；EE是建筑限界右頂角寬度。如圖1、2所示：

2.2 襯砌斷面內(nèi)輪廓尺寸擬定

根據(jù)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范采用如下3個(gè)公式擬定尺寸：

r1+acotβ1-r2cosβ2=f （1）

2（r2sinβ2-a）=b （2）

r1+a/sinβ1=r2 （3）

式中：b是公路隧道建筑限界寬度，其值為行車道寬度加上兩側(cè)路緣帶與人行道寬度的總和兩側(cè)還應(yīng)該分別加上5到10cm；f是拱頂至拱腳的矢高，根據(jù)通風(fēng)量所需的通風(fēng)面積計(jì)算確定，并保證拱軸線得受力合理；β1、β2是內(nèi)徑r1 r2畫出的圓曲線的終點(diǎn)截面與豎直面的夾角；a是內(nèi)徑r1，r2的圓心O1與O2之間的水平距離。

根據(jù)設(shè)計(jì)的建筑限界得：b=10.4m，f=2.804m，a=0.8m，β1=51.906o；

聯(lián)立方程（1）（2）（3）求得：r1=6.16m ，r2=7.18，β2=56.72o；

取墻式邊墻內(nèi)徑r3由參數(shù)H1及b1確定：r3=H12+b12/2（H1sinβ3+b1cosβ3），

β3=90o-β2；

由建筑限界計(jì)算得：H1=4.5m ，b1=0.2m；從而得出 r3=10m；算得內(nèi)輪廓線面積S1=69.62m2。

2.3 隧道外輪廓線的擬定

按照工程類比法的方法將內(nèi)輪廓線向外擴(kuò)大20cm即為外輪廓線如圖3：求得外輪廓的面積S2=76.11m2。

2.4 隧道實(shí)際開挖面積和開挖邊界

在使用鉆爆施工時(shí)，由于爆破會導(dǎo)致隧道邊緣出現(xiàn)各種凹凸不平的不規(guī)則形狀，因此未來保護(hù)外輪廓線能夠正常完好的施工，一般我們將外輪廓線向外推出10cm達(dá)到保護(hù)隧道外輪廓線的目的，此時(shí)的隧道開挖線即隧道實(shí)際開挖線，如圖4所示，實(shí)際開挖面積S3=79.456m2。

3 隧道支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 巖石等級確定

由于巖土體性質(zhì)、地應(yīng)力、邊界條件、施工過程等方面的復(fù)雜性和隨機(jī)性，使得公路隧道圍巖壓力的確定或計(jì)算變得十分困難[3]。因而采用的是我國的[BQ]法確定巖石強(qiáng)度等級，具體如下：

本隧道長度為449m，因此選用BQ法判定隧道圍巖的分級。在樁號Zk39+321-Zk39+390，長度69m，BQ=230，為Ⅴ級圍巖，記為①號巖體。在樁號Zk39+390-Zk39+500，長度110m，BQ=321，為Ⅳ級圍巖，記為②號巖體。在樁號Zk39+500-Zk39+568，長度60m，BQ=224，為Ⅴ級圍巖，記為③號巖體。在樁號Yk39+313-Yk39+363，長度50m，BQ=227，為Ⅴ級圍巖，記為④號巖體在樁號Yk39+363-Yk39+448，長度85m，BQ=316，為Ⅳ級圍巖，記為⑤號巖體。在樁號Yk39+448-Yk39+515，長度67m，BQ=222，為Ⅳ級圍巖，記為⑥號巖體。

3.2 圍巖壓力確定

根據(jù)公路隧道設(shè)計(jì)國標(biāo)規(guī)定，該項(xiàng)目采用了通過中國高速公路隧道和鐵路隧道來計(jì)算采用垂直方向的一致壓力的方式。它根據(jù)工程類推法，從統(tǒng)計(jì)上分析中國數(shù)百人的隧道崩潰的調(diào)查數(shù)據(jù)。

圍巖豎向均布壓力q按下式計(jì)算：q=0.45*2s-1*γω；

式中：S是圍巖級別；γ是圍巖容重，kN/m2；ω =1+i（B-5）寬度影響因素；B是隧道寬度；i以B=5m為基準(zhǔn)，B每增減1m是大的圍巖壓力增減率，當(dāng)B<5m，取i=0.2；當(dāng)B>5m，取i=0.1。

因此，①③④⑥號巖體的豎向均布壓力為：q1=28.548MPa；按工程地質(zhì)類比法得到①③④⑥號圍巖的水平均布壓力：e1=28.548*0.17=4.85MPa；而②⑤號巖體的豎向均布壓力為：q2=59.292MPa；水平均布壓力為：e2=19.57MPa。

3.3 錨桿直徑與長度的計(jì)算

軟弱圍巖隧道開挖后自穩(wěn)能力差，易發(fā)生大的變形、鋼架扭曲等現(xiàn)象[4]。隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系是圍巖穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵，也是隧道設(shè)計(jì)的基本任務(wù)，而對支護(hù)結(jié)構(gòu)之間相互作用過程和機(jī)制的系統(tǒng)認(rèn)識則是定量化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[5]。由于隧道的周圍巖石不穩(wěn)定，所以采用錨桿將他們連接的可能穩(wěn)定的巖石上。它的主要效果是使危石和不穩(wěn)定的巖石穩(wěn)定下來，因此錨桿必須承受錨固所有不穩(wěn)定的巖石重力。

當(dāng)塊體危石墜落時(shí)，除使錨桿產(chǎn)生剪切作用，根據(jù)靜力平衡有：

Q=Gsinξ1/sinψ

N=Gsin（ψ-ξ1）/sinψ

式中：N錨桿所受拉力；Q錨桿所受剪力；G危石重力或一根錨桿承擔(dān)的巖石重力；ψ錨桿與地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的夾角；ξ1錨桿與垂直線的夾角。

由于不能準(zhǔn)確確定危石的大小和形狀本計(jì)算公式不適用。因而本工程采用經(jīng)驗(yàn)類比法計(jì)算錨桿的長度和直徑。如圖5所示： L=4m d=20cm 間距0.8m 采用φ20cm螺紋鋼。

3.4 工程驗(yàn)算

工程驗(yàn)算的計(jì)算簡圖如圖6所示：

計(jì)算結(jié)果表明：配筋符合要求滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度，可以使用。

4 結(jié)語

本次設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)要求的隧道參數(shù)，并按設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)此次隧道的斷面設(shè)計(jì)采用三圓心拱設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)得三個(gè)圓半徑分別為6.16m、7.18m、10m，得出內(nèi)輪廓線面積69.62m2。依據(jù)工程類比法得出外輪廓線面積76.11m2，由于開挖爆破形成不規(guī)則形狀，因此得出實(shí)際開挖面積79.456m2。且本次隧道采用錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)，算得錨桿長度4m，直徑20cm，間距0.8m，采用φ20cm螺紋鋼，經(jīng)驗(yàn)算符合設(shè)計(jì)的要求。根據(jù)國家規(guī)范完成了隧道的斷面，支護(hù)設(shè)計(jì)，通過計(jì)算驗(yàn)算符合國家的強(qiáng)度要求，滿足隧道的實(shí)際需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]李瀟，嚴(yán)松宏.籃家?guī)r隧道軟弱圍巖大變形機(jī)理分析及綜合控制[J].公路交通技術(shù)，2015（01）：102-105.

[2]JTG D70-2004， 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[3]曲海鋒，楊重存，朱合華，王華牢，楊彥民.公路隧道圍巖壓力研究與發(fā)展[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2007，3（03）：536-543.

[4]李書兵.軟弱圍巖隧道機(jī)械化全斷面爆破開挖初期支護(hù)受力特性研究[J].隧道建設(shè)（中英文），2018，38（08）：1293-1302.

[5]張頂立，孫振宇，侯艷娟.隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系及其協(xié)同作用[J/OL].力學(xué)學(xué)報(bào)：1-14.

作者簡介：楊長生（1995-），男，重慶人，碩士研究生在讀，研究方向：工程地質(zhì)。