第 33 卷第 1 期 2012 年 1 月
文章编号：1000－7598 (2012) 01－0248－07
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.33 Jan.
No. 1 2012
公路隧道型钢喷射混凝土初期支护安全评价研究
徐帮树 1，杨为民 1，王者超 1，王育奎 1, 2
Study of initial support safety evaluation about shape steel reinforced shotcrete in highway tunnel
XU Bang-shu1，YANG Wei-min1，WANG Zhe-chao1，WANG Yu-kui1, 2
（1. Department of Underground Space, School of Civil and Hydraulic Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China; 2. Shandong Expressway Engineering Detection Co., Ltd., Jinan 250061, China）
砌根据围岩级别不同，分别采用钢筋混凝土或素混 凝土衬砌。 ZK8+270～125、YK8+310～180 区间为 V 级 围岩地段，采用 CRD 工法施工。设计的隧道初期 支护主要由 D25 中空注浆加固系统锚杆、边墙 22b 工字钢钢拱架，每榀设计间距为 60 cm、C20 喷射 混凝土厚 30 cm 和双层 8 mm 钢筋网，20 cm×20 cm 钢筋网组成。 工字钢有刚度大， 发挥作用快的特 点，适用于跨度大、围岩自稳能力差的隧道区段。 每榀钢拱架之间用 22 mm 的钢筋连接，并与超前
Abstract: Composite linings are often adopted in highway tunnels. The new Austrian tunneling method is used in tunnel’s designing and construction. For weak wall rock section, steel arch(or grid arch) + grouting + shortcrete network of united initial support form are adopted. The key to achieve dynamic design is to find a good method to evaluate initial support safety evaluation about shape steel reinforced shotcrete. This paper gives a systemic study on initial support safety evaluation and established a numerical calculation method. Firstly, according to the monitoring data, this paper analyzes the final settlement value and horizontal constringency of wall rock and makes it as a basis for parameter inversion. Secondly, adopting the mechanical parameters from inversion, the initial support internal force about shape steel reinforced shotcrete is calculated by stratum-structure numerical method. Finally, initial support safety is calculated and evaluated by safety factor calculation method of shape steel reinforced shotcrete. From the study of this paper, we find that the initial support of shape steel reinforced shotcrete can exert the strong support effect of shape steel. And that, when the shotcrete is upgraded, concrete plays a major supporting role. The space between shape steels is not prominence in increasing the initial support safety factor. Key words: shape steel reinforced shotcrete; highway tunnel; initial support; safety factor
70 60 50 40 30 20 10 0
监测值 拟合值 0 20 40 60 80 100 时间/d
（d）YK8+332
图 1 不同断面拱顶沉降-时间拟合曲线 Fig.1 Settlement-time fitting curves of vault of different sections
收稿日期：2011-02-25 基金项目：国家自然科学基金项目资助(No. 50820135907，No. 50909056)。 第一作者简介： 徐帮树， 男， 1974 年生， 博士， 副教授， 主要从事岩土工程数值计算、 GIS 三维分析方面的教学与研究工作。 E-mail: xubangshu@
（1. 山东大学 土建与水利学院 城市地下空间工程系，济南 250061；2. 山东高速工程检测有限公司，济南 250061）
摘
要：公路隧道常采用复合式衬砌，按“新奥法”原理进行设计和施工。对于软弱围岩段，采用型钢拱架（或格栅拱架）+
注浆+锚喷网联合初期支护形式，型钢喷射混凝土初期支护的安全性评价方法是实现支护动态设计的关键。对初期支护安全 性评价进行系统研究，建立了型钢喷射混凝土安全性评价数值计算方法。首先，根据监测数据分析围岩最终沉降量、水平收 敛值，作为围岩力学参数反演的依据；其次，采用反演的力学参数，通过地层-结构法数值计算型钢拱架喷射混凝土初期支 护内力；最后，采用型钢混凝土安全系数计算方法计算和评价初期支护安全性。研究发现，型钢拱架喷射混凝土初期支护能 发挥型钢强支护作用，而喷射混凝土达到设计强度后，混凝土起主要支撑作用，型钢间距对提高初期支护安全系数不显著。 关 键 词：型钢喷射混凝土；公路隧道；初期支护；安全系数 文献标识码：A 中图分类号：U 451
1 引 言
某公路隧道设计为上下行的分离式隧道，双洞 八车道，单向 3 个机动车道、1 条非机动车道。隧道 左线起讫点桩号 ZK7+351～ZK8+368，长 1 017 m； 右线起讫点桩号 YK7+353～YK8+366， 长 1 013 m。 隧道建筑限界净宽为 14.75 m，净高为 5 m。设计内 轮廓使用承载力较好的三心圆形式，边墙为曲墙形 式。隧道暗埋段按“新奥法”原理进行设计，采用复 合式衬砌，即初期支护以喷、锚、网为主，二次衬
第1期
徐帮树等：公路隧道型钢喷射混凝土初期支护安全评价研究
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注浆小导管或者超前锚杆焊为一体，与围岩密贴形 成承载结构。其中中间支撑为临时支撑，支护参数 稍弱于洞周围岩支护，采用 18 b 工字钢拱架。 ZK8+270～125、 YK8+310～180 区间初期支护完成 后，经无损检测得到实际初期支护钢拱架间距在 65～85 cm 之间，大于设计值。为确保隧道施工安 全和指导反馈设计，有必要开展型钢喷射混凝土初 期支护安全评价研究。 前人已对公路隧道初期支护安全性和可靠度 做了大量研究。例如，李洪泉等[1]提出格栅混凝土 初期支护结构截面失效的功能函数。在线弹性、小 变形和平截面等假设条件下，推导了根据测位移求 支护内力的计算公式。曾杰等[2]基于有限元模拟隧 道初期支护极限状态的功能函数的分析，依护公路 隧道设计规范，确定了初期支护可靠度分析的极限 位移的功能函数，并编制程序，基于对偶抽样蒙特 卡罗有限元模拟分析了深埋隧道初期支护的可靠 性。Vojkan 等[3]通过现场监测和室内试验研究了钢 纤维喷射混凝土初期支护与围岩共同作用的力学性 能。景诗庭等[4]基于弹塑性模型，运用蒙特卡罗方 法计算了初期支护结构的可靠度。已有文献对初期 支护力学性能、安全性评价方法做了大量研究。本 文在前人研究基础上，开展公路隧道监控量测数据 分析预测最终稳定变形值， 用于反演围岩力学参数； 采用初期支护-围岩共同作用的地层结构法， 应用型 钢混凝土安全系数计算公式，研究了不同型钢间距 对初期支护安全性的影响，获得初期支护强度变化 规律。
分析是指利用数理统计原理，对大量统计数据进行 数学处理， 并确定因变量与自变量之间的相关关系， 建立一个相关性较好的回归方程，并加以外推，用 于推测自变量其他取值条件下因变量值。最小二乘 法是回归分析中常常采用的方法。它通过最小化误 差的平方和寻找数据的最佳匹配函数。本研究通过 最小二乘法获得围岩最终位移量。 考虑到拱顶沉降-时间和收敛-时间关系，选取 指数函数 y a (1 e bt ) 进行拟合， y 为拱顶沉降量 或收敛量， t 为时间，a 和 b 均为参数。当 t 0 时， y 0 ； t 时， y a 。因此，参数 a 为最终沉降 量或最终收敛量。 在现场共选取了左右洞的 20 个断 面 进 行 了 监控 量 测 ，以 ZK8+245 、 ZK8+339 、 YK8+280、YK8+332 这 4 个断面为例进行监测值 与拟合值的数据分析，如图 1 所示，该 4 个断面最 终收敛值分别为 25.1、37.4、34.1、49.4 mm。经计 算 ZK8+270～125、YK8+310～180 各断面的最终 拱顶沉降量在 18.1～37.4 mm 之间，最终收敛值在 35.3～50.9 mm。 根据以前研究成果， 得出如下假定： 完成初期支护后，开展收敛监测，监测到的收敛值 只占全部围岩变形值的 60%，即施作初期支护时位 移释放率达到 40%。按照上述假定开展数值计算研 究。