一种单洞四车道公路隧道支护方法及支护参数的计算方法与流程

本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种不同围岩级别单洞四车道公路隧道的支护方法及支护参数的计算方法。

背景技术：

现行的规范和细则给出的单洞四车道支护参数十分有限，细则推荐采用的是初期支护+二次衬砌+三次衬砌的支护型式，施工繁琐，而且对于超前支护方案、锚杆型号、钢架型号、喷射混凝土强度等级以及模筑混凝土强度等级等设计参数均未提及，所以既有单洞四车道公路隧道支护型式多种多样，支护参数选取也无统一标准，而且单洞四车道公路隧道在设计时，为保证结构安全可靠，支护参数设计往往偏于保守。因此，随着我国单洞四车道公路隧道建设需求量的不断增加，急需制定出一套对不同围岩级别单洞四车道公路隧道的支护参数，为新建单洞四车道隧道设计和施工提供参考。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供了一种单洞四车道公路隧道支护方法及支护参数的计算方法，填补了规范中相关内容的空白，使支护参数设计更加合理，为单洞四车道公路隧道设计和施工提供参考。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种不同围岩级别单洞四车道公路隧道的支护参数，所述参数用于单洞四车道公路隧道的支护，针对单洞四车道公路隧道不同围岩级别，分别指定相应的隧道支护参数，具体为：

iii级围岩初期支护采用厚度24cm的c25喷射混凝土和间距为120cm的i18工字钢钢架；二次衬砌采用c30钢筋混凝土，厚度为40cm，其中钢筋直径为ф22，钢筋间距为20cm。

iv1级围岩初期支护采用厚度26cm的c25喷射混凝土和间距80～100cm的i20a型钢钢架；二次衬砌采用c30钢筋混凝土，厚度为50cm，其中钢筋直径为ф22，钢筋间距为20cm。

iv2级围岩初期支护采用厚度26cm的c25喷射混凝土和间距70～80cm的i20a型钢钢架；二次衬砌采用c30钢筋混凝土，厚度为50cm，其中钢筋直径为ф22，间距为20cm。

v1级围岩初期支护采用厚度26cm的c25喷射混凝土和间距60～75cm的i20b型钢钢架；二次衬砌采用c30钢筋混凝土，厚度为60cm，其中钢筋直径为ф22，间距为20cm。

v2级围岩初期支护采用厚度28cm的c25喷射混凝土和间距55～70cm的h175×175工字钢钢架；二次衬砌采用c30钢筋混凝土，厚度为60cm，其中钢筋直径为ф22，间距为20cm。

v3级围岩初期支护采用厚度30cm的c25喷射混凝土和间距50～60cm的h200×200工字钢钢架；二次衬砌采用c30钢筋混凝土，厚度为60cm，其中钢筋直径为ф22，间距为20cm。

进一步地，所述iii级围岩、iv1级围岩、iv2级围岩、v1级围岩、v2级围岩和v3级围岩按照围岩基本质量指标bq值进行划分，iii级围岩、iv1级围岩、iv2级围岩、v1级围岩、v2级围岩和v3级围岩的bq值范围分别为≥351、350～316、315～285、284～251、250～211和≤210。

进一步地，所述一种不同围岩级别单洞四车道公路隧道的支护参数，是由调研、现场监测和数值分析等方法进行设计而得，具体步骤如下：

s1：对已建和在建的单洞四车道公路隧道采用的围岩分级方法和典型工程围岩分级情况进行了调研，确定单洞四车道公路隧道的围岩分级方法；

s2：通过现场调研和文献资料查阅，收集既有单洞四车道公路隧道的支护参数信息，并且按围岩和地质条件(围岩级别、埋置深度)不同进行分类统计，以使用频率作为最基本的比选指标，同时考虑造价和修建时间等因素的影响，总结给出iii、iv、v级围岩下最常用的支护参数；

s3：对单洞四车道公路隧道iii、iv、v级围岩段的变形和支护结构应力进行现场监控量测，分析支护结构的受力特点，进而对iii、iv、v级围岩段的支护结构进行安全性评价，以验证单洞四车道公路隧道支护结构设计参数的合理性；

s4：结合iii、iv、v级围岩现场监控量测结果，采用midas/gtsnx有限元分析软件对隧道变形和支护结构内力进行数值计算，并对初期支护结构进行截面强度验算和支护结构参数优化。

本发明所述参数提供了针对不同围岩级别单洞四车道公路隧道的支护参数，避免了单洞四车道公路隧道在设计施工时由于规范相关内容有限而没有参考依据或者设计太过保守，能够为新建单洞四车道隧道设计和施工提供参考，使得单洞四车道公路隧道的设计和施工更加合理，并且可以为我国相关规范的制定提供依据。

附图说明

图1为iii级围岩隧道支护结构示意图；

图2为iv和v级围岩隧道支护结构示意图；

图3是本发明实施例提供的变形监测测点布置图；

图4是本发明实施例提供的初期支护应力监测测点布置图；

图5是本发明实施例提供的二次衬砌应力监测测点布置图；

图6是本发明实施例模拟得到的围岩竖向位移云图；

图7是本发明实施例模拟得到的围岩水平位移云图；

图8是本发明实施例模拟得到的初期支护轴力图；

图9为本发明实施例模拟得到的初期支护弯矩图。

附图标记为：1.初期支护；1-1.初期支护里的钢架；2.二次衬砌；2-1二次衬砌里的钢筋；4-1.混凝土应变计；4-2.表面应变计5-1.钢筋应力计

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

本发明给出了一种不同围岩级别单洞四车道公路隧道的支护参数，所述参数用于单洞四车道公路隧道的支护，针对单洞四车道公路隧道不同围岩级别，分别指定相应的隧道支护参数，具体为：

iii级围岩初期支护采用厚度24cm的c25喷射混凝土和间距为120cm的i18工字钢钢架；二次衬砌采用c30钢筋混凝土，厚度为40cm，其中钢筋直径为ф22，钢筋间距为20cm。

iv1级围岩初期支护采用厚度26cm的c25喷射混凝土和间距80～100cm的i20a型钢钢架；二次衬砌采用c30钢筋混凝土，厚度为50cm，其中钢筋直径为ф22，钢筋间距为20cm。

iv2级围岩初期支护采用厚度26cm的c25喷射混凝土和间距70～80cm的i20a型钢钢架；二次衬砌采用c30钢筋混凝土，厚度为50cm，其中钢筋直径为ф22，间距为20cm。

v1级围岩初期支护采用厚度26cm的c25喷射混凝土和间距60～75cm的i20b型钢钢架；二次衬砌采用c30钢筋混凝土，厚度为60cm，其中钢筋直径为ф22，间距为20cm。

v2级围岩初期支护采用厚度28cm的c25喷射混凝土和间距55～70cm的h175×175工字钢钢架；二次衬砌采用c30钢筋混凝土，厚度为60cm，其中钢筋直径为ф22，间距为20cm。

v3级围岩初期支护采用厚度30cm的c25喷射混凝土和间距50～60cm的h200×200工字钢钢架；二次衬砌采用c30钢筋混凝土，厚度为60cm，其中钢筋直径为ф22，间距为20cm。

所述iii级围岩、iv1级围岩、iv2级围岩、v1级围岩、v2级围岩和v3级围岩按照围岩基本质量指标bq值进行划分，iii级围岩、iv1级围岩、iv2级围岩、v1级围岩、v2级围岩和v3级围岩的bq值范围分别为≥351、350～316、315～285、284～251、250～211和≤210。

现有的单洞四车道公路隧道的支护参数由于没有规范参考，所以大多数是根据经验类比进行设计，而这些设计往往都是偏保守的，故存在着支护参数的不经济性，导致出现了因加固过度造成的建设成本过高以及建筑材料浪费等问题，本发明的思路是通过对国内既有单洞四车道公路隧道支护参数进行调研，总结出常用的支护参数，再结合正在修建隧道的监控量测，根据监测变形和受力情况，判断隧道支护参数的合理性，最后再通过数值模拟对支护参数进行优化，在满足结构强度的前提下，选择最经济的支护参数，大大节约了建设成本。

下面以v1级围岩为例，介绍本发明的支护参数确定方法。

s1：对已建和在建的超大跨度隧道采用的围岩分级方法和典型工程围岩分级情况进行了调研，确定单洞四车道公路隧道的围岩分级方法；

根据调研结果，确定的单洞四车道公路隧道围岩分级中v1级围岩的划分标准为：bq值范围为284～251。

s2：通过现场调研和文献资料查阅，收集既有v1级围岩单洞四车道公路隧道的支护参数信息，以使用频率作为最基本的比选指标，同时考虑造价和修建时间等因素的影响，总结给出v1级围岩下最常用的支护参数；

结果表明：v1级围岩超前支护都使用了超前小导管，4.0～4.5m长ф50超前小导管(环向间距40cm)使用频率最高；隧道采用的复合式衬砌结构型式有初期支护+二次衬砌、双层初期支护+二次衬砌和初期支护+双层二次衬砌三种方案，常采用初期支护+二次衬砌方案；初期支护钢架有格栅钢架、工字钢、h型钢三种方案，h200×200钢架(间距50～75cm)使用频率最高；初期支护锚杆有ф22水泥砂浆锚杆、ф22药卷锚杆、ф25中空注浆锚杆和ф42注浆锚管四种方案，3.5～4.5m长ф25中空注浆锚杆(纵向间距50～75cm，环向间距100cm)使用频率最高；喷射混凝土都使用了c25喷射混凝土，50％的隧道喷射混凝土加入了钢纤维，厚度常采用28～30cm方案；二次衬砌都采用钢筋混凝土，混凝土强度等级有c20、c25、c30、c35、c40和c45六种方案，65～80cm厚c30钢筋混凝土使用频率最高，钢筋采用ф25，间距10cm、15cm和20cm。

综上所述，v1级围岩下最常用的支护参数为：

超前支护：ф50超前小导管，长度4.0～4.5m，环向间距40cm；

初期支护：h200×200钢架，间距50～75cm；c25喷射混凝土，厚度28～30cm；ф25中空注浆锚杆，长度3.5～4.5m，环向间距1.0m；ф8双层钢筋网；

二次衬砌：c30钢筋混凝土，ф25钢筋，间距10～20cm；拱部和边墙厚度65～80cm，仰拱厚度65～80cm。

s3：对单洞四车道公路隧道v1级围岩段的变形和支护结构应力进行现场监控量测，分析支护结构的受力特点，进而对v1级围岩段的支护结构进行安全性评价，以验证单洞四车道公路隧道支护结构设计参数的合理性。

某隧道v1级围岩段的衬砌支护参数为：

预留变形量15cm；

超前支护：ф50超前小导管，长度4.0m，搭接长度1.75m，环向间距40cm；

初期支护：h200×200钢架，间距75cm；c25湿喷混凝土，厚度30cm；ф25中空注浆锚杆(拱部、边墙)，长度4.5m，环向间距1.0m，纵向间距0.75m；ф8双层钢筋网(20×20)；

二次衬砌：c30模筑防水混凝土(p8)；拱部和边墙钢筋混凝土厚度65cm，仰拱钢筋混凝土厚度65cm；c15片石混凝土仰拱回填铺底。

某隧道v1级围岩段监测断面详细信息如表1所示。

表1监测断面详细信息

现场监控量测的变形监测测点布置、初期支护应力监测测点布置和二次衬砌应力监测测点布置分别如图3、图4和图5所示。图3测的是初期支护的拱顶下沉和周边收敛。其中数字2对应表2中初期支护的先导洞(2号测点)，0-5对应表2中的拱顶至左拱脚(0-5)；

图4测的是初期支护的喷射混凝土应力和钢架应力，图中混凝土应变计测的是初期支护的喷射混凝土应变，然后再换算成喷射混凝土应力；布置的表面应变计测的是钢架应变，然后再换算成钢架应力。其中数字5对应表2中喷射混凝土应力的左拱脚(5号测点)，8对应表2中喷射混凝土应力的右墙脚(8号测点)和钢架应力的右墙脚(8号测点)，1和2分别对应表2中钢架应力的左拱腰30°(1号测点)和右拱腰30°(2号测点)；

图5测的是二次衬砌的钢筋应力、混凝土应力、拱顶沉降和净空收敛，图中钢筋应力计测的是二次衬砌钢筋应力；混凝土应变计测的是二次衬砌混凝土应变，然后换算成二次衬砌混凝土应力。其中数字0对应表2中二次衬砌的拱顶，5、6对应表2中二次衬砌的主断面拱脚，7对应表2中二次衬砌钢筋应力和二次衬砌混凝土应力的左墙脚(7号测点)，2对应表2中二次衬砌混凝土应力的右拱腰30°(2号测点)，3对应表2中二次衬砌混凝土应力的左拱腰60°(3号测点)，10对应表2中二次衬砌混凝土应力的仰拱偏右(10号测点)。

以zk108+170断面为例对各支护结构安全性进行评价，结果如表2所示。

表2zk108+170断面各支护结构安全性评价

由表2可知：该断面拱顶下沉最大值为27.3mm，周边位移最大值为22.5mm，远小于设计预留变形量，喷射混凝土和钢架局部压应力值超过了规范规定的设计值；该断面二次衬砌拱顶下沉最大值为4.2mm，净空收敛最大值为14.19mm，且二次衬砌的变形主要原因为温度应力致使衬砌结构本身发生变形，而结构受力产生的变形相对小，二次衬砌混凝土局部所受拉应力超过了c30混凝土的极限抗拉强度，其余测点应力最大值均未超过混凝土极限强度，二次衬砌钢筋几乎不受拉应力，内、外侧所受压应力的最大值分别仅为屈服强度的20％和17％，可见二次衬砌具有足够的安全储备。

s4：结合v1级围岩现场监控量测结果，采用midas/gtsnx有限元分析软件对隧道变形和支护结构内力进行数值计算，并对初期支护结构进行截面强度验算和支护结构参数优化分析。步骤如下：

s41支护结构的数值实现

本次模拟所涉及的支护结构包括超前小导管、系统锚杆、喷射混凝土和钢架，各支护结构的数值实现方法如下：

(1)v1级围岩段的超前小导管不单独设置结构单元，采用等效原则，即将其支护效果等效为围岩加固区，根据工程经验，假定其施作后可使加固区内围岩的粘聚力c和摩擦角均提升20％；

(2)系统锚杆单独设置弹性结构单元，采用植入式桁架属性，实心圆形截面，按设计参数布置；

(3)喷射混凝土同样单独设置弹性结构单元，采用梁属性，实心矩形截面，截面高度按设计喷射混凝土厚度选取，宽度按每延米设置；

(4)钢架不单独设置结构单元，采用等效折减的方式将其弹性模量和重度折算进喷射混凝土，组成型钢混凝土结构。型钢混凝土结构的等效模量和等效重度计算方法参考《组合结构设计规范》(jgj138-2016)中的规定，详见公式(1)和式(2)。

式中：e—型钢混凝土等效弹性模量；

eg—型钢弹性模量；

ag—型钢截面积

eh—喷射混凝土弹性模量；

a—总截面积

式中：γ—型钢混凝土等效重度；

γg—型钢重度；

γh—喷射混凝土重度

s42模拟计算步骤

v1级围岩段模拟上台阶cd法施工，共涉及14个施工阶段，依次为：(1)初始地应力；(2)先导加固；(3)先导开挖；(4)先导支护(包括中隔壁)；(5)后导加固；(6)后导开挖；(7)后导支护；(8)左边墙开挖；(9)左边墙支护；(10)右边墙开挖；(11)右边墙支护；(12)拆除中隔壁；(13)仰拱开挖；(14)仰拱支护。此外，每个开挖+支护循环均采用0.6+0.4的释放荷载系数，即开挖承担60％的荷载，支护承担40％的荷载。

s43数值模型的建立

建模时根据《公路隧道设计细则》(jtg/td70-2010)规定，模型左右边界各取3倍毛洞开挖跨径，下边界取3倍毛洞开挖高度，上部边界统一取至地表。v1级围岩段模型参数如表3所示。

表3v1级围岩段模型参数

s44计算参数的选取

模拟所用的围岩物理力学参数参考《公路隧道设计规范》(jtg3370.1-2018)中的v级岩质围岩的基本物理力学参数，并且根据围岩的实际情况进行调整。围岩物理力学参数见表4所列。

表4v1级地层计算参数

s45数值计算结果分析

对v1级围岩设计参数进行数值模拟，将得到的围岩竖向位移、水平位移结合实测数据确定模型的合理性，然后进行初期支护结构的截面强度验算。数值计算结果见图6至图9。

模拟的最大沉降值发生在拱顶偏右，为20.2mm；最大收敛值发生在两侧边墙，为23.4mm。实测的最大沉降值为27.3mm，位于右拱腰30°；最大收敛值为22.5mm，位于拱顶至左拱脚。模拟变形结果基本符合实际情况，说明该模型的计算参数设置较为合理。初期支护拱部轴力明显大于两侧边墙，拱腰处受力最大；初期支护拱部所受弯矩较小，拱顶偏右处所受弯矩较大，两侧边墙处所受弯矩较大。

s46初期支护结构的截面强度验算

初期支护由喷射混凝土、锚杆、钢架和钢筋网等组成，结构计算时将喷射混凝土与钢架视为整体，采用地层-结构法进行初期支护内力计算，初期支护材料参数采用将喷射混凝土和钢架进行等效后的喷射混凝土参数。截面选取与现场监控量测保持一致，截面强度验算内容主要包括抗压控制截面的安全系数和抗拉控制截面的安全系数。

(1)抗压强度验算

初期支护结构截面为矩形截面，抗压强度按式(3)进行计算：

式中：k—安全系数，当荷载组合为永久荷载+基本可变荷载时，k＝2.4；

n—轴向力(kn)；

—构件纵向弯曲系数，对隧道衬砌取

α—轴向力的偏心影响系数，按表5采用

ra—混凝土的抗压极限强度(mpa)；

b—截面宽度(m)；

h—截面厚度(m)。

表5偏心影响系数α

注：1.为轴向力偏心距。

2.α＝1.000+0.648(e0/h)-12.59(e0/h)²+15.44(e0/h)³

(2)抗拉强度验算

初期支护结构截面抗拉强度按式(4)进行计算：

式中：k—安全系数，当荷载组合为永久荷载+基本可变荷载时，k＝3.6；

n—轴向力(kn)；

—构件纵向弯曲系数，对隧道衬砌取

r1—混凝土的抗拉极限强度(mpa)；

b—截面宽度(m)；

h—截面厚度(m)；

e0—轴向力偏心距。

根据规范，当截面强度验算满足要求时，即抗压强度验算的安全系数k>2.4，抗拉强度验算的安全系数k>3.6，则进行初期支护结构参数优化。

设计参数模拟各截面内力及安全系数如表6所示。

表6设计参数模拟各截面内力及安全系数

由表6可知：v1级围岩二次衬砌各截面除左、右墙脚及仰拱底部(7、8、11号截面)为抗拉控制外，均为抗压控制；抗压控制截面的安全系数最小值出现在右拱腰60°(4号截面)，为3.2，大于2.4；抗拉控制截面的安全系数最小值出现在仰拱偏右(9号截面)，为3.0，小于3.6。

s47初期支护结构参数优化

针对初期支护的设计参数，一般可通过改变钢架型号和间距、喷射混凝土的强度等级和厚度等方式进行支护参数优化。通过改变支护参数得到不同的工况，然后进行数值模拟，满足截面强度验算且安全和经济的支护参数为优化后的支护参数。各优化工况计算参数选取如表7所示。

表7各优化工况计算参数选取

(1)工况一模拟各截面内力及安全系数统计见表8所列。

表8工况一模拟各截面内力及安全系数

由表8可知：工况一各截面除左、右墙脚及仰拱底部(7、8、11号截面)为抗拉控制外，均为抗压控制；抗压控制截面的安全系数最小值出现在右拱腰60°(4号截面)，为3.2，大于2.4；抗拉控制截面的安全系数最小值出现在仰拱偏右(9号截面)，为4.1，大于3.6。

(2)工况二模拟各截面内力及安全系数统计见表9所列。

表9工况二模拟各截面内力及安全系数

由表9可知：工况二各截面均为抗压控制；抗压控制截面的安全系数最小值出现在右拱腰60°(4号截面)，为3.2，大于2.4。

(3)工况三模拟各截面内力及安全系数统计见表10所列。

表10工况三模拟各截面内力及安全系数

由表10可知：工况三各截面均为抗压控制；抗压控制截面的安全系数最小值出现在右拱腰60°(4号截面)，为3.3，大于2.4。

通过对上述三种工况的数值模拟结果分析可知：首先从安全性角度来看，工况一、工况二和工况三的优化参数均满足截面强度验算要求；从经济性角度来看，相比原设计采用的h200×200型钢钢架，工况一采用了i22b工字钢钢架，工况二和工况三采用了i20b工字钢钢架，结合各工况钢架间距，工况三的支护参数经济性最好。因此，v1级围岩初期支护采用工况三的优化参数较为合理，即在锚杆等支护参数不变的情况下，采用i20b工字钢钢架，间距为100cm，c25喷射混凝土，厚度为26cm。

此外，由数值模拟结果分析可知，在采用i20b工字钢钢架的情况下，钢架采用60cm和75cm方案安全系数计算结果较为接近，且安全性和经济性均较好，所以最终推荐v1级围岩采用i20b工字钢钢架，间距为60～75cm，c25喷射混凝土，厚度为26cm，其余支护参数保持不变。

基于类似的方法，最后获得了不同级别围岩的支护参数如下：

iii级围岩初期支护采用厚度24cm的c25喷射混凝土和间距为120cm的i18工字钢钢架；二次衬砌采用c30钢筋混凝土，厚度为40cm，其中钢筋直径为ф22，钢筋间距为20cm。

iv1级围岩初期支护采用厚度26cm的c25喷射混凝土和间距80～100cm的i20a型钢钢架；二次衬砌采用c30钢筋混凝土，厚度为50cm，其中钢筋直径为ф22，钢筋间距为20cm。

iv2级围岩初期支护采用厚度26cm的c25喷射混凝土和间距70～80cm的i20a型钢钢架；二次衬砌采用c30钢筋混凝土，厚度为50cm，其中钢筋直径为ф22，间距为20cm。

v1级围岩初期支护采用厚度26cm的c25喷射混凝土和间距60～75cm的i20b型钢钢架；二次衬砌采用c30钢筋混凝土，厚度为60cm，其中钢筋直径为ф22，间距为20cm。

v2级围岩初期支护采用厚度28cm的c25喷射混凝土和间距55～70cm的h175×175工字钢钢架；二次衬砌采用c30钢筋混凝土，厚度为60cm，其中钢筋直径为ф22，间距为20cm。

v3级围岩初期支护采用厚度30cm的c25喷射混凝土和间距50～60cm的h200×200工字钢钢架；二次衬砌采用c30钢筋混凝土，厚度为60cm，其中钢筋直径为ф22，间距为20cm。