基于BQ指标的砂质深埋单线铁路隧道围岩荷载研究

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　　摘 要：围岩荷载对隧道支护结构设计至关重要，现行规范所给围岩荷载计算方法主要针对松弛（塌方）荷载，且对深埋单线铁路隧道而言，其荷载值仅与围岩级别因素相关，无法满足支护结构精细化设计需求，本文以砂质深埋单线铁路隧道作为研究对象，通过对围岩实测荷载进行统计分析，建立了基于BQ值指标的围岩荷载计算方法，为隧道支护结构针对性设计起到了积极的指导和借鉴之用。
　　关键词：砂质围岩;深埋;单线铁路隧道;BQ指标;围岩荷载确定方法
　　1 绪论
　　围岩荷载是隧道支护结构承受的主要荷载类型，对隧道支护结构设计至关重要，因此，关于围岩荷载的研究历来就受到工程界人士的重视。我国现行铁路隧道设计规范中给出的围岩荷载计算方法，主要是依据围岩级别、隧道埋深、隧道段面尺寸等要素进行计算，但需要指出的是，规范中围岩荷载类型主要为松弛（塌方）荷载，这与当时我国隧道支护水平是紧密相关的。随着我国隧道支护技术水平的不断提升，隧道及时支护成为了现实，故隧道支护所承围岩荷载类型随之也发生了本质改变，即由松弛（塌方）荷载转变为形变荷载，在此背景下，研究形变荷载逐渐成为当今隧道围岩荷载研究的主流趋势。
　　砂质围岩在我国分布较为广泛，是隧道工程建设中常见的一种地质类型，我国现行铁路隧道设计规范中，将砂质围岩主要分为Ⅳ、Ⅴ级两种围岩级别，因此，对于深埋单线铁路隧道而言，其围岩荷载依据现行隧道规范公式只能获取两档围岩荷载数值，但在工程实践中，因砂质围岩物理力学参数范围较广，仅采用两档围岩荷载值指导隧道支护结构设计无法满足工程实践中支护精细化设计需求，鉴于此，本文借鉴现行隧道规范中BQ值思想，通过对国内多座砂质深埋单线铁路隧道围岩压力实测值进行统计分析，建立了基于BQ指标的砂质深埋单线铁路隧道围岩荷载计算方法，以为指导砂质深埋单线铁路隧道支护结构精细化设计提供参考和借鉴作用。
　　2 围岩荷载样本获取及处理
　　2.1 围岩荷载样本获取
　　通过对我国砂质单线铁路隧道进行广泛调研，共获取9座砂质单线铁路隧道27个深埋地段监测断面的围岩压力实测样本值，9座隧道的工程概况详见表1所示。
　　2.2 围岩荷载样本处理
　　将各监测断面各监测部位处围岩接触压力实测稳定值作为本次统计分析的围岩荷载样本值对象，由于各监测部位围岩接触压力实测值为隧道径向压力值，因此，参照现行隧道规范围岩荷载分布模式，需将各部位径向压力值转化为均布值，处理过程如下：
　　2.2.1 围岩荷载转换计算
　　对于每个测试断面，拱顶处的荷载为竖向荷载，无水平荷载;拱脚处荷载为水平荷载，无竖向荷载;拱肩处荷载方向与水平方向夹角近似成45°，近似指向拱轴线圆心，故左拱肩处的垂直荷载为F11=F1×2/2，右拱肩处的竖向荷载为F21=F2×2/2，左端三角区域底边长为L1=R×（1-2/2），中间梯形的高为L2=R×（2/2）。
　　隧道总荷载等于各区域荷载之和，均布荷载等于总荷载除以跨度。计算简图见图1。
　　2.2.2 围岩荷载对应的BQ值计算
　　为获取各监测断面围岩质量指标BQ值，依据各监测断面对岩石坚硬程度、岩体完整程度等指标的测试及描述分析，参照现行规范中BQ值计算公式，获取各监测断面所对应的BQ计算值。BQ值计算公式见式1。
　　3 围岩荷载计算方法回归分析
　　以表2中砂质深埋单线铁路隧道围岩荷载样本值为基础，绘制围岩荷载随BQ值间变化关系曲线，详见图2。基于围岩荷载与BQ值间相关性关系曲线，采用回归分析方法，分别分析竖向荷载、水平荷载与BQ值间拟合式，结果见表3。
　　对比表3中相关性系数可知，竖向荷载和水平荷载均以采用指数形式回归时相关性最大，因此，砂岩深埋单线铁路隧道围岩荷载计算公式建议采用指数型拟合公式，具体为：
　　（1）竖向荷载：q=874.86×e-0.01BQ（式2）
　　（2）水平荷载：q=1829.6e-0.021BQ（式3）
　　4 围岩荷载计算方法工程验证
　　为验证围岩荷载计算方法的可靠性，以新疆某砂岩深埋单线铁路隧道为对象，对其开展工程验证。验证采用数值方法进行，应用荷载-结构计算模型，分别采用规范围岩荷载计算值、本文围岩荷载计算值进行计算，通过对支护结构内力及安全系数计算结果分别与现场实测值结果进行对比分析，结果详见图3所示。
　　通过对比分析可知，拟合公式计算的弯矩值和轴力值比实测值大，比规范公式计算值小;安全系数实测值最大，拟合公式计算结果居中，规范公式计算结果最小。因此，拟合公式计算结果较之规范计算结果更加趋于工程实际，说明了本文研究成果具有一定的合理性。
　　5 结语
　　围岩荷载对指导隧道支护结构设计至关重要，现行隧道设计规范中所给围岩荷载计算方法，以围岩松弛（塌方）荷载为对象，且对深埋单线铁路隧道而言，荷载计算值仅以围岩级别作为主要影响因素，无法满足工程实践中支护结构精细化设计的需求，本文以砂质深埋单线铁路隧道围岩实测荷载为基础，通过对围岩实测荷载样本进行统计分析，建立了基于BQ值的围岩荷载计算方法，可实现不同围岩状态下围岩荷载值的精准计算，成果通过典型工程实例验证，具有较好的可靠性，为隧道支护结构针对性设计起到了积极的参考和借鉴作用。
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