隧道設(shè)計施工理念對襯砌的影響分析

于強，劉玲

（四川省開江縣建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站 四川 開江 636250）

1 引言

隧道工程設(shè)計施工理念是在修建隧道及地下工程的實踐中，逐步建立起來的，并隨著人們對圍巖的認識和施工技術(shù)的發(fā)展而不斷更新。工程界曾先后在不同的時期提出兩大理論體系:松馳荷載理論和巖承理論，并針對該兩種理論分別出現(xiàn)了傳統(tǒng)礦山法和新奧法設(shè)計施工理念。傳統(tǒng)礦山法是以木或鋼構(gòu)件作為臨時支撐，待隧道開挖成型后，逐步將臨時支撐換下來，而代之以整體式厚襯砌作為永久性支護的施工方法。新奧法的目的是在巖石或土層中開挖隧洞時，使圍巖形成一個整體環(huán)狀支承結(jié)構(gòu)，成為支護結(jié)構(gòu)的一部分。該方法的理論基礎(chǔ)為上世紀50年代提出的“巖承理論”，或稱“巖體力學(xué)理論”，其核心內(nèi)容是:圍巖穩(wěn)定是巖體自身有承載自穩(wěn)能力，不穩(wěn)定圍巖喪失穩(wěn)定有一個過程的，如果在這個過程中提供必要的幫助或限制，則圍巖仍然能夠進入穩(wěn)定狀態(tài)。在我國新建隧道中，絕大部分均采用新奧法設(shè)計、施工。比如大渡河瀘定水電站引水隧道[1]、貴陽花溪苗圃二號隧道[2]、陳家?guī)X隧道[3]及引子渡水電站導(dǎo)流洞[4]等工程中，在不良地質(zhì)環(huán)境中隧道[5]和大跨度復(fù)雜隧道[6][7]設(shè)計施工中也有應(yīng)用。

為了研究傳統(tǒng)礦山法與新奧法設(shè)計施工理念對隧道襯砌的力學(xué)行為的影響，本文采用有限元分析軟件ANSYS來模擬不同理念的隧道設(shè)計、施工。

2 工程概況

向陽隧道全長564.75m，凈寬9.0m，凈高6.85m，側(cè)墻高2.0m。襯砌斷面形狀為直墻等截面半圓拱，其拱圈內(nèi)緣半徑為4.50m，矢跨比為0.5。襯砌斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示。向陽隧道洞口段采用明洞開挖，洞身采用傳統(tǒng)礦山法設(shè)計、施工。

八一隧道軸線與向陽隧道軸線基本平行，隧道最小間距大于7m，埋深約1.5～42.5m，隧道全長568.63m，凈寬11.0m，凈高6.85m，側(cè)墻高4.7m。采用直墻變截面拱，其變截面拱圈內(nèi)緣半徑為6.875m，矢跨比約為0.25，洞身局部采用掛網(wǎng)、噴錨支護，襯砌斷面結(jié)構(gòu)如圖2所示。八一隧道洞口段采用管棚法施工，洞身采用傳統(tǒng)礦山法設(shè)計、施工。

圖1 向陽隧道襯砌斷面圖

圖2 八一隧道襯砌斷面圖

3 計算模型及參數(shù)

傳統(tǒng)礦山法襯砌材料參數(shù):根據(jù)設(shè)計資料，八一隧道襯砌主要為C15混凝土，部分為C20混凝土；向陽隧道的襯砌為C15混凝土。

新奧法襯砌材料參數(shù):八一、向陽隧道原有襯砌類型為整體式模筑混凝土，所以在新奧法模擬開挖中，本文重新設(shè)計了初期支護結(jié)構(gòu)—錨噴襯砌結(jié)構(gòu)。初期襯砌結(jié)構(gòu)的技術(shù)參數(shù)的選取參考現(xiàn)行的《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTGD70—2004)，二次襯砌采用原有隧道結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)。計算參數(shù)見表1。

表1 襯砌材料參數(shù)

圍巖力學(xué)參數(shù)的選取主要依據(jù)現(xiàn)場鉆孔取樣試驗結(jié)果和隧道頂部建筑物勘察資料，結(jié)合工程實際情況，按《工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（DBJ 50-043-2005）對巖土體性質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)規(guī)定，對圍巖參數(shù)進行了調(diào)整。圍巖參數(shù)調(diào)整為:當(dāng)前巖石強度參數(shù)（試驗數(shù)據(jù)）換算成當(dāng)前巖體強度參數(shù)時，變形模量的折減系數(shù)為0.6，粘聚力的折減系數(shù)為0.2，內(nèi)摩擦角的折減系數(shù)為0.85；參考時間效應(yīng)時，強度參數(shù)均乘以0.95的系數(shù)。巖石參數(shù)與巖體參數(shù)見表2。

表2 圍巖材料參數(shù)

本文選用自重應(yīng)力場為初始應(yīng)力場，圍巖采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，D-P屈服準(zhǔn)則(Drucke-Prager)。

本文選用的模擬單元類型為:圍巖與模筑襯砌均采用平面4節(jié)點實體線性單元 (plane42)；噴混凝土采用梁單元（Beam3）；錨桿采用2節(jié)點平面等參桿單元(linkl)。

計算模型的范圍:隧道頂部為上覆巖層厚度約31m，深度取隧道底板以下八一隧道寬度的4倍，左右兩側(cè)分別取八一隧道寬度的4倍左右；該模型的尺寸為125m×855m；兩隧道凈距為20m。

計算模型左、右邊界為X方向約束，底部邊界為Y方向約束，頂部邊界為自由邊界。計算模型見圖3。

圖3 隧道有限元計算模型

4 不同理念下隧道施工模擬的步驟

4.1 傳統(tǒng)礦山法施工模擬步驟

（1）向陽隧道上臺階開挖。

（2）向陽隧道下臺階開挖。

（3）向陽隧道襯砌澆筑。

（4）八一隧道上臺階開挖。

（5）八一隧道下臺階開挖。

（6）八一隧道襯砌澆筑。

由于傳統(tǒng)礦山法施工中模筑混凝土的澆筑有一定的滯后性，所以在模筑混凝土的澆筑前圍巖應(yīng)力釋放系數(shù)設(shè)為40%，模筑混凝土澆筑后圍巖的應(yīng)力釋放系數(shù)設(shè)為60%。

4.2 新奧法施工模擬步驟

（1）向陽隧道上臺階開挖。

（2）向陽隧道上臺階錨噴支護。

（3）向陽隧道下臺階開挖。

（4）向陽隧道下臺階錨噴支護。

（5）向陽隧道襯砌澆筑。

（6）八一隧道上臺階開挖。

（7）八一隧道上臺階錨噴支護。

（8）八一隧道下臺階開挖。

（9）八一隧道下臺階錨噴支護。

（10）八一隧道襯砌澆筑。

依據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG D70—2004)及關(guān)于應(yīng)力釋放系數(shù)研究的相關(guān)資料，以上各施工階段的應(yīng)力釋放系數(shù)設(shè)為:圍巖開挖階段應(yīng)力釋放30%，噴射混凝土和打錨桿階段應(yīng)力釋放50%，澆筑二次襯砌階段應(yīng)力釋放20%。

5 不同理念下數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了對采用不同理念設(shè)計、施工的隧道二襯受力狀態(tài)進行研究，本文以八一隧道和向陽隧道為依托，分別采用傳統(tǒng)礦山法和新奧法對它們進行數(shù)值模擬，其結(jié)果如下。

5.1 傳統(tǒng)礦山法數(shù)值模擬結(jié)果分析

傳統(tǒng)礦山法設(shè)計、施工下的二次襯砌計算結(jié)果見圖4～圖9。

圖4 向陽隧道施工完成后向陽襯砌S1圖

圖5 向陽隧道施工完成后向陽襯砌S3圖

圖6 八一隧道施工完成后向陽襯砌S1圖

圖7 八一隧道施工完成后向陽襯砌S3圖

圖8 八一隧道施工完成后八一襯砌S1圖

圖9 八一隧道施工完成后八一襯砌S3圖

從圖4～圖9可以看出，隧道施工完成后兩隧道二次襯砌應(yīng)力均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，向陽隧道施工完成后，向陽隧道二次襯砌的第一主應(yīng)力的最大值與最小值分別出現(xiàn)在基礎(chǔ)底部和邊墻墻腳內(nèi)側(cè)，量值分別為0.73MPa和-0.75MPa，第三主應(yīng)力的最大值與最小值分別出現(xiàn)在邊墻底部內(nèi)側(cè)和邊墻基礎(chǔ)的右上部，量值分別為-3.83MPa和-0.15MPa，向陽隧道襯砌拱部受力較均勻；八一隧道施工完成后，向陽隧道襯砌應(yīng)力有所增加，均增加了5%左右，應(yīng)力分布規(guī)律基本沒有改變。八一隧道襯砌的第一主應(yīng)力最大值與最小值分別出現(xiàn)在拱腳及邊墻頂部的外側(cè)和內(nèi)側(cè)，量值分別為1.70MPa和-1.70MPa，第三主應(yīng)力的最大值與最小值也分別出現(xiàn)在拱腳及邊墻頂部的外側(cè)和內(nèi)側(cè)，量值分別為-7.56MPa和-0.34MPa，因此八一隧道拱腳及邊墻頂部是整個襯砌的薄弱部位，也是最容易拉裂和壓潰的部位，在運營期間的病害調(diào)查中，八一隧道拱腳及邊墻頂部出現(xiàn)了大量的縱向和斜向裂縫，進一步驗證了傳統(tǒng)礦山法理念的不合理性。

5.2 新奧法數(shù)值模擬結(jié)果分析

新奧法設(shè)計、施工下的二次襯砌計算結(jié)果見圖10～圖15。

圖10 向陽隧道施工完成后向陽襯砌S1圖

圖11 向陽隧道施工完成后向陽襯砌S3圖

圖12 八一隧道施工完成后向陽襯砌S1圖

圖13 八一隧道施工完成后向陽襯砌S3圖

圖14 八一隧道施工完成后八一襯砌S1圖

圖15 八一隧道施工完成后八一襯砌S3圖

從圖10～圖15可以看出，兩隧道施工完成后二次襯砌應(yīng)力均出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，與傳統(tǒng)礦山法施工的應(yīng)力分布規(guī)律相同，但最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力比后者小60%～80%。計算結(jié)果比較見表3。

表3 兩種施工方法的結(jié)果比較表

由表3及以上比較分析得出:由于傳統(tǒng)礦山法與新奧法設(shè)計施工理念有著本質(zhì)的區(qū)別，隧道二襯在不同設(shè)計施工理念下的力學(xué)狀態(tài)也有很大的不同。新奧法設(shè)計施工理念認識到圍巖是隧道結(jié)構(gòu)的主要承載部分，充分發(fā)揮了圍巖的自承能力，并與噴錨支護共同形成承載環(huán)，承擔(dān)了因卸載而形成的圍巖變形壓力，二次襯砌作為后期的安全儲備。而傳統(tǒng)礦山法認為隧道模筑混凝土是作為主要的受力結(jié)構(gòu)來抵抗圍巖的變形壓力，二者在理念上有很大的差異。因此兩種施工方法下的二次襯砌受力狀況有很大不同，新奧法施工下的二次襯砌受力較傳統(tǒng)礦山法小得多，充分發(fā)揮了圍巖、初期支護的承載作用。

6 結(jié)論

本文通過對八一隧道、向陽隧道兩隧道采用傳統(tǒng)礦山法及新奧法理念分別進行施工模擬分析，得到以下結(jié)論:

八一隧道、向陽隧道兩座隧道均采用傳統(tǒng)礦山法設(shè)計、施工，造成二次襯砌局部應(yīng)力集中，特別是八一隧道拱腳截面突變處應(yīng)力集中尤其明顯，這也是運營期間八一隧道二次襯砌出現(xiàn)開裂的重要原因；

新奧法設(shè)計、施工下的二次襯砌應(yīng)力較傳統(tǒng)礦山法小得多，主要是由于新奧法充分發(fā)揮了圍巖初次支護的共同承載作用；

新奧法是目前較合理的隧道工程設(shè)計、施工理念，按新奧法理念進行的設(shè)計和施工更符合隧道工程的特點。

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