通透肋式連拱隧道結(jié)構(gòu)分析與工程應(yīng)用

尤 吉，余 飛

(1. 安徽交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088； 2. 中國(guó)科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所，湖北 武漢 430071)

0 引 言

在當(dāng)前高速公路生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)中，對(duì)生態(tài)保護(hù)的要求日趨嚴(yán)格。因此，山區(qū)高速公路設(shè)計(jì)方案的考慮除需綜合比較分析地形、地質(zhì)、造價(jià)等多種因素外，生態(tài)設(shè)計(jì)顯得尤為重要[1]。對(duì)于傍山線路設(shè)計(jì)方案的選擇，淺埋傍山隧道方案與深挖路塹方案相比，因其較低的高切坡施工風(fēng)險(xiǎn)及較小的植被破壞性，在設(shè)計(jì)中被廣泛采用。然而，淺埋傍山隧道因其洞頂覆蓋層薄、洞身承受顯著偏壓荷載，洞室開(kāi)挖影響范圍波及到地表，很容易造成隧道塌方或大面積植被破壞[2-6]。肋式拱梁隧道由拱頂山坡橫向管棚支護(hù)體系和肋式拱梁結(jié)構(gòu)有機(jī)組成，最大程度地避免了山體的切削和植被破壞，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔美觀，節(jié)能環(huán)保，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值[7]。筆者以南山隧道為工程背景，在肋式拱梁隧道的基礎(chǔ)上提出了一種通透肋式連拱新式環(huán)保型傍山隧道結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)與肋式拱梁隧道結(jié)構(gòu)相比，適應(yīng)了大跨度及雙線通行隧道需求[8]，在對(duì)洞頂山坡變形進(jìn)行主動(dòng)控制的條件下，采用連拱肋式襯砌形成封閉的承載圈，保證了隧道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，最大程度地避免了山坡開(kāi)挖，可實(shí)現(xiàn)工程安全建設(shè)以及與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)。

1 南山通透肋式連拱隧道建設(shè)方案

1.1 工程背景

南山隧道位于國(guó)家高速公路網(wǎng)中G35(濟(jì)廣高速)上池州市東至縣南山林場(chǎng)，東至縣為國(guó)際旅游文化示范區(qū)，素有“堯舜之鄉(xiāng)”的美譽(yù)。全縣生態(tài)環(huán)境優(yōu)良，濕地面積為2.24萬(wàn)公頃，占縣域面積的41.54%，享有“濕地之城”的美譽(yù)。南山崇山峻嶺，小丘綿延，金屬礦產(chǎn)地主要有花山銻金礦、黃柏金礦、花山鐵礦等，其冶金白云巖、建筑石料用白云巖資源儲(chǔ)量較大[9]。當(dāng)?shù)貧夂驅(qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候，具有雨熱同期、雨量充沛、氣候溫和濕潤(rùn)、春秋較短、冬夏較長(zhǎng)的特征。南山植被茂密，野生動(dòng)物資源豐富，有扇尾沙雛、金翅鶴等珍稀鳥(niǎo)類達(dá)二十多種。當(dāng)?shù)刂膊铓v史悠久，茶文化豐富多彩，是安徽皖南的主要茶區(qū)，其中“千兩朱蘭茶”和“祁門(mén)紅茶”遠(yuǎn)銷(xiāo)國(guó)外，植茶經(jīng)濟(jì)是當(dāng)?shù)鼐用裰饕?jīng)濟(jì)來(lái)源。

南山隧道穿越的山體地形陡峭，植被茂密，路線傍山而行。如采用傳統(tǒng)的路塹或棚洞方案，將不可避免地大規(guī)模破壞山體，給當(dāng)?shù)夭柚步?jīng)濟(jì)帶來(lái)較大損失。如采用普通隧道方案，由于洞頂覆蓋層薄、圍巖類別低，洞身承受顯著偏壓荷載，洞室開(kāi)挖容易發(fā)生塌頂露空，且支護(hù)和后期維護(hù)費(fèi)用較高[10]。為滿足當(dāng)?shù)卣白畲蟪潭缺Ｗo(hù)環(huán)境，最小程度破壞山體”的建設(shè)要求，提出了通透肋式連拱隧道設(shè)計(jì)方案，如圖1。

圖1 南山隧道設(shè)計(jì)方案Fig. 1 Design scheme of Nanshan Tunnel

1.2 通透肋式連拱隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通透肋式連拱隧道是根據(jù)淺埋偏壓隧道的受力特點(diǎn)提出的一種新型嵌入式洞室結(jié)構(gòu)[11-13]，其主要結(jié)構(gòu)部件包括：①拱頂?shù)亓?；②肋式拱梁；③拱腳基礎(chǔ)；④內(nèi)外側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)；⑤仰拱；⑥拱頂和拱腳錨固系統(tǒng)；⑦中導(dǎo)洞；⑧中隔墻及其襯砌；⑨防落石擋塊。結(jié)構(gòu)組成如圖2。

南山隧道按雙向四車(chē)道高速公路設(shè)計(jì)，凈寬10.75 m，凈高5.0 m，全長(zhǎng)164 m。隧道圍巖級(jí)別為V級(jí)，主要為強(qiáng)風(fēng)化及少量中風(fēng)化變質(zhì)砂巖。K27+472～538段山體橫坡坡率約1：1.25，隧道采用通透肋式聯(lián)拱隧道結(jié)構(gòu)；K27+538～636段采用普通連拱隧道結(jié)構(gòu)。隧道中隔墻中心線處最大埋深約40 m，位于K27+590處。

圖2 通透肋式連拱隧道結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of permeable ribbed multi-arch tunnel

隧道右洞采用傳統(tǒng)的整體暗埋封閉結(jié)構(gòu)，左洞臨谷一側(cè)采用開(kāi)窗肋梁結(jié)構(gòu)。肋梁起訖兩端采用160 cm(縱向)×105 cm(橫向)尺寸，其余均采用120 cm(縱向)×105 cm(橫向)尺寸，肋梁布置間距為6 m。肋梁頂端設(shè)置縱向暗梁作為結(jié)構(gòu)傳力系統(tǒng)，肋梁底設(shè)置鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)。中隔墻結(jié)構(gòu)最薄處厚度為2.3 m，中隔墻采用3層施工以利于防排水。隧道襯砌采用柔性支護(hù)體系的復(fù)合式襯砌，肋式襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 肋式襯砌支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of ribbed lining support

2 通透肋式連拱隧道受力特征與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

為驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案的可行性，在南山隧道隧址區(qū)地形地質(zhì)條件下，對(duì)通透肋式連供隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，計(jì)算總結(jié)了隧道圍巖、結(jié)構(gòu)物受力變形特征及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度穩(wěn)定性，為該型隧道的施工提供參考。

2.1 計(jì)算模型

由于巖體參數(shù)的不確定性和工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，為確保工程的安全，圍巖的計(jì)算參數(shù)取值較為保守，圍巖及結(jié)構(gòu)物力學(xué)參數(shù)如表2。

表2 圍巖與結(jié)構(gòu)物力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of tunnel structure and surrounding rock

選取開(kāi)挖面積較大的DK27+540作為計(jì)算剖面，有限元分析網(wǎng)格如圖3，計(jì)算范圍取為：左邊界離隧道距離為連拱隧道跨度的3～4倍以上，右邊界取至坡腳溝谷內(nèi)。左右邊界均采用X方向位移約束，底部邊界采用Y方向位移約束，其余各邊為自由邊界，無(wú)約束。有限元模型共劃分為3 651個(gè)單元，3 531個(gè)節(jié)點(diǎn)。分析中，對(duì)肋式拱梁的剛度按結(jié)構(gòu)尺寸的比例進(jìn)行等效，即按肋式拱梁的縱向?qū)挾?1.2 m)與間距(6 m)的比例關(guān)系進(jìn)行等效。

圖3 選取斷面有限元網(wǎng)格Fig. 3 Finite element mesh of the selected section

考慮兩種開(kāi)挖方案進(jìn)行計(jì)算分析，可知：①先暗后明方案：開(kāi)挖內(nèi)側(cè)洞室后進(jìn)行肋式拱梁施做；②先明后暗方案：肋式拱梁施做完成后開(kāi)挖內(nèi)側(cè)洞室。

2.2 受力與變形對(duì)比分析

對(duì)于兩種開(kāi)挖方案，圍巖拉壓應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在左右洞室開(kāi)挖完成、后開(kāi)挖洞室尚未施做襯砌層的工況下。先暗后明開(kāi)挖方案圍巖最大拉壓應(yīng)力均大于先明后暗開(kāi)挖方案，但兩者差異較小，不同開(kāi)挖順序?qū)鷰r的受力變形影響不大。內(nèi)側(cè)洞室拱頂圍巖處拉應(yīng)力較大，為0.17～0.43 MPa；內(nèi)側(cè)洞室與中導(dǎo)洞交接處圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中，壓應(yīng)力較大，為1.11～3.65 MPa，如圖4、圖5。分析得知，隧道的開(kāi)挖可能會(huì)導(dǎo)致拱頂山坡出現(xiàn)貫通至地表的楔體滑移。因此，在開(kāi)挖前，對(duì)山坡巖體進(jìn)行主動(dòng)變形控制是必須的。

圖4 圍巖主拉應(yīng)力分布Fig. 4 Principal tensile stress distribution of surrounding rock

圖5 圍巖主壓應(yīng)力分布Fig. 5 Principal compressive stress distribution of surrounding rock

對(duì)兩種開(kāi)挖方案下隧道中隔墻受力變形進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 圍巖與結(jié)構(gòu)物力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of tunnel structure and surrounding rock

在先暗后明開(kāi)挖方案中，內(nèi)外側(cè)洞室開(kāi)挖完成且未施做外洞襯砌層及肋梁時(shí)，中隔墻拉應(yīng)力區(qū)主要出現(xiàn)在中隔墻底板，如圖6，整個(gè)墻身均受壓，最大壓應(yīng)力位于墻身外側(cè)弧線段；先明后暗開(kāi)挖方案中，中隔墻拉頂板及內(nèi)側(cè)弧線段均出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力位于中隔墻拱頂內(nèi)側(cè)，但此應(yīng)力集中區(qū)域較小，幾乎集中于弧線段拐點(diǎn)處。

圖6 中隔墻主拉應(yīng)力分布(先暗后明方案)Fig. 6 Principal tensile stress distribution of mid-partition wall (“first dark then bright” scheme)

兩種方案中隔墻頂段及墻身以水平位移為主，向山坡外側(cè)變形，而中隔墻底端向山坡內(nèi)側(cè)洞室變形，整體變形并不協(xié)調(diào)，墻身承受較大的彎矩，中隔墻應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度穩(wěn)定性驗(yàn)算。

對(duì)兩種開(kāi)挖方案下隧道肋梁受力變形進(jìn)行計(jì)算分析，肋梁弧線段外側(cè)主要受拉，弧線段內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力較大，出現(xiàn)應(yīng)力集中。方案1中拉應(yīng)力最大值為0.572 MPa，壓應(yīng)力最大值為1.09 MPa。方案2中拉應(yīng)力最大值為0.94 MPa，壓應(yīng)力最大值為1.64 MPa。兩種方案下，肋梁整體向山坡外變形，以水平位移為主，變形趨勢(shì)基本協(xié)調(diào)，見(jiàn)圖7。對(duì)比兩種開(kāi)挖順序完工后肋梁的受力變形情況可知，先暗后明開(kāi)挖順序下肋梁的拉壓應(yīng)力水平明顯較小，考慮肋梁結(jié)構(gòu)的安全性，先暗后明方案優(yōu)于先明后暗方案。

圖7 肋梁位移矢量 Fig. 7 Displacement vector diagrams of ribbed beam

2.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度穩(wěn)定性分析

為確保該型隧道施工過(guò)程中的安全穩(wěn)定，筆者對(duì)兩種不同開(kāi)挖方案下的隧道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析。

計(jì)算了導(dǎo)洞初期襯砌層結(jié)構(gòu)的軸力、剪力、彎矩，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 中導(dǎo)洞分析斷面結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算值Table 4 Internal force calculated values of middle pilot analysis section structure

結(jié)果表明，中導(dǎo)洞初期襯砌層上剪力和彎矩值均較小，雖然軸力稍大，但小于混凝土抗拉壓強(qiáng)度值，采用20 cm厚的初期襯砌層，截面強(qiáng)度穩(wěn)定性滿足要求。

對(duì)兩種不同開(kāi)挖方案下內(nèi)側(cè)洞室襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

由表4、表5可知，右洞開(kāi)挖后，襯砌層與中隔墻連接段的拱腰位置軸力和彎矩均較大，這與應(yīng)力分析結(jié)果吻合，見(jiàn)圖8、圖9。對(duì)比兩種方案，先暗后明方案下，右洞斷面結(jié)構(gòu)內(nèi)力均小于先明后暗方案。

圖8 右洞分析斷面彎矩分布Fig. 8 Bending moment distribution of right hole analysis section

圖9 右洞分析斷面軸力分布Fig. 9 Axial force distribution of right hole analysis section

對(duì)兩種不同開(kāi)挖方案肋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。對(duì)比兩種方案，先暗后明方案下肋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力較小，這主要是因?yàn)樵摦愋瓦B拱隧道處于偏壓地段，先期開(kāi)挖內(nèi)側(cè)洞室，釋放部分圍巖松弛壓力，再開(kāi)挖外側(cè)洞室施做肋式拱梁，可降低該關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的應(yīng)力水平，有利于整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

表6 肋梁分析斷面結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大值計(jì)算Table 6 Section internal force of the right tunnel

3 結(jié) 語(yǔ)

南山地質(zhì)條件復(fù)雜，通透肋式連供隧道邊界效應(yīng)顯著，其結(jié)構(gòu)型式和承載模式與傳統(tǒng)傍山隧道存在差異。利用有限元計(jì)算模擬隧道開(kāi)挖過(guò)程，與建立結(jié)構(gòu)荷載模型計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力相比較，施加在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上的節(jié)點(diǎn)力分步施加在結(jié)構(gòu)物上，較好地模擬了開(kāi)挖過(guò)程中洞室圍巖自重應(yīng)力釋放過(guò)程。有限元數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果反應(yīng)了隧道開(kāi)挖過(guò)程中的真實(shí)受力情況，可為該種隧道結(jié)構(gòu)分析提供一定參考。

分析可知，通透肋式連拱傍山隧道的施工，推薦采用先暗后明方案，因先期開(kāi)挖內(nèi)側(cè)洞室，可釋放部分圍巖松弛壓力，結(jié)構(gòu)物應(yīng)力水平較低。

1)由于中隔墻頂板圍巖及內(nèi)側(cè)洞室拱頂圍巖塑性區(qū)有向坡面延伸的趨勢(shì)，在地質(zhì)條件變化路段或存在不利的巖體節(jié)理面時(shí)，在洞室開(kāi)挖施工前，對(duì)山坡巖體進(jìn)行加固是必須的，建議加固深度和范圍與內(nèi)側(cè)洞室錨固區(qū)有效銜接。

2)內(nèi)側(cè)洞室開(kāi)挖后，中隔墻底板會(huì)出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力區(qū)，建議在中隔墻底板上布置鎖腳錨桿。

3)外側(cè)洞室開(kāi)挖后，中隔墻頂板圍巖出現(xiàn)塑性破壞區(qū)，建議對(duì)中隔墻頂板圍巖進(jìn)行局部加固。

4)考慮到肋梁與邊墻、圍巖搭接部位的剪應(yīng)力較大，建議邊墻頂端預(yù)埋錨固鋼筋，在肋梁頂端與圍巖搭接部位，增設(shè)放射狀鎖腳錨桿，保證搭接部位抗剪強(qiáng)度穩(wěn)定性要求。

相較于單洞隧道而言，由于剛度較大的中隔墻分擔(dān)了主要的松弛壓力，肋式拱梁的應(yīng)力水平有調(diào)節(jié)作用。進(jìn)行局部加強(qiáng)支護(hù)后，隧道圍巖及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能夠得到充分保證。工程實(shí)施中，需進(jìn)行拱頂山坡強(qiáng)支護(hù)后，再進(jìn)行洞室圍巖的開(kāi)挖和結(jié)構(gòu)物施作：沿線路走向的拱頂山坡面上布置5～6排注漿鋼管及5～10排注漿小導(dǎo)管，注漿管以水平向下傾斜25°的角度鉆入，鉆孔軸線與線路走向正交，水泥砂漿通過(guò)注漿孔充填注漿管與巖層之間的縫隙及圍巖內(nèi)部裂隙，共同起到加固拱頂邊坡巖層的作用。為減少下部基礎(chǔ)不均勻沉降、控制山體變形，肋梁底部設(shè)置鋼筋混凝土條形擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)寬3.0 m、高2.5 m，為臺(tái)階形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，沿線路縱向通長(zhǎng)布置，其底部設(shè)有長(zhǎng)5 m、Φ50 mm×5 mm的注漿小導(dǎo)管，采用梅花形布置，管心間距1 m。

該型隧道結(jié)構(gòu)研究的依托工程南山隧道的順利建成(圖8)，驗(yàn)證了筆者設(shè)計(jì)方案和計(jì)算分析的可行性及正確性。通透肋式連拱隧道的設(shè)計(jì)修建，在最大程度上保證了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)原樣性，為我國(guó)傍山隧道結(jié)構(gòu)選型提供新的思路的同時(shí)，顯著降低了傍山道路設(shè)計(jì)選線的難度。

圖10 南山隧道Fig. 10 Nanshan Tunnel