水下隧道二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)及力學(xué)效應(yīng)研究

周小杰，張志強(qiáng)

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

近年來(lái)，隨著公路交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，我國(guó)對(duì)交通隧道的建設(shè)需求越來(lái)越迫切，各種水下隧道也在不斷涌現(xiàn)。作為公路隧道的重要組成部分，相較一般地面隧道，水下隧道具有保護(hù)環(huán)境與水質(zhì)、綜合造價(jià)較低、對(duì)周?chē)h(huán)境影響較小的特點(diǎn)，并能較好地抵抗自然災(zāi)害的影響。

隧道在施工和運(yùn)營(yíng)期間承受著極大的圍巖壓力，需要施作支護(hù)來(lái)確保隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全。其中，二次襯砌施作時(shí)機(jī)的過(guò)早和過(guò)晚都會(huì)對(duì)隧道產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為此，學(xué)者針對(duì)二次襯砌的施作時(shí)機(jī)進(jìn)行了相關(guān)研究，如Wang[1]等人以Shiziyang隧道為背景，采用相似模型試驗(yàn)，對(duì)二次襯砌在不同施工時(shí)間的荷載變化特征進(jìn)行分析；劉維寧[2]等人將地鐵車(chē)站二次襯砌施作時(shí)機(jī)分為橫通道開(kāi)挖前后兩種方案，采用FLAC 3D有限差分軟件對(duì)兩種方案進(jìn)行比對(duì)分析；李克偉[3]針對(duì)高速公路中新奧法施工的隧道，監(jiān)測(cè)施工期圍巖變形，給出在不同級(jí)別下合適的二次襯砌施作時(shí)間；馬明[4]等人針對(duì)高速公路軟弱變質(zhì)片巖隧道，采用改進(jìn)的Burgers粘彈塑性蠕變模型對(duì)隧道襯砌受力進(jìn)行分析，確定隧道二次襯砌合理的施作時(shí)機(jī)；劉志春[5]等人以具有軟巖大變形特點(diǎn)的烏鞘嶺隧道工程為例，根據(jù)計(jì)算所得的極限位移、彈性位移和實(shí)測(cè)變形值，提出在不同大變形級(jí)別下的二次襯砌施作時(shí)機(jī)的兩個(gè)判別指標(biāo)；陳軍[6]等人對(duì)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了二次襯砌與掌子面距離對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響。

水下隧道由于其特殊性，對(duì)其支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作時(shí)機(jī)相較一般隧道要求更高，目前就水下隧道施工二次襯砌施作時(shí)機(jī)的研究較少?；诖?，本文以某水下公路隧道山嶺段為依托工程，采用大型通用有限元分析軟件ANSYS對(duì)水下隧道二次襯砌施做的時(shí)機(jī)進(jìn)行研究，以期為類(lèi)似水下隧道的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 數(shù)值模擬及參數(shù)選取

本文根據(jù)依托某水下公路隧道山嶺段工程的實(shí)際情況，采用有限元分析軟件ANSYS來(lái)進(jìn)行工程數(shù)值模擬。模型采用荷載—結(jié)構(gòu)法，隧道洞徑為11.6 m，洞高為9.42 m，初期支護(hù)和二次襯砌分別采用C25和C45混凝土，具體物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

隧道所處地層為軟弱圍巖，圍巖級(jí)別為V級(jí)，且存在構(gòu)造破碎帶。本工程的水下隧道采用臺(tái)階開(kāi)挖留核心土法施工，開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺為2 m。某水下公路隧道山嶺段的具體施工順序如圖1所示。

圖1 隧道施工順序

2 圍巖形變壓力計(jì)算

隧道開(kāi)挖引起的圍巖變形在支護(hù)結(jié)構(gòu)的限制作用下會(huì)產(chǎn)生形變壓力，形變壓力引起變形具有變形速度慢且持久的特點(diǎn)，使其與二次襯砌施作時(shí)機(jī)緊密相關(guān)。采用卡斯特納公式計(jì)算其中的形變壓力。在圓形斷面下卡斯特納公式如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：R為塑性區(qū)半徑；a為隧道開(kāi)挖尺寸；ξ為塑性系數(shù)；p0為初始地應(yīng)力;φ為圍巖內(nèi)摩擦角；c為圍巖粘聚力；pi為圍巖塑性形變壓力。

由于本工程水下隧道截面為馬蹄形，為計(jì)算馬蹄形斷面的圍巖形變壓力，故采用如式(4)所示的斷面形式轉(zhuǎn)換公式：

(4)

式中：B為斷面跨度；F為洞身高度。

根據(jù)式(1)～式(4)，聯(lián)立計(jì)算可得圍巖在水下隧道施工中的形變壓力大小為164.779 kPa。

3 不同支護(hù)工況設(shè)置

為計(jì)算作用在二次襯砌上的圍巖壓力，將地層—結(jié)構(gòu)法計(jì)算得到的作用在初支上的松散壓力，與卡斯特納公式計(jì)算所得的圍巖塑性形變壓力一起施加到隧道初支和二次襯砌的荷載結(jié)構(gòu)模型上，進(jìn)行計(jì)算。其中荷載結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

為研究隧道結(jié)構(gòu)在不同二次襯砌施作時(shí)機(jī)下的圍巖壓力的影響，根據(jù)不同時(shí)機(jī)下荷載的釋放程度，選取三個(gè)典型的支護(hù)時(shí)機(jī)：荷載無(wú)釋放、荷載釋放60 %及荷載釋放80 %，分成三組工況。三組荷載釋放率所對(duì)應(yīng)的工況如表2所示。

表2 不同支護(hù)時(shí)機(jī)對(duì)應(yīng)工況

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 二次襯砌結(jié)構(gòu)軸力

不同施作時(shí)機(jī)下二次襯砌軸力，如圖3所示。

(a)工況一

由圖3可以看出，當(dāng)荷載釋放率為80 %(工況三)時(shí)，此時(shí)二次襯砌只承擔(dān)20 %的圍巖壓力，隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)截面內(nèi)部的軸力最小，軸力的變化范圍為205.93～305.47 kN，最小值出現(xiàn)在拱頂處。隨著荷載釋放率的減小，二次襯砌承受的圍巖壓力逐漸增大，二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部的軸力也在不斷增大，當(dāng)荷載不釋放(工況一)時(shí)，在隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)截面內(nèi)部的軸力達(dá)到最大，其軸力的變化范圍為967.69～1 320.42 kN，在墻腳處出現(xiàn)最大值。

4.2 二次襯砌結(jié)構(gòu)彎矩

不同施作時(shí)機(jī)下二次襯砌彎矩，如圖4所示。

由圖4可以看出，當(dāng)荷載釋放率為80 %(工況三)時(shí)，隧道二次襯砌截面內(nèi)部的彎矩最小，其變化范圍為-42.29～85.11 kN·m，最小值出現(xiàn)在拱肩處。隨著荷載釋放率的減小，二次襯砌承受的圍巖壓力逐漸增大，二次襯砌彎矩逐漸增大，當(dāng)荷載不釋放(工況一)時(shí)，在隧道二次襯砌截面內(nèi)部的彎矩也達(dá)到最大，其彎矩的變化范圍為-189.57～274.33 kN·m，在墻腳處出現(xiàn)最大值。

4.3 二次襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

根據(jù)圖3和圖4所示的數(shù)據(jù)，依據(jù)JTGD 70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算在不同施做時(shí)機(jī)下二次襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)如圖5所示。

計(jì)算得到隧道二次襯砌各關(guān)鍵部位安全系數(shù)，如圖5所示，從中可看出，在不同工況下安全系數(shù)最小值均出現(xiàn)在墻腳附近。荷載釋放率為80 %時(shí)，隧道二次襯砌各部位安全系數(shù)最大，其中最小安全系數(shù)為7.02，遠(yuǎn)高于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)臨界值，因此此時(shí)隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)安全。隨荷載釋放率逐漸減小，可以看到二次襯砌各部位安全系數(shù)隨之變小，在荷載不釋放(工況一)時(shí)，可以看到此時(shí)二次襯砌結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)2.59已臨近規(guī)范給定的安全系數(shù)臨界值2.4，可以推斷在荷載不釋放情況下隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)極有可能發(fā)生破壞，需在墻腳等關(guān)鍵部位附近采用額外的加固措施。

(a)工況一

(a)工況一

5 結(jié)論

本文計(jì)算了作用在隧道截面的形變壓力，并采用數(shù)值模擬，對(duì)水下隧道在不同二次襯砌施作時(shí)間下的二次襯砌結(jié)構(gòu)的軸力、彎矩和安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析，得到了以下結(jié)論：

(1)水下隧道的二次襯砌結(jié)構(gòu)受力計(jì)算應(yīng)綜合考慮圍巖的松散壓力和形變壓力。

(2)在不同的二次襯砌施作時(shí)機(jī)下，當(dāng)隧道開(kāi)挖后直接施作支護(hù)時(shí)，二次襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力最大。隨著圍巖荷載釋放率的增大，二次襯砌結(jié)構(gòu)的軸力和彎矩隨之逐漸減小。

(3)在荷載不釋放的情況下快速施作二次襯砌支護(hù)，將會(huì)使二次襯砌存在結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)；過(guò)分釋放圍巖荷載又必然存在隧道結(jié)構(gòu)變形過(guò)大的隱患。因此在水下隧道施工過(guò)程中，應(yīng)在釋放一定的圍巖荷載后再施作二次襯砌，以保持適當(dāng)荷載釋放率，有效提高二次襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，確保水下隧道的穩(wěn)定與安全。