大斷面隧道圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析與設(shè)計(jì)方法

張 佳

（山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 晉中 030619）

0 引言

某高速公路工程全線長度為19.27km，汽車荷載等級(jí)為公路-I級(jí)，地質(zhì)條件十分復(fù)雜。此高速公路工程包含了1 座雙向分離式隧道，左線起訖樁號(hào)是ZK35+510～ZK35+930，右線起訖樁號(hào)是YK35+620～YK35+950。該隧道斷面為三心圓曲墻式結(jié)構(gòu)，其中凈空斷面積為166.29m2，采用復(fù)合式襯砌支護(hù)模式。此外，隧道需要穿過強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化的凝灰?guī)r，圍巖級(jí)別主要是IV級(jí)與V級(jí)。根據(jù)國際隧道協(xié)會(huì)（ITA）擬定的隧道斷面數(shù)值劃分標(biāo)準(zhǔn)，該隧道為大斷面隧道。既然是大斷面隧道，為了圓滿完成工程建設(shè)任務(wù)，有必要該隧道實(shí)際情況，綜合分析了大斷面隧道圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力與設(shè)計(jì)方法。

1 大斷面隧道的基本特點(diǎn)

與普通隧道相比，大斷面隧道的結(jié)構(gòu)受力情況更為復(fù)雜，且支護(hù)方式設(shè)計(jì)與施工技術(shù)難度系數(shù)比較大。大斷面隧道的基本特點(diǎn)具體如下：

（1）隧道拱腳應(yīng)力集中問題較為突出，隧道拱腳部位的地基必須具備較強(qiáng)承載力，而且隧道開挖施工之后，拱腰、邊墻應(yīng)力會(huì)隨著開挖寬度的擴(kuò)大而增加；

（2）大斷面隧道拱頂?shù)姆€(wěn)定性相對(duì)較弱，通常設(shè)計(jì)者在隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算階段需要假設(shè)圍巖是一種連續(xù)均勻性的介質(zhì)，這就導(dǎo)致巖體崩塌判斷結(jié)果出現(xiàn)偏差[1]，事實(shí)上，大斷面隧道的結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)主要參考普氏理論與塊體平衡理論；

（3）大斷面隧道的跨度與高度均比較大，由此就需要提高承載拱的埋深，特別是隧道淺埋地段，圍巖無法形成良好的承載拱，從而造成隧道結(jié)構(gòu)需要承受相對(duì)偏大的圍巖松動(dòng)壓力。

2 大斷面隧道結(jié)構(gòu)受力分析

該工程隧道相關(guān)技術(shù)指標(biāo)情況如表1所示。

表1 某高速公路隧道技術(shù)指標(biāo)

針對(duì)大斷面隧道結(jié)構(gòu)受力計(jì)算而言，主要采用荷載-結(jié)構(gòu)法、地層-結(jié)構(gòu)法以及有限元分析法等。本文選擇有限元軟件MADIS/GTS建立大斷面隧道二維平面模型，并分析初期支護(hù)與二次襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

2.1 MADIS/GTS有限元軟件概述

MADIS/GTS有限元軟件由邁達(dá)斯公司研發(fā)，其可以實(shí)現(xiàn)土體、巖石等相關(guān)材料受力變形特點(diǎn)的精準(zhǔn)模擬[2]，通過多面體單元與不同本構(gòu)關(guān)系實(shí)現(xiàn)巖土體塑性流動(dòng)的有效模擬，具備較強(qiáng)的處理能力，借助其內(nèi)置模塊可完成大斷面隧道初期支護(hù)和二次襯砌單元的模擬，具體求解過程如圖1所示。

圖1 求解流程

2.2 大斷面隧道平面計(jì)算模型

以圣維南原理為基準(zhǔn)，隧道項(xiàng)目可歸為平面應(yīng)變范疇[3]。考慮到大斷面隧道結(jié)構(gòu)受力分析的復(fù)雜性，由此本文選擇二維平面模型實(shí)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)受力分析，且計(jì)算階段忽略時(shí)間效應(yīng)、空間效應(yīng)以及構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，把圍巖、初期支護(hù)以及二次襯砌當(dāng)作均質(zhì)、連續(xù)以及各向同性材料。此外，采用莫爾-庫倫屈服準(zhǔn)則[4]，圍巖為二維平面應(yīng)變單元，初期支護(hù)和二次襯砌為一維梁單元，錨桿為一維桿單元，一共劃分成了2588個(gè)單元與3961個(gè)節(jié)點(diǎn)，地基彈簧視為“僅受壓彈簧”，圍巖、初期支護(hù)以及二次襯砌相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 圍巖、初期支護(hù)以及二次襯砌物理力學(xué)參數(shù)

2.3 受力分析

（1）圍巖應(yīng)力場(chǎng)。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，IV級(jí)圍巖的最大應(yīng)力處于邊墻位置，為0.46MPa，而拱腰與拱頂?shù)膽?yīng)力數(shù)值分別為0.37MPa、0.08MPa。V級(jí)圍巖的最大應(yīng)力處于下臺(tái)階分界拱腰位置，為0.61MPa，而邊墻與拱頂?shù)膽?yīng)力數(shù)值分別是0.54MPa、0.31MPa。由此可得，大斷面隧道工程中拱腰到邊墻區(qū)域的圍巖壓力大于拱頂區(qū)域圍巖壓力。

（2）初期支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)。IV級(jí)圍巖下，初期支護(hù)最大應(yīng)力處于邊墻區(qū)域，為1.73MPa，而上、下臺(tái)階交界位置拉應(yīng)力為0.43MPa，拱頂受力相對(duì)偏小。V級(jí)圍巖下，初期支護(hù)最大應(yīng)力處于拱頂區(qū)域，為4.68MPa，而上、下臺(tái)階交界區(qū)域的拉應(yīng)力為3.7MPa。

（3）二次襯砌應(yīng)力場(chǎng)。此大斷面隧道的二次襯砌應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，其中最大壓應(yīng)力處于拱腰與邊墻區(qū)域，同時(shí)局部位置具有拉應(yīng)力。IV級(jí)圍巖下，二次襯砌最大壓應(yīng)力為0.178MPa；V 級(jí)圍巖下，二次襯砌最大壓應(yīng)力為0.305MPa。與初期支護(hù)對(duì)比，二次襯砌的壓應(yīng)力相對(duì)偏小，由此可知，大斷面隧道中初期支護(hù)承受的荷載比較多。

3 大斷面隧道襯砌設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)錨桿設(shè)計(jì)

通過計(jì)算系統(tǒng)錨桿軸力發(fā)現(xiàn)，大斷面隧道應(yīng)力承受載體是鋼拱架與噴射混凝土，錨桿承受的軸力相對(duì)較小，所以優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載作用微弱。在隧道圍巖發(fā)生塑性破壞之后，錨桿才會(huì)發(fā)揮出約束作用，對(duì)圍巖進(jìn)行加固。由于錨桿注漿容易出現(xiàn)不密實(shí)現(xiàn)象，所以在大斷面隧道系統(tǒng)錨桿設(shè)計(jì)階段，需要強(qiáng)化錨桿注漿體和圍巖之間的黏結(jié)性，結(jié)合工程具體狀況合理增減注漿量。

3.2 襯砌厚度設(shè)計(jì)

通過分析MADIS/GTS計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，IV級(jí)圍巖與V級(jí)圍巖的實(shí)際受力情況基本處于同一水平，支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為保守，可適當(dāng)?shù)販p小初期支護(hù)級(jí)別[5]。上臺(tái)階的壓應(yīng)力大于下臺(tái)階的壓應(yīng)力，此區(qū)域應(yīng)提升混凝土噴射層的厚度。所以大斷面隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)結(jié)合具體受力狀況實(shí)施合理的變截面設(shè)計(jì)，也就是承受壓應(yīng)力較大的區(qū)域應(yīng)提升混凝土噴射層的厚度，而承受壓應(yīng)力較小的區(qū)域則要減小混凝土噴射層的厚度。

針對(duì)大斷面隧道而言，二次襯砌施工必須嚴(yán)格貫徹“新奧法”基本原則，綜合分析圍巖監(jiān)控量數(shù)據(jù)，待到圍巖與初期支護(hù)變形處于穩(wěn)定后，再確定具體的二次襯砌施工時(shí)間。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大斷面隧道內(nèi)輪廓尺寸需綜合考慮隧道工程的界限，通風(fēng)設(shè)計(jì)的合理性以及施工的便捷性等諸多因素。隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，必須充分重視初期支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，防止圍巖應(yīng)力釋放造成隧道變形量過大而導(dǎo)致嚴(yán)重的坍塌事故。根據(jù)新奧法的原理，隧道開挖工作結(jié)束之后，圍巖會(huì)隨著時(shí)間的延長而產(chǎn)生一定的變形，待圍巖和初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定之后，方可施作二次襯砌。在設(shè)計(jì)工作當(dāng)中需要基于不同的圍巖條件預(yù)留不同的變形量，避免因隧道圍巖變形量過大而影響到隧道的界限。

隧道初期支護(hù)采用噴錨支護(hù)工藝，通過高壓噴射水泥混凝土和打入巖層中的金屬錨桿的聯(lián)合作用，可以最大限度提高隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。錨桿部分使用中空注漿錨桿，基于隧道工程所屬區(qū)域的地質(zhì)條件和的環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算和分析。毛洞隧道圍巖的應(yīng)力力狀態(tài)也稱為二次應(yīng)力狀態(tài)，主要受隧道開挖方法、爆破方法等影響，同時(shí)和周圍巖土力學(xué)性能以及初始應(yīng)力場(chǎng)之間也有著直接關(guān)聯(lián)。在隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中需要充分重視圍巖壓力的變化。

4 結(jié)束語

文章結(jié)合某高速公路工程隧道實(shí)際情況，綜合分析了大斷面隧道圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力與設(shè)計(jì)方法。研究得出的主要結(jié)論如下：

（1）大斷面隧道結(jié)構(gòu)受力情況尤為復(fù)雜，基本表現(xiàn)為隧道拱腳的應(yīng)力集中，拱頂?shù)姆€(wěn)定性相對(duì)偏差，無法形成良好的承載拱等；且支護(hù)方式設(shè)計(jì)與施工技術(shù)難度系數(shù)較大。

（2）大斷面隧道拱腰到邊墻區(qū)域的圍巖壓力大于拱頂區(qū)域的圍巖壓力，且大多數(shù)荷載是由初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承受；二次襯砌結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力處于拱腰與邊墻區(qū)域，同時(shí)局部具有拉應(yīng)力。

（3）系統(tǒng)錨桿設(shè)計(jì)過程中，需要強(qiáng)化錨桿注漿體和圍巖之間的黏結(jié)性，然后結(jié)合具體狀況合理增減注漿量；同時(shí)襯砌設(shè)計(jì)必須結(jié)合實(shí)際受力條件合理采用變截面設(shè)計(jì)。