大斷面隧道仰拱底鼓破壞模式探析

許陽(yáng)

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100010）

1 引言

隨著交通網(wǎng)絡(luò)的逐漸完善，隧道工程的建設(shè)也向復(fù)雜化、集成化的方向發(fā)展，出現(xiàn)了大量的大斷面隧道。 相對(duì)于普通隧道而言，大斷面隧道受力機(jī)理復(fù)雜，在圍巖壓力作用下，隧道仰拱容易出現(xiàn)底鼓破壞，影響行車(chē)安全性和舒適度。 目前，設(shè)計(jì)人員在處理大斷面隧道底鼓問(wèn)題時(shí)， 主要是參考其他項(xiàng)目的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)隧道仰拱受力機(jī)理和破壞模式理解不夠深入，導(dǎo)致仰拱底鼓處治方案不當(dāng)或偏于保守。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者也通過(guò)模型試驗(yàn)、 數(shù)值模擬等方法研究了大斷面隧道仰拱底鼓的破壞機(jī)理， 但是并沒(méi)有形成統(tǒng)一的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)來(lái)指導(dǎo)隧道仰拱設(shè)計(jì)[1]。 因此，進(jìn)一步研究大斷面隧道仰拱底鼓破壞具有十分重要的工程價(jià)值。

2 大斷面隧道仰拱底鼓力學(xué)機(jī)理

2.1 隧道底鼓影響因素

大斷面隧道仰拱底鼓機(jī)理復(fù)雜，主要受自然環(huán)境、人為因素及各種隧道災(zāi)害的影響。

2.1.1 自然環(huán)境

自然環(huán)境對(duì)隧道仰拱底鼓的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面[2]：一方面，隧道施工開(kāi)挖導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布。 在應(yīng)力重分布過(guò)程中，靠近隧道結(jié)構(gòu)的圍巖切向應(yīng)力增加，塑性圈半徑也不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致地形地貌變化而引起隧道仰拱底鼓；另一方面，地下水在仰拱及其下部巖土層中流動(dòng)， 水流的滲透作用會(huì)使仰拱下部巖石出現(xiàn)崩解、膨脹等病害。 如不及時(shí)處理，破壞范圍還會(huì)不斷擴(kuò)大。

2.1.2 人為因素

如果隧道仰拱設(shè)計(jì)或施工方案不合理， 如仰拱支護(hù)結(jié)構(gòu)體系偏弱、仰拱厚度不足、仰拱混凝土振搗不密，會(huì)使仰拱支護(hù)能力不足。 在圍巖壓力作用下，推動(dòng)仰拱及其下部淺層圍巖向隧道空間內(nèi)移動(dòng)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)淺層圍巖會(huì)產(chǎn)生滑移、錯(cuò)動(dòng)等，直至破壞。 淺層圍巖破壞后，圍巖壓力繼續(xù)向深部圍巖傳遞，最終導(dǎo)致隧道仰拱壓曲失穩(wěn)，即仰拱底鼓破壞。

2.1.3 隧道災(zāi)害

對(duì)隧道仰拱底鼓影響最大的災(zāi)害形式是地震。 在地震災(zāi)害中，如果地震波方向和隧道軸向一致，仰拱拉壓力較大，易出現(xiàn)斷層或塌陷等； 如果地震波方向和隧道軸向以某一角度相交，仰拱會(huì)受到擠壓剪切作用。 當(dāng)擠壓剪切力＞仰拱橫向支撐力，仰拱會(huì)失穩(wěn)形成底鼓。

2.2 隧道底鼓力學(xué)機(jī)理分析

為了深入探究大斷面隧道仰拱底鼓破壞機(jī)理， 本文基于“薄板壓曲微分方程”對(duì)隧道仰拱做出了以下假設(shè)：（1）假設(shè)仰拱與邊墻的連接方式為固結(jié)， 兩端破壞后仰拱喪失豎向承載能力；（2）假設(shè)仰拱是一個(gè)厚度均勻簡(jiǎn)支矩形板；（3）仰拱底鼓是由仰拱所受的垂直力及兩端所受擠壓力共同決定的。

根據(jù)圖1 所示的隧道仰拱模型， 推導(dǎo)出了仰拱的臨界平衡公式，見(jiàn)式（1）[3]：

圖1 隧道仰拱受力模型

式中，D為隧道仰拱的彎曲剛度，N·m；l為隧道仰拱寬度，m；m為正整數(shù)；px為隧道仰拱橫向荷載臨界值，N/m。

3 大斷面隧道仰拱底鼓破壞過(guò)程和變形規(guī)律

3.1 工程概況

本文以某高速公路大斷面隧道為研究對(duì)象， 利用有限元軟件ABAQUS 研究其仰拱底鼓破壞過(guò)程和變形規(guī)律。該隧道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為雙向4 車(chē)道，設(shè)計(jì)速度100 km/h，設(shè)計(jì)荷載為公路I 級(jí)，設(shè)計(jì)洪水頻率為1/100，上、下行分離并列布置，左、右線長(zhǎng)度分為1 856 m、1 878 m，左、右線斷面面積相同，均為68 m2，屬于大斷面隧道。 同時(shí)，隧道內(nèi)輪廓為三心圓斷面，邊墻和仰拱混凝等級(jí)均為C30。 根據(jù)隧道施工圖勘察報(bào)告及相關(guān)鉆孔、勘探數(shù)據(jù)，該隧道圍巖以三疊系泥灰?guī)r為主，隧道主要部位的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1[4]。

表1 隧道主要計(jì)算參數(shù)

3.2 模型建立

利用ABAQUS 中的實(shí)體單元模擬隧道圍巖，屈服準(zhǔn)則選用摩爾-庫(kù)倫模型；利用梁?jiǎn)卧M隧道邊墻和仰拱，屈服準(zhǔn)則選用彈性模型。 隧道模型尺寸取100 m×100 m×100 m，并在模型側(cè)面和底面設(shè)法向約束，頂面設(shè)置為自由邊界。 仰拱加載方式底部加載和側(cè)面加載兩種。

3.3 隧道仰拱破壞過(guò)程

3.3.1 底部加載

由ABAQUS 軟件計(jì)算結(jié)果可知：當(dāng)隧道仰拱底部加載應(yīng)力達(dá)到0.10 MPa 時(shí)，仰拱中心開(kāi)始產(chǎn)生豎向裂縫。 隨著加載壓力的逐漸增加， 裂縫不斷擴(kuò)展延伸。 當(dāng)?shù)撞考虞d應(yīng)力達(dá)到0.22 MPa，裂縫沿縱向貫通。 底部加載應(yīng)力達(dá)到0.55 MPa，豎向裂縫沿縱向和豎向完全貫通，仰拱呈“W 形”破壞。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于：在仰拱加載期間，其底部承受較大的頂升力（可視為均布荷載），仰拱可簡(jiǎn)化呈單跨超靜定結(jié)構(gòu)。 仰拱中心點(diǎn)的彎矩最大，也是仰拱最脆弱的位置。 當(dāng)彎矩超過(guò)仰拱承載極限，出現(xiàn)張拉裂縫。 隨著仰拱底部頂升力增大，張拉裂縫持續(xù)發(fā)育， 而上部襯砌的存在阻礙了仰拱兩側(cè)隆起， 最終形成“W 形”破壞形態(tài)。 圖2 為大斷面隧道仰拱破壞過(guò)程示意圖。

圖2 大斷面隧道仰拱破壞過(guò)程示意圖

3.3.2 側(cè)面加載

仰拱在側(cè)面加載條件下的底鼓破壞形式與底部加載有所不同。 當(dāng)隧道側(cè)面加載應(yīng)力達(dá)到0.15 MPa、0.28 MPa、0.67 MPa時(shí)，仰拱所處狀態(tài)分別為仰拱中心出現(xiàn)裂縫、靠近拱腳位置出現(xiàn)裂縫、仰拱呈“L 形”“J 形”破壞。 這是因?yàn)椋涸趥?cè)向荷載較大的條件下，仰拱所受的水平向軸力增大，導(dǎo)致其出現(xiàn)剪切破壞。

3.4 隧道仰拱底鼓變形規(guī)律

一般情況下，大斷面隧道仰拱越厚，承載能力越強(qiáng)，越不容易出現(xiàn)底鼓破壞，故仰拱厚度是影響底鼓破壞的重要因素。本文利用ABAQUS 軟件計(jì)算了仰拱厚度為10cm、20cm、30cm、40 cm、50 cm、60 cm 時(shí)，隧道仰拱中心底鼓最大位移，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3[5]（圖中B1、B2為回歸系數(shù)）。

圖3 不同仰拱厚度下底鼓變形量

由圖3 計(jì)算結(jié)果可知：隧道仰拱厚度為10cm、20cm、30cm、40 cm、50 cm、60 cm 時(shí)， 仰拱中心底鼓的最大位移分別為90.5 mm、88.6 mm、86.3 mm、83.2 mm、62.2 mm、42.0 mm。 這說(shuō)明，隨著隧道仰拱厚度的增加，仰拱中心的最大底鼓位移不斷減小，但減小速率并不是固定的。 當(dāng)隧道仰拱厚度＜40 cm，底鼓變形降低速率緩慢；當(dāng)隧道仰拱厚度≥40 cm，底鼓變形呈驟降趨勢(shì)。

4 大斷面隧道仰拱底鼓控制措施

4.1 隧道施工過(guò)程中仰拱底鼓控制

4.1.1 仰拱參數(shù)控制

大斷面隧道仰拱在施工時(shí)， 要嚴(yán)格設(shè)計(jì)尺寸控制仰拱厚度，不得偷工減料或仰拱厚度過(guò)大。 相關(guān)研究成果表明，仰拱的寬度變大或減小， 會(huì)導(dǎo)致仰拱兩端擠壓橫向臨界荷載的急劇變化，故也要嚴(yán)格控制仰拱施作寬度，以免仰拱兩端擠壓荷載過(guò)大。 此外，仰拱混凝土標(biāo)號(hào)、混凝土灌注振搗、混凝土養(yǎng)護(hù)、仰拱鋼筋間距和長(zhǎng)度、鋼筋焊接質(zhì)量等都要滿足設(shè)計(jì)文件的要求[6]。

4.1.2 仰拱修筑時(shí)機(jī)控制

大斷面隧道的仰拱修筑時(shí)間應(yīng)結(jié)合監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)確定，在符合應(yīng)力釋放的條件下，盡早施工仰拱，將隧道結(jié)構(gòu)閉合成環(huán)。 仰拱盡量修建在二次襯砌之前，以免仰拱修筑影響二襯應(yīng)力重新分布。 但對(duì)于易發(fā)生仰拱病害軟弱圍巖路段，仰拱可以與二次襯砌同時(shí)修筑， 以縮短隧道結(jié)構(gòu)閉環(huán)時(shí)間，保證施工安全。

4.1.3 仰拱開(kāi)挖方法控制

為了減小仰拱底鼓可能性， 仰拱開(kāi)挖方法嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)文件，少擾動(dòng)、早封閉。 在多臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)根據(jù)隧道地質(zhì)情況決定是否設(shè)置臨護(hù)仰拱；同時(shí)，還要搭建仰拱施工便橋，以減小仰拱施工對(duì)隧道施工進(jìn)度的影響。

4.2 隧道運(yùn)營(yíng)過(guò)程仰拱底鼓控制

如果大斷面隧道在運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)底鼓病害， 可通過(guò)以下措施進(jìn)行控制：第一，隧道滲漏水防治。 隧道運(yùn)營(yíng)期間定時(shí)疏通隧道中心排水溝和洞外排水溝， 減小隧道底部圍巖所承受的靜水壓力，防止其進(jìn)一步軟化。第二，加固拱腳及拱墻。隧道兩側(cè)拱腳補(bǔ)充鎖腳錨桿，并注漿加固拱墻基礎(chǔ)。 第三，更換仰拱。 仰拱如果出現(xiàn)底鼓、錯(cuò)臺(tái)等，應(yīng)采用風(fēng)鎬開(kāi)挖拆除仰拱，清理仰拱基槽，重新澆筑新的仰拱。第四，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。對(duì)仰拱底鼓病害區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)， 實(shí)時(shí)掌握仰拱底鼓的發(fā)展趨勢(shì)和加固處理效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了大斷面隧道仰拱底鼓影響因素、受力機(jī)理，并提托某高速公路隧道，利用ABAQUS 軟件探討了仰拱底鼓破壞模式和控制措施，主要得到以下結(jié)論：（1）隧道仰拱底會(huì)破壞受自然環(huán)境、人為因素、地震災(zāi)害、火災(zāi)等因素影響，且其受力滿足薄板壓曲微分方程；（2）大斷面隧道仰拱底鼓是裂縫不斷擴(kuò)展的結(jié)果，在底部加載條件下呈“W 形”破壞，在側(cè)面加載條件下呈“L 形”“J 形”破壞；（3）為了避免仰拱底鼓破壞，大斷面隧道在施工期間應(yīng)控制好仰拱寬度、厚度、施工時(shí)機(jī)、開(kāi)挖方法等，運(yùn)營(yíng)期間應(yīng)防治隧道滲漏水、加固拱腳及拱墻，加強(qiáng)仰拱監(jiān)測(cè)。