下穿高速公路的淺埋大斷面隧道襯砌受力分析

劉和清

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

近年來，隨著我國交通建設的蓬勃發展，新建隧道下穿既有公路的工況逐漸增多［1～4］，而對于下穿高速公路的淺埋大斷面軟弱圍巖隧道，還需積累相關的設計和施工經驗。湘桂線永州至柳州段的石頭崗隧道為淺埋大斷面的雙線鐵路隧道，下穿衡昆高速公路，高速公路路床以下、隧道拱頂以上的土層為弱膨脹土。為了確保石頭崗隧道的施工安全和上方高速公路的行車安全，本文對石頭崗隧道的襯砌受力進行數值模擬分析，得到的結論和建議可為類似工程的設計和施工提供參考。

1 工程概況

石頭崗隧道的開挖寬度為14.4 m，開挖高度為13 m，開挖斷面面積約160 m2，下穿高速公路段的隧道埋深僅為6 m，隧道采用弧形導坑預留核心土法開挖，圖1表示出了隧道所處的地質情況和隧道的開挖步驟，弱膨脹土的重度為19 kN/m3，黏聚力為18 kPa，內摩擦角為25°，基本承載力為180 kPa。隧道采用管棚超前支護;初期支護設計為雙層，外層拱部設I25a型鋼鋼架，間距0.5 m，內層全環設 I20b型鋼鋼架，間距0.5 m，噴射混凝土采用C25混凝土，外層厚30 cm，內層厚25 cm;臨時支撐為I20b型鋼鋼架和25 cm厚的C20噴射混凝土;二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，拱墻厚60 cm，仰拱厚65 cm。

圖1 隧道所處的地質情況和隧道的開挖步驟

2 數值計算工況及參數

考慮高速公路的行車荷載，按照“荷載－結構”模式，采用ANSYS計算程序對隧道襯砌的內力進行二維分析。計算參數如下:高速公路汽車活載按公路Ⅰ級考慮，車道荷載的均布荷載標準值為10.5 kN/m，車道數按6車道計算，橫向折減系數為0.55;隧道上覆土層的垂直壓力按全土柱計算，拱部和邊墻的側壓力系數分別為0.3、0.15;拱部和邊墻的圍巖彈性抗力系數分別為120、1 000 MPa/m;初期支護的彈性模量25 GPa、泊松比0.21、重度26 kN/m3;二次襯砌的彈性模量 32 GPa、泊松比 0.21、重度 25 kN/m3。

3 數值計算結果分析

3.1 上臺階側壁導坑初期支護的內力分析

在上臺階側壁導坑①部開挖、施作外層初期支護和臨時支撐后，考慮初期支護、臨時支撐、地基的不同連接方式，分為3種工況如表1所示，對比分析3種工況下的初期支護最大軸力和最大彎矩，限于篇幅，以下只給出工況(2)的支護軸力圖和彎矩圖，分別如圖2和圖3所示。分析表1、圖2、圖3可知:工況(2)比工況(1)的最大軸力減少2%，最大彎矩減少的幅度較大，達到17%，可見增加初期支護與臨時支撐頂部連接處的剛度對結構受力有利，因而此處的鋼架連接應牢固可靠，必要時應采用槽鋼、角鋼、鋼板等輔助連接措施;工況(3)比工況(2)的最大軸力減少7%，最大彎矩減少的幅度較大，達到了22%，可見增加初期支護和臨時支撐的腳部剛度對結構受力有利，在施工中可采用打設鎖腳錨桿，設置臨時仰拱與初期支護、臨時支撐形成封閉的受力結構等措施。另外建議上臺階側壁導坑①部的循環開挖長度應控制在0.5～1 m，且①部左右兩側的掌子面應保持一定的距離。

表1 初期支護的最大內力

圖2 工況(2)下支護的軸力圖

圖3 工況(2)下支護的彎矩圖

3.2 拆除臨時支撐后的初期支護內力分析

弧形導坑上臺階①、②部在拆除臨時支撐后的外層初期支護的內力圖如圖4和圖5所示，分析圖4和圖5可知:(1)拆除臨時支撐后，初期支護受力仍在安全范圍內，初期支護的最大軸力為1340 kN，發生在腳底;初期支護的最大彎矩為50 kN·m，發生在拱頂，可見在拆除臨時支撐后，初期支護的腳底和拱頂是受力相對不利的部位，施工現場要重視對上述部位的安全監測，要控制后續分部開挖的每循環開挖長度和爆破規模，以減少后續開挖作業對既有初期支護的損傷。

3.3 二次襯砌的內力分析

圖6和圖7為計算得到的二次襯砌內力圖，分析圖6和圖7可知:(1)二次襯砌的最大軸力為1 430 kN，發生在仰拱底部，可見仰拱底部是二次襯砌受力較為不利的部位，因此在施工中要避免仰拱底部欠挖，要保證仰拱二襯的厚度滿足設計要求。(2)二次襯砌的最大彎矩為243 kN·m，發生在拱頂，可見拱頂也是二次襯砌受力較為不利的部位，施工時要盡量使弧形導坑上臺階②部拱頂附近的隧道開挖輪廓圓順，避免應力集中，并且要保證拱頂的二襯混凝土灌注飽滿。(3)經計算，二次襯砌的最小安全系數為5.37，滿足《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2005)［5］的要求，可見只要嚴格按照設計要求進行施工，是可以保證隧道二次襯砌結構的安全。

圖4 拆除臨時支撐后的初期支護軸力圖

圖5 拆除臨時支撐后的初期支護彎矩圖

圖6 二次襯砌的軸力圖

圖7 二次襯砌的彎矩圖

4 結論及建議

(1)對于上臺階側壁導坑，增加初期支護與臨時支撐頂部連接處的剛度以及增加初期支護、臨時支撐的腳部剛度，可使初期支護的最大彎矩減少15%以上，應保證初期支護與臨時支撐連接牢固，并及時打設鎖腳錨桿。

(2)拆除臨時支撐后，初期支護的拱頂和腳底是受力相對不利的部位，在施工現場要重視對上述部位的安全監測。

(3)二次襯砌的拱頂和仰拱底是受力較為不利的部位，應保證上述部位的二次襯砌厚度滿足設計要求。

(4)石頭崗隧道襯砌設計參數和采取的施工措施可以保證施工安全和隧道上方高速公路的行車安全，可供類似工程參考。

［1］謝慧智，張 波.城市復雜環境中下穿鐵路隧道施工技術研究［J］.鐵道建筑，2010(12):45-47.

［2］張 鵬，譚忠盛.淺埋隧道下穿公路引起的路面沉降控制基準［J］.北京交通大學學報，2008，32(4):137-140.

［3］雷位冰.溫福鐵路琯頭嶺隧道下穿公路隧道施工技術［J］.地下空間與工程學報，2007，3(4):758-764.

［4］午向陽，蔣宗全，高 亮，等.金牛山隧道下穿高速公路爆破振動研究［J］.鐵道建筑，2010(12):60-62.

［5］鐵道第二勘察設計院.TB 10003—2005 鐵路隧道設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.