大斷面小凈距隧道斷面優化及其設計參數研究

顧洪源

(中鐵二局集團勘測設計院有限責任公司，成都 610031)

隨著隧道開挖斷面的加大，尤其是修建4車道公路隧道時，隧道內輪廓斷面積往往達到170 m2以上，隧道跨度大大增加，而隧道高度增加不明顯，隧道呈嚴重的扁平形狀結構，圍巖應力場重分布更加復雜，對隧道結構整體穩定性極為不利［1-5］。同時，隨著開挖斷面的增大，隧道建筑限界上部的空間就會增大，土石方開挖量成倍增加。在滿足隧道建筑限界和凈空前提下，降低隧道的扁平率，提高空間利用率，隧道開挖面積將相應減小，同時隧道支護周長也有所減小，但隨著扁平率的降低，隧道應力集中程度、豎向收斂相應增加，為滿足穩定性要求，需增強隧道支護，而且扁平率的降低使得隧道施工難度加大，對后期運營維護提出了較高的要求。為提高隧道結構的安全穩定性，且節約工程建設費用，必須選擇合理的隧道斷面輪廓，控制好隧道的扁平率［6-9］。因此，如何選擇合理的斷面形式、確定隧道合理的扁平率，是隧道工程技術人員面臨的一個重大研究課題。

1 工程概況

某隧道設計為上下行分離式雙洞8車道，隧道左線長624 m，右線長604 m，屬中長隧道。隧道左右線均為曲線隧道，平曲線半徑為1 200 m，縱坡坡度由小里程至大里程分別為1%和1.25%，路面橫坡為2%，向曲線內側下坡。隧道埋深介于17～54 m，左右線開挖凈距為19～34 m。隧道橫斷面設計為五心圓斷面，最大開挖寬度為21.01 m，最大開挖高度為13.32 m，隧道概貌及內輪廓見圖1、圖2。隧道進出口穿越坡、殘積層和全風化層，洞身穿越強、弱和微風化花崗巖，地質條件差，圍巖破碎，隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖占80%，Ⅲ級圍巖占20%，是迄今為止設計和施工的綜合難度最大的大跨度小凈距隧道。

圖1 隧道出口概貌

圖2 隧道襯砌內輪廓圖(單位:cm)

2 扁平大斷面隧道形狀的優化

2.1 計算模型及邊界條件

隧道單洞開挖跨度為21 m，高度13.32 m，采用FLAC有限差分程序進行數值模擬，對開挖毛洞和二次襯砌支護后斷面建立平面二維模型進行計算。在計算中高度分別取 10，13.3，15，18，21 m，即高寬比為 0.526 6，0.633 3，0.789 9，0.947 9，1.105 8 五種不同工況進行計算，圍巖取Ⅳ級圍巖，模型采用摩爾-庫侖模型。本計算的目的是對單洞開挖斷面進行優化分析，計算斷面形式變化產生的圍巖應力，位移和塑性區變化，從而確定工程實際開挖的斷面形式，所以，計算參數取自隧道地勘報告參數，包括圍巖和二次襯砌的計算參數。具體見表1。

表1 計算參數

2.2 計算結果分析

隧道在不同高寬比下位移矢量圖如圖3所示。隨著高寬比的增加，拱頂位移逐漸減少，水平收斂逐漸增大，在高寬比為2.0時達到理想狀態，這個時候的拱頂位移和水平收斂基本相同，此時斷面有利于開挖。

通過計算，提煉出所需要的參數，得到毛洞和支護時的位移應力曲線，隨高寬比的變化，毛洞和支護位移曲線見圖4和圖5，毛洞和支護拱頂，邊墻，拱底環向應力變化見圖6～圖8。

隨著高寬比的增加，開挖毛洞拱頂處沉降逐漸減小，水平收斂逐漸增大。從圖4和圖5中推測也可以看出當高寬比取理想高寬比2.0時，毛洞和支護狀態下的拱頂沉降和水平收斂都比較接近，這時應力較均勻，是開挖的理想斷面，同時考慮行車通行的建筑界限，以及實際施工環境因素，取高寬比為0.633 3，即開挖高度13.3 m為隧道設計開挖高度是合理的。

高寬比也影響著單洞各點環向應力的變化，圖6～圖8可以看出，隨著高寬比的增加，拱頂由受拉變成受壓，邊墻受壓應力減少，拱底受拉應力減少，在所模擬的不同高寬比中，隨著高寬比的不斷增加，應力環境是改善的，利于提高單洞的穩定性。另外，毛洞和有支護狀態下的應力分布是不同的，從圖中看出，有支護情況下，隧道的受力比毛洞好，拱頂和拱底拉應力較小，邊墻受壓較少。

圖3 不同高寬比下位移矢量圖

圖4 毛洞位移隨高寬比變化

圖5 支護時位移隨高寬比變化

圖6 拱頂環向應力隨高寬比變化

圖7 邊墻環向應力隨高寬比變化

3 大斷面隧道設計參數研究

3.1 隧洞埋深的影響

隧洞埋深體現在豎直初始應力中。圖9為塑性半徑隨埋深的變化曲線(a=10 m，Ⅴ級圍巖)。從圖中可看出，塑性半徑隨著隧洞埋深的增加而增加。例如，在支護阻力=0.4 MPa時，隧洞埋深60 m時的塑性半徑為11.63 m(塑性區范圍1.63 m)，而隧洞埋深120 m時的塑性半徑為18.08 m。

圖9 塑性半徑隨埋深的變化曲線

圖10為周邊位移隨埋深的變化曲線(a=10 m，Ⅴ級圍巖)。從圖中可看出，周邊位移隨著隧洞埋深的增加而急劇增加。例如，在支護阻力=0.4 MPa時，隧洞埋深60 m時的周邊位移為7.0 mm，而隧洞埋深120 m時的周邊位移達到30.5 m。可見，隧洞埋深對塑性半徑和周邊位移的影響極大。

3.2 支護阻力的影響

圍巖變形過大，將直接影響隧洞的穩定，為控制圍巖變形，保證隧洞穩定，在隧洞周邊施加支護是常用手段。支護產生的支護阻力對圍巖變形起著抑制作用。

常用的隧洞支護有錨桿、噴混凝土、鋼筋網、鋼拱架、二襯等，不同支護方式的作用機理有所不同，其支護效果也不同，一般情況下都是多種支護的聯合使其發揮最佳效果，其支護阻力共同產生。彈性范圍內的支護阻力與隧洞變形成正比。

圖8 拱底環向應力隨高寬比變化

圖10 周邊位移隨埋深的變化曲線

圖11為噴混凝土最大支護阻力隨厚度的變化曲線(隧洞半徑=10 m)。從圖中可看出，噴混凝土最大支護阻力隨厚度的增加成正比增加。同時，混凝土強度等級越高，支護阻力越大。20 cm厚的C20混凝土的支護阻力為0.22 MPa。

圖11 噴混凝土最大支護阻力隨厚度的變化曲線

圖12為二襯最大支護阻力隨厚度的變化曲線(隧洞半徑=10 m)。從圖中可看出，與噴混凝土類似，二襯最大支護阻力隨厚度的增加成正比增加。同時，混凝土強度等級越高，支護阻力越大。與噴混凝土相比，二襯厚度大，混凝土強度等級高，其支護阻力大得多。例如，60 cm厚的 C30混凝土的支護阻力為0.99 MPa。因此，二襯對控制圍巖變形最有效。

圖12 二襯最大支護阻力隨厚度的變化曲線

鋼拱架為線支護結構，其支護阻力的計算比較復雜，為簡化起見，可按支護間距進行等效計算。圖13為鋼拱架最大支護阻力隨間距的變化曲線(隧洞半徑=10 m)。從圖中可看出，鋼拱架最大支護阻力隨間距成反比關系。同時，鋼拱架型號對鋼拱架最大支護阻力影響顯著。例如，0.5 m鋼拱架，型號I16的最大支護阻力為0.09 MPa，而型號I22b的最大支護阻力為0.17 MPa。

圖13 鋼拱架最大支護阻力隨間距的變化曲線

鋼拱架的剛度大，抗拉強度高，對控制圍巖變形非常有效，即使鋼材屈服后仍能提供一定的支護阻力，對提高軟弱圍巖隧洞的穩定性非常有效。由于鋼拱架的剛度大(210 GPa)，約為混凝土的10倍，一般都是鋼拱架失效后才會出現噴混凝土的開裂、剝落等。

鋼筋網為面支護結構，但由于厚度小，能提供的支護阻力非常小，主要配合其他支護結構起到防止局部掉塊、關鍵塊的滑動。

錨桿在工程實踐中被證明為有效的支護手段，特別是對節理巖體，控制關鍵塊的滑落非常有效。由于是點支護，加上與巖層走向、巖體強度、錨桿長度、端部形式、錨桿施工質量密切相關，其支護阻力的計算非常復雜，主要作用是保持圍巖的整體性，與其他支護結構聯合更為有效。

圖14為塑性半徑隨支護阻力的變化曲線(a=10 m，Ⅴ級圍巖)。從圖中可看出，塑性半徑隨著支護阻力的增加而減小。例如，在隧洞埋深=300 m時，無支護時的塑性半徑為20.7 m，而支護阻力=0.8 MPa時的塑性半徑縮小為9.7 m。

圖14 塑性半徑隨支護阻力的變化曲線

以間距0.8 m I18型鋼的鋼支撐和噴20 cm厚混凝土的初期支護為例，其初期支護阻力為0.37 MPa，隧洞埋深60 m的塑性區約為12 m(塑性區范圍2.0 m)。

3.3 圍巖強度的影響

圍巖抗壓強度表現為粘結力和內摩擦角，由于摩擦角變化相對較小，故圍巖強度常以粘結力表示。圖15為塑性半徑隨圍巖黏結力的變化曲線(a=10 m，=23.5°，隧洞埋深60 m)。從圖中可看出，塑性半徑隨著黏結力的增加而減小。例如，無支護狀態下，c=0.2 MPa的塑性區為20.7 m，而c=1.0 MPa的塑性區急劇減少到7.4 m。這對錨桿長度設計非常重要。同樣，周邊位移隨著黏結力的增加也急劇減小(圖16)。

圖15 塑性半徑隨圍巖黏聚力的變化曲線

圖16 周邊位移隨黏聚力的變化曲線

4 結論

本文以某雙洞八車道小凈距隧道為工程依托，通過數值模擬和理論分析對大斷面隧道斷面優化及其設計參數進行了較深入的研究，得出如下主要結論。

(1)隨著高寬比的增加，拱頂位移逐漸減少，水平收斂逐漸增大，在高寬比為2.0時達到理想狀態，這個時候的拱頂位移和水平收斂基本相同，此時斷面有利于開挖。

(2)當高寬比取理想高寬比2.0時，毛洞和支護狀態下的拱頂沉降和水平收斂都比較接近，這時應力較均勻，是開挖的理想斷面，同時考慮行車通行的建筑界限，以及實際施工環境因素，取高寬比為0.633 3，即開挖高度13.3 m為隧道設計開挖高度是合理的。

(3)隧洞埋深對塑性半徑和周邊位移的影響極大;彈性范圍內的支護阻力與隧洞變形成正比;塑性半徑隨著圍巖強度的增加而減小。

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