大跨度淺埋隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)靜力分析

王立光 曾夢秋

(武漢工程大學(xué)，湖北武漢 430073)

0 引言

改革開放以來，我國公路隧道建設(shè)事業(yè)迅猛發(fā)展，而且，隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的逐步實施，我國高速公路建設(shè)又進入了一個新的大發(fā)展時期［1］。隧道的開挖跨度在不斷變大，大跨度淺埋隧道由于上覆蓋層薄，圍巖穩(wěn)定性很差，襯砌受力比較復(fù)雜，尤其二次襯砌承擔較大荷載，在這種情況下，二次襯砌設(shè)計的是否合理不僅關(guān)系到隧道施工過程的安全，而且對后期隧道運營管理也有很大影響。

1 工程概況

廣樂高速公路某隧道設(shè)計為雙向六車道，時速120 km/h。該左線長565 m，右線長640 m。該隧道穿越地段上覆粉質(zhì)粘土及全強風化巖體，土體松散，強度及穩(wěn)定性極差，分布厚度3 m～20 m。YK97+515～ZK98+040段隧道穿越圍巖為全～強風化砂巖夾中風化灰?guī)r，砂頁巖風化強烈，巖質(zhì)軟弱，裂隙極發(fā)育，強度及穩(wěn)定性差;灰?guī)r巖質(zhì)較硬，隱伏巖溶發(fā)育，巖溶強烈發(fā)育。整體圍巖巖體破碎，強度分布不均勻，灰?guī)r層巖溶強烈發(fā)育。YK98+040～ZK98+165段隧道穿越巖體主要為砂頁巖及煤層互層，主要為全～強風化巖，呈土狀或半巖半土狀，結(jié)構(gòu)松散，強度及穩(wěn)定性差，施工開挖易坍塌及側(cè)壁失穩(wěn)。整個隧道圍巖均劃為Ⅴ級。設(shè)計采用兩種襯砌:S5a與S5b，其中S5a襯砌的開挖跨徑達17.95 m，高達12.2 m，開挖面積為174.9 m2，斷面的扁平率為 0.68。

2 圍巖壓力計算

根據(jù)隧道地勘報告，隧道上覆圍巖主要為粘土和全～強風化灰?guī)r，巖體松散、自穩(wěn)性差，其物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》計算可以得知等效荷載高度為hq=16.524 m，文中淺埋隧道分界 Hp為［2］:

根據(jù)淺埋隧道的荷載計算方法，對于特定的圍巖級別，隧道埋深接近淺埋隧道的分界高度時，隧道結(jié)構(gòu)承擔的荷載最大。計算按最不利情況考慮，即選取埋深為淺埋隧道的分界高度的隧道結(jié)構(gòu)作為分析的對象。當隧道埋深為Hp時，隧道開挖后，由于洞頂?shù)南鲁良跋鲁翈r柱兩側(cè)存在摩擦力，使頂部巖土卸載，兩側(cè)巖體加載［3］。計算的圍巖的破裂角及側(cè)壓力系數(shù)如表2所示。

表2 圍巖破裂角及側(cè)壓力系數(shù)表

根據(jù)規(guī)范公式可求得垂直壓力q和水平均布側(cè)壓力e:

其中，H為隧道埋深，m;h為隧道高度，m;l為側(cè)壓力系數(shù);g為圍巖重度，kN/m3。

該隧道為三車道隧道，此處確定二次襯砌承擔60%的土壓力［4］。

3 二次襯砌內(nèi)力計算

計算采取荷載—結(jié)構(gòu)模型，運用ANSYS10.0，沿隧道縱向取1 m襯砌長度作為分析的對象。用二維梁單元(Beam3)模擬二襯，二次襯砌厚0.6 m。用二維桿單元(Link10)模擬圍巖對襯砌的約束效果，設(shè)置Link10只受壓不受拉(gap單元)。取圍巖的彈性抗力K=150 MPa/m。

二次襯砌的力學(xué)參數(shù)如表3所示。

經(jīng)計算，二次襯砌的內(nèi)力分布如圖1～圖3所示。

根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，混凝土偏心受壓構(gòu)件按破壞階段進行強度驗算。由于篇幅有限，本次只選取了具有代表性的單元進行分析，各單元的內(nèi)力值及安全系數(shù)如表4所示。

表3 襯砌力學(xué)參數(shù)表

圖1 軸力分布圖（單位：N）

圖2 彎矩分布圖（單位：N·m）

圖3 剪力分布圖（單位：N）

表4 典型單元內(nèi)力值及安全系數(shù)表

由計算可知，二次襯砌拱頂、拱肩處受拉控制，其安全系數(shù)較小，分別為0.5和0.8，小于規(guī)范要求的3.6的安全系數(shù)。由于斷面扁平率小，拱頂與拱肩截面的彎矩較大，而軸力相對較小，使得該處單元受軸力的偏心距大，受拉區(qū)的混凝土首先破壞。墻腳與仰拱處受壓控制，安全系數(shù)為4.3和4.1，可滿足規(guī)范要求的2.4的安全系數(shù)。

選取拱頂單元45進行應(yīng)力分析，忽略剪力對截面正應(yīng)力的影響，截面的外側(cè)邊緣正應(yīng)力計算如下:

正應(yīng)力遠大于C25混凝土的軸心抗拉設(shè)計值ft=1 270 kPa，需配筋以提高截面的承載能力。對拱頂單元45進行配筋計算:截面大偏心受壓，受壓區(qū)高度x=187.2 mm，相對受壓區(qū)高度e=0.34，需采用對稱配筋A(yù)s=As′=1 955 mm2;拱肩單元60為截面大偏心受壓，受壓區(qū)高度x=245 mm，相對受壓區(qū)高度e=0.45，采用對稱配筋 As=As′=936 mm2＜ rmin，bh=1 200 mm2，故采用構(gòu)造配筋;單元75與單元81截面為小偏心受壓，只需構(gòu)造配筋A(yù)s=As′=1 200 mm2。S5a 襯砌采用 5Φ25，As=As′=2 454 mm2，二次襯砌結(jié)構(gòu)是安全可靠的［6］。

4 結(jié)語

在大跨度淺埋隧道中，由于初期支護施工質(zhì)量的離散性，二次襯砌的作用就顯得更為重要。該隧道現(xiàn)已完成了淺埋段的施工，從現(xiàn)場施工情況來看，二次襯砌結(jié)構(gòu)是安全可靠的，可以承受現(xiàn)階段的圍巖荷載和施工荷載。本文按照《公路隧道設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)要求，對該隧道淺埋段二次襯砌進行了檢算，結(jié)果表明設(shè)計的截面尺寸和配筋率是安全合理的。從上述計算中可以得出如下結(jié)論:

1)該隧道斷面的扁平率為0.68，隧道拱頂?shù)膹澗刈畲螅移木嘧畲蟆＝孛娴耐鈧?cè)邊緣拉應(yīng)力大大超過了混凝土抗拉設(shè)計強度，這證明大跨度小扁平率的淺埋隧道應(yīng)重點關(guān)注拱頂部位。這也從側(cè)面驗證了淺埋隧道的破壞一般從拱頂開始。同時拱肩處的負彎矩較大，也應(yīng)重點關(guān)注。

2)二次襯砌結(jié)構(gòu)大部分的截面為受壓控制，且安全系數(shù)一般較大，均能滿足規(guī)范的要求，采用構(gòu)造配筋即可。

3)由于二次襯砌一般在初期支護變形穩(wěn)定后施作，本隧道所處的圍巖并無顯著的流變特性，一般也不會有很大的殘余變形。故本文按照規(guī)范考慮二次襯砌分擔60%的土壓力稍顯偏大，可以將二次襯砌的荷載分擔比例適當降低。

［1］ 夏寶祥，程崇國.三車道大斷面公路隧道研究現(xiàn)狀綜述［J］.地下空間，2002(12):67-68.

［2］ 交通部.公路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］ 王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論［M］.合肥:安徽教育出版社，2004.

［4］ 交通部.公路隧道設(shè)計細則［S］.

［5］ 王建宇.隧道設(shè)計中數(shù)值方法的思考［A］.2008年全國隧道監(jiān)控量測和反分析專題研討會議論文［C］.2008.

［6］ 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.