大斷面公路隧道支護結構計算分析

魯志偉

(中國公路工程咨詢集團有限公司(武漢)橋隧分公司，湖北 武漢 430050)

大斷面公路隧道支護結構計算分析

魯志偉

(中國公路工程咨詢集團有限公司(武漢)橋隧分公司，湖北 武漢 430050)

以云南省呈貢至澄江高速公路提古鋪隧道為例，采用大型二維有限元plaxis程序模擬隧道開挖施工，分析大斷面隧道開挖工程中雙側壁導坑法的施工工況，以及在施工過程中分別引起的圍巖沉降及應力，對襯砌結構設計參數及施工方法的合理性進行了理論驗算。

大斷面；公路隧道；支護結構；計算分析

1 工程概況

提古鋪隧道是云南省呈貢至澄江高速公路的關鍵控制性工程，位于澄江縣提古鋪村的北東側，官倉山南側的山體上，海拔高度在2 060～2 257 m，山體地表覆蓋有殘破積層，巖性為二疊系下統陽新組灰巖或二疊系上統峨眉山玄武巖組。

隧道按雙向六車道高速公路標準設計，設計速度80 km/h，隧道開挖凈寬17.12 m、凈高11.84 m，扁平率0.69，這種大斷面扁平狀隧道受力較為復雜，因此，隧道襯砌結構、施工方法、初期支護結構模式、參數等需加以深入研究，進行相應的理論計算分析。

2 計算斷面設計情況及計算方法

本次計算選取提古鋪隧道進口Ⅴ級圍巖K7+944斷面進行驗算，根據設計圖紙，K7+944斷面隧道拱頂埋深為4.6m，圍巖為紅粘土，含鐵錳質結核和少量碎石，間夾灰白色高嶺土團塊，地下水類型為上層滯水及孔隙潛水，開挖可能出現點滴狀出水。該斷面襯砌支護類型為Sf5a型，施工工法為雙側壁導坑法。

Sf5a襯砌結構支護參數為：

初期支護：拱墻采用C25噴射混凝土，仰拱采用C25混凝土澆筑，厚均為26 cm；內置I20a工字鋼架，間距50 cm/榀，全環設置；Φ8鋼筋網(網格間距20×20 cm)，拱墻設置；系統錨桿采用Φ25中空注漿錨桿，布設間距(環向×縱向)0.5×0.5 m，每根錨桿長4.0 m，拱墻設置。

二次襯砌：C30鋼筋混凝土，厚60 cm。

計算方法：采用地層結構法進行驗算，并模擬隧道施工開挖及支護全過程。

3 結構計算模式及破壞準則

由于公路隧道屬于細長型結構物，即隧道的橫斷面相對縱向(洞軸)的長度小很多，可以假定在圍巖荷載作用下，在其縱向沒有位移，只有橫向發生位移，故隧道的力學分析采用平面應變模型進行。

二次襯砌承載能力按如下準則進行驗算：

(1)混凝土結構受拉緣(或受壓較小緣)所可能出現的拉應力不大于混凝土的抗拉強度。

(2)受壓較大緣所出現的壓應力不大于混凝土的抗壓強度。

4 計算模型及荷載作用

本次建立模型計算分析采用有限元分析程序plaxis完成，計算模型采取平面應變模式；模型上邊界按隧道斷面實際地面線選取，兩側邊界取3倍隧道跨度；模型圍巖的物理力學參數按該隧道工程地質勘察報告的巖土物理力學參數值進行選取，襯砌支護結構材料物理力學參數按《公路隧道設計規范》(JTG D07-2004)并結合該隧道工程及計算經驗選取；隧道襯砌支護參數按隧道設計圖紙進行選取。

主要荷載：圍巖壓力+結構自重+地震力。

5 巖土及襯砌支護材料計算參數的選取

(1)巖土參數按該隧道地勘報告巖土物理力學性質指標推薦表取值，具體如下：紅粘土，圍巖級別，V級；重度γ=18 kN/m3, 彈性抗力系數K=120 MPa/m，變形模量E=1 GPa，泊松比μ=0.38，內摩擦角φ=22°，粘聚力C= MPa。

(2)圬工材料及鋼筋按《公路隧道設計規范》第5章建筑材料取值，具體如下： C25噴射混凝土，重度γ=23 kN/m3，抗壓強度fck=12.5，抗拉強度ftk=1.3 MPa，彈性模量Ec=23 GPa；C30混凝土重度γ=23 kN/m3，抗壓強度fck=20，抗拉強度ftk=2.2 MPa，彈性模量Ec=31 GPa；HRB400鋼筋重度γ=77 kN/m3，抗抗拉強度ftk=400 MPa，彈性模量Ec=210 GPa。

6 隧道計算分析

根據計算斷面隧道施工工法，利用有限元模擬分步進行：

第0步：模擬初始應力場；

第一步：模擬開挖左側導坑及初期支護；

第二步：模擬開挖右側導坑及初期支護；

第三步：模擬開挖中間上半斷面及初期支護；

第四步：模擬開挖中間下半斷面及初期支護；

第五步：模擬二襯襯砌施作。

各施工步驟圍巖的豎向位移、水平位移、最大主應力、最小主應力。

7 計算結果分析

從計算結果可以看出，第一步開挖后拱頂圍巖最大下沉為-0.56 cm，水平收斂位移為1.24 cm，第二步開挖后圍巖拱頂圍巖最大下沉為-0.64 cm，水平收斂位移為1.76 cm，第三步開挖后拱頂圍巖最大下沉為-1.29 cm，水平收斂位移為2.28 cm，第四步開挖后圍巖拱頂圍巖最大下沉為-1.29 cm，水平收斂位移為2.28 cm，分步開挖分步支護較好的抑制了隧道拱頂下沉和水平收斂，最終將變形值控制在允許變形值范圍內。

第一步開挖后圍巖最大主應力為715.1 kPa，第二步開挖后圍巖最大主應力為770.6 kPa，第三步開挖后圍巖最大主應力為845.1 kPa，第四步開挖后圍巖最大主應力為845.1 kPa，在圍巖的承載能力范圍內，且隧道周邊沒有出現拉應力。另從計算結果可知，整個隧道開挖支護完成后，隧道周邊沒有出現塑性區。因此，本隧道設計的支護結構體系措施是可行的，施工工法選取是合適的，隧道施工過程是安全的。

[1] 中華人民共和國行業標準.公路隧道設計規范(JTG D70-2004)[S].北京：人民交通出版,2004.

[2] 中華人民共和國行業標準.公路隧道施工技術規范(JTG F60-2009)[S].北京：人民交通出版,2009.

[3] 關寶樹.隧道設計要點集[M].北京：人民交通出版社,2003.

2016-12-11

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