公路隧道二次襯砌受力特征研究現(xiàn)狀綜述

唐國平，牛吉鋒，朱世奇，劉藝橋

（吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，吉林長春，130118）

引言

公路隧道，一般是指修筑在地下供車輛行駛的通道，有時還兼做行人和管線的通道。中國最早用于交通的隧道是古褒斜道上的石門隧道，建成于東漢年間。從上個世紀以來，汽車數(shù)量不斷增加，公路路線標準化相應(yīng)提高，公路隧道也逐漸增多。與此同時，修筑隧道的方法也越來越專業(yè)化，隧道襯砌的作用也尤為突出。二次襯砌是隧道工程施工在初期支護內(nèi)側(cè)施作的模筑混凝土或鋼筋混凝土襯砌，與初期支護共同組成的復(fù)合式襯砌。二次襯砌和初期支護相對來說，指在隧道已經(jīng)進行初期支護的條件下，用混凝土等材料修建的內(nèi)層襯砌結(jié)構(gòu)，以達到加固支護、方便設(shè)置通訊、優(yōu)化路線防排水系統(tǒng)、美化外觀、監(jiān)測、照明等設(shè)施的作用，以適應(yīng)現(xiàn)代化高速道路隧道建設(shè)的要求。因此，研究二次襯砌結(jié)構(gòu)的受力情況對施工安全、隧道的穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)優(yōu)化、造價等方面均有重要的意義。

1 公路隧道二次襯砌受力研究現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)場試驗研究

現(xiàn)場試驗是指在實際的的場所進行的試驗研究，這樣進行的試驗可靠度高，接近真實效果，更具有說服力，相比其他方法較復(fù)雜繁瑣，但是為了更具有說服力，現(xiàn)實生活中有很多的現(xiàn)場試驗研究，那么，下面列舉一些有關(guān)公路隧道的現(xiàn)場試驗研究成果。

王兵[1]通過兩車道公路隧道襯砌設(shè)計方案進行數(shù)值分析與比較，驗證了此隧道采用復(fù)合式襯砌進行新奧法施工的技術(shù)可行性以及合理性。晏啟祥等[2]以以軟巖小凈距隧道為研究對象，加強分析了在不同開挖方式受力特點，以及圍巖特征點變形和應(yīng)力的關(guān)系、圍巖壓力與位移的關(guān)系等等。2010年楊昌賢等[3]對墊鄰路明月山隧道和銅鑼山隧道現(xiàn)場實測，歸納了明月山隧道和銅鑼山隧道若干實測的圍巖壓力值，經(jīng)過分析：Ⅳ級圍巖逼Ⅲ級圍巖壓力要大近2倍左右，分布規(guī)律相差不多，兩側(cè)拱腰位置較大。李鵬飛，張頂力等[4]在蘭渝鐵路胡麻嶺隧道進行二次襯砌與初期支護之間的接觸壓力的測試，由實驗得出：（1）二次襯砌完全可以作為儲備設(shè)計。（2）拱墻上部的測試點顯示，隨著監(jiān)測時間的增長，初期支護與二次襯砌之間的接觸壓力存在一個先增大然后減小然后緩慢增大最后趨于穩(wěn)定的過程。

1.2 室內(nèi)模擬試驗

室內(nèi)模擬試驗簡單地說是在人為控制某些條件下進行的實驗研究，通過模擬得出相關(guān)結(jié)論，這種方法往往需要建立模型用來研究，以此到達最真實的效果，隧道研究方面多利用軟件等建立模型，用于更好的研究。

潘世強[5]提出了復(fù)雜材料在彈塑性分析中需要注意要建立一個符合材料特性的屈服準則、應(yīng)力應(yīng)變增量的相對關(guān)系的法則和在屈服后材料應(yīng)力狀態(tài)的硬化規(guī)律。潘世強[6]提出了考慮的荷載主要為結(jié)構(gòu)自重、圍巖壓力、外水壓力以及圍巖的彈性抗力的計算模型。二次襯砌用的是以梁為單元的模擬，圍巖的彈性抗力用受壓彈簧來模擬，采用“水土分算”的方法。Bemardino Chiaia[7]等等通過對襯砌結(jié)構(gòu)安全評價的研究，建立了隧道襯砌裂縫的評價模型，在此條件下對襯砌裂縫的擴展規(guī)律及發(fā)展趨勢進行了預(yù)報。門洋[8]在室內(nèi)用SJZ8-2型數(shù)字便攜式巖心直剪儀，進行試件的剪切試驗，通過繪制u-t試驗曲線，得出在等大的法向應(yīng)力作用下，復(fù)合型PVC試件與PVC+土工布試件相比，剪切-位移繪制的圖形形狀基本相同，由此可知，PVC+土工布對混凝土的約束比復(fù)合型EVA小，在此基礎(chǔ)上，又進行了洞室大尺寸剪切試驗，試驗采用洞室內(nèi)混凝土地面和一塊混凝土塊模擬襯砌，得出結(jié)論：（1）防水材料與緩沖層組合使用，對于襯砌的約束作用要小于防水材料單獨使用。（2）防水材料與緩沖層無粘結(jié)，對襯砌的約束作用要小于復(fù)合型防水材料。（3）對于同一材料，法向應(yīng)力越大，對襯砌的約束作用越強。

1.3 理論分析

理論分析是利用已有的理論，經(jīng)過一系列計算推導(dǎo)得出的結(jié)論，首先要明確問題，確定運用什么知識理論，然后進行計算，利用計算結(jié)果，分析得出結(jié)論，此方法相對來說，沒有通過事實來得出結(jié)論，可信度不是很高。

宋小行等[9]利用彈塑性理論分析，將襯砌結(jié)構(gòu)簡化成厚壁圓筒進行分析，如果二襯襯砌結(jié)構(gòu)可靠性滿足相關(guān)要求，則要滿足以下條件：，（——圓內(nèi)最大內(nèi)切力，——二次襯砌外半徑，——二次襯砌內(nèi)半徑，——混凝土標準抗壓強度，——原始地應(yīng)力）通過理論計算分析，得出了相關(guān)結(jié)論：（1）對于三級圍巖，可以將隧道二次襯砌簡化為厚壁圓筒的模型，利用彈塑性理論進行分析。（2）通過仿真模擬的方法來分析二次襯砌穩(wěn)定性的結(jié)果與彈塑性理論的分析是一樣的。對于圍巖壓力的理論計算，常用的圍巖壓力計算理論有太沙基理論、普氏理論等，楊昌賢等[10]利用這些理論計算與實測值相比較，通過對3種圍巖的理論計算與實測值相比較，得出Ⅲ級圍巖、Ⅳ級圍巖、Ⅴ級圍巖深埋段比較符合實測值。崔磊[11]通過總結(jié)二次襯砌的計算方法，分析二次襯砌和初期支護的承載模式，提出釋放荷載系數(shù)分析方法，運用該方法，分析初期支護承受不同荷載釋放系數(shù)時，對二次襯砌結(jié)構(gòu)的受力影響，總結(jié)出了初期支護擔(dān)荷載比和二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化的一般規(guī)律等。李亞勇[12]利用多種理論計算方法求解隧道的相關(guān)問題，其中探討了理論計算中迭代次數(shù)對計算精度的重要影響,并給出迭代次數(shù)的確定原則。最后,對比分析了淺埋雙圓孔隧道徑距、地層沉降、夾角對圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)分布的影響等。

1.4 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬大多數(shù)是利用計算機軟件，通過數(shù)值計算及圖像顯示的方法，用來達到對工程問題（公路隧道等）等各類問題的研究，對于隧道二次襯砌的研究，比如ANSYS軟件等等，以下就是有關(guān)利用數(shù)值模擬對隧道研究的成果。

在數(shù)值計算模擬的研究方面，李建軍等[13]通過大型數(shù)值分析軟件FLAC3D,用該軟件模擬圍巖材料的蠕變現(xiàn)象，通過對模型的理論數(shù)值分析，經(jīng)過一系列計算，求得各監(jiān)控點（拱頂、拱腰、拱腳等）以及安全系數(shù)是由于圍巖蠕變作用而引起的二次襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力隨時間變化而不斷變化的趨勢。李雷、張慧等[14]建立了二次襯砌結(jié)構(gòu)法的有限元模型，通過一系列數(shù)值模擬分析，得出了二次襯砌內(nèi)力隨隧道襯砌厚度及隧道的埋置深度的變化規(guī)律。吉艷雷[15]通過對海底的鋼筋銹蝕問題就行了研究，他是運用荷載結(jié)構(gòu)法的原理建立了三車道的隧道實體單元模型，總結(jié)了鋼筋銹蝕對二次襯砌承載能力的影響規(guī)律。朱漢化、孫紅月等[16]對三車道公路隧道做過相關(guān)的模擬實驗，研究了襯砌壓力的分布狀況和襯砌結(jié)構(gòu)的承載能力等。

2 結(jié)束語

本文通過對現(xiàn)場測試二次襯砌受力的相關(guān)文獻分析，知道了二次襯砌的復(fù)合式模型，并且知道了二次襯砌承受力以及分配圍巖壓力。通過一系列現(xiàn)場測試，得出了一些二次襯砌的受力特點，以及圍巖壓力與位移的關(guān)系等等。通過室內(nèi)模擬試驗，利用試驗?zāi)M，建立相關(guān)的模型來到達研究的目的，而且可以參與現(xiàn)場測試來相比較，得出更加準確的結(jié)論。理論分析就是利用相關(guān)的理論知識，比如彈塑性理論、太沙基理論等，利用這些理論可以分析得出二次襯砌可靠性以及圍巖壓力的相關(guān)計算等結(jié)論。數(shù)值模擬試驗是借助于軟件進行試驗分析，比如FLAC3D等，也可以建立相關(guān)的有限元模型，進行一系列數(shù)值模擬分析，也能得出二次襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力隨各種各種原因的變化趨勢，也能通過數(shù)值模擬二次襯砌承載能力的影響因素等。

經(jīng)過分析一些研究有關(guān)二次襯砌的研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)在理論分析方面比較好，而現(xiàn)場模擬及室內(nèi)試驗，并不是很嚴謹，存在相關(guān)誤差。所以希望在做相關(guān)的試驗時，能把理論與現(xiàn)實相結(jié)合，現(xiàn)場測試試驗盡量按照理論要求來做，采用數(shù)值模擬利用軟件分析的時候，一定要熟悉相關(guān)軟件。另外還可以通過現(xiàn)場調(diào)查、收集資料，并統(tǒng)計隧道設(shè)計及施工參數(shù)等，利用有限元分析，分析二次襯砌結(jié)構(gòu)的受力、變形特征及影響因素等。

隨著科技的發(fā)展，目前公路隧道是越來越多、越修越長、越修越寬，技術(shù)也越來越難，涉及結(jié)構(gòu)、排水、安全等多種學(xué)科，而其基本特點是地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，隧道工程的設(shè)計必須綜合考慮大量的、關(guān)系錯綜復(fù)雜的地質(zhì)因素、工程因素、施工因素等，因此，進一步對隧道的研究有利于公路隧道的發(fā)展，更好的指導(dǎo)將來公路隧道的施工。

[1]王兵.雙車道公路隧道復(fù)合式襯砌研究[J].中國公路學(xué)報，1997，10(4):64-69.

[2]晏啟祥.不同開挖方式下軟巖小凈距隧道力學(xué)效應(yīng)分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004，增刊:282-286.

[3]楊昌賢.公路隧道二次襯砌承載能力與優(yōu)化設(shè)計研究[D].西南交通大學(xué)， 2010.

[4]李鵬飛.大斷面黃土二次襯砌受力特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010,8(8):1691-1692.

[5]潘世強.公路隧道動態(tài)施工過程數(shù)值模擬與二次襯砌結(jié)構(gòu)安全性分析[D].重慶交通大學(xué)，2010，（1）:15-16.

[6]潘世強.公路隧道動態(tài)施工過程數(shù)值模擬與二次襯砌結(jié)構(gòu)安全性分析[D].重慶交通大學(xué)，2010，（1）：47-48.

[7]孫洋.大斷面帶片巖區(qū)公路隧道二襯開裂機理及安全評價[D].2015，（5）:6-7.

[8]門洋.嚴寒地區(qū)公路隧道二次襯砌縱向變形機理研究[D].吉林大學(xué)，2013，（4）:23-43.

[9]宋小行，楊再海，許剛，邵建峰，雷璇.隧道二次襯砌可靠性的仿真模擬分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010，（32）.

[10]楊昌賢，崔光耀，王樂明.基于監(jiān)控測量的公路隧道二次襯砌受力分擔(dān)比例.世界地質(zhì)，2012，（1）:194-197.

[11]崔磊.深埋式輸水隧洞初期支護對二次襯砌結(jié)構(gòu)的受力影響研究[J].華北水利水電大學(xué)，2017，（1）：15-16.

[12]李亞勇.淺埋圓形隧道力學(xué)行為理論分析及應(yīng)用[J].重慶大學(xué)，2016，（1）：91-98.

[13]李建軍，張志強.巖石蠕變對隧道二襯結(jié)構(gòu)影響的研究[J].國防交通工程與技術(shù)，2011，（2）：23-27.

[14]李雷，張慧，潘彩君.鶩窩隧道二次襯砌數(shù)值模擬及襯砌安全性分析[J].巖土工程界，2007，（5）：51-53.

[15]吉艷雷.鋼筋銹蝕引起隧道二次襯砌性能退化的分析[J].四川建筑，2009，（2）：150-151.

[16]朱漢化，孫紅月，楊建輝.公路隧道圍巖穩(wěn)定與支護技術(shù)[M].科學(xué)出版社，2007.