大斷面隧道圍巖、支護結構受力分析與設計方法

張 佳

（山西工程科技職業大學，山西 晉中 030619）

0 引言

某高速公路工程全線長度為19.27km，汽車荷載等級為公路-I級，地質條件十分復雜。此高速公路工程包含了1 座雙向分離式隧道，左線起訖樁號是ZK35+510～ZK35+930，右線起訖樁號是YK35+620～YK35+950。該隧道斷面為三心圓曲墻式結構，其中凈空斷面積為166.29m2，采用復合式襯砌支護模式。此外，隧道需要穿過強風化與中風化的凝灰巖，圍巖級別主要是IV級與V級。根據國際隧道協會（ITA）擬定的隧道斷面數值劃分標準，該隧道為大斷面隧道。既然是大斷面隧道，為了圓滿完成工程建設任務，有必要該隧道實際情況，綜合分析了大斷面隧道圍巖、支護結構受力與設計方法。

1 大斷面隧道的基本特點

與普通隧道相比，大斷面隧道的結構受力情況更為復雜，且支護方式設計與施工技術難度系數比較大。大斷面隧道的基本特點具體如下：

（1）隧道拱腳應力集中問題較為突出，隧道拱腳部位的地基必須具備較強承載力，而且隧道開挖施工之后，拱腰、邊墻應力會隨著開挖寬度的擴大而增加；

（2）大斷面隧道拱頂的穩定性相對較弱，通常設計者在隧道結構計算階段需要假設圍巖是一種連續均勻性的介質，這就導致巖體崩塌判斷結果出現偏差[1]，事實上，大斷面隧道的結構計算應主要參考普氏理論與塊體平衡理論；

（3）大斷面隧道的跨度與高度均比較大，由此就需要提高承載拱的埋深，特別是隧道淺埋地段，圍巖無法形成良好的承載拱，從而造成隧道結構需要承受相對偏大的圍巖松動壓力。

2 大斷面隧道結構受力分析

該工程隧道相關技術指標情況如表1所示。

表1 某高速公路隧道技術指標

針對大斷面隧道結構受力計算而言，主要采用荷載-結構法、地層-結構法以及有限元分析法等。本文選擇有限元軟件MADIS/GTS建立大斷面隧道二維平面模型，并分析初期支護與二次襯砌結構的受力狀態。

2.1 MADIS/GTS有限元軟件概述

MADIS/GTS有限元軟件由邁達斯公司研發，其可以實現土體、巖石等相關材料受力變形特點的精準模擬[2]，通過多面體單元與不同本構關系實現巖土體塑性流動的有效模擬，具備較強的處理能力，借助其內置模塊可完成大斷面隧道初期支護和二次襯砌單元的模擬，具體求解過程如圖1所示。

圖1 求解流程

2.2 大斷面隧道平面計算模型

以圣維南原理為基準，隧道項目可歸為平面應變范疇[3]?？紤]到大斷面隧道結構受力分析的復雜性，由此本文選擇二維平面模型實現隧道結構受力分析，且計算階段忽略時間效應、空間效應以及構造應力場，把圍巖、初期支護以及二次襯砌當作均質、連續以及各向同性材料。此外，采用莫爾-庫倫屈服準則[4]，圍巖為二維平面應變單元，初期支護和二次襯砌為一維梁單元，錨桿為一維桿單元，一共劃分成了2588個單元與3961個節點，地基彈簧視為“僅受壓彈簧”，圍巖、初期支護以及二次襯砌相關參數如表2所示。

表2 圍巖、初期支護以及二次襯砌物理力學參數

2.3 受力分析

（1）圍巖應力場。根據計算分析結果發現，IV級圍巖的最大應力處于邊墻位置，為0.46MPa，而拱腰與拱頂的應力數值分別為0.37MPa、0.08MPa。V級圍巖的最大應力處于下臺階分界拱腰位置，為0.61MPa，而邊墻與拱頂的應力數值分別是0.54MPa、0.31MPa。由此可得，大斷面隧道工程中拱腰到邊墻區域的圍巖壓力大于拱頂區域圍巖壓力。

（2）初期支護應力場。IV級圍巖下，初期支護最大應力處于邊墻區域，為1.73MPa，而上、下臺階交界位置拉應力為0.43MPa，拱頂受力相對偏小。V級圍巖下，初期支護最大應力處于拱頂區域，為4.68MPa，而上、下臺階交界區域的拉應力為3.7MPa。

（3）二次襯砌應力場。此大斷面隧道的二次襯砌應力基本為壓應力，其中最大壓應力處于拱腰與邊墻區域，同時局部位置具有拉應力。IV級圍巖下，二次襯砌最大壓應力為0.178MPa；V 級圍巖下，二次襯砌最大壓應力為0.305MPa。與初期支護對比，二次襯砌的壓應力相對偏小，由此可知，大斷面隧道中初期支護承受的荷載比較多。

3 大斷面隧道襯砌設計

3.1 系統錨桿設計

通過計算系統錨桿軸力發現，大斷面隧道應力承受載體是鋼拱架與噴射混凝土，錨桿承受的軸力相對較小，所以優化支護結構的承載作用微弱。在隧道圍巖發生塑性破壞之后，錨桿才會發揮出約束作用，對圍巖進行加固。由于錨桿注漿容易出現不密實現象，所以在大斷面隧道系統錨桿設計階段，需要強化錨桿注漿體和圍巖之間的黏結性，結合工程具體狀況合理增減注漿量。

3.2 襯砌厚度設計

通過分析MADIS/GTS計算結果發現，IV級圍巖與V級圍巖的實際受力情況基本處于同一水平，支護結構設計較為保守，可適當地減小初期支護級別[5]。上臺階的壓應力大于下臺階的壓應力，此區域應提升混凝土噴射層的厚度。所以大斷面隧道襯砌結構設計過程中應結合具體受力狀況實施合理的變截面設計，也就是承受壓應力較大的區域應提升混凝土噴射層的厚度，而承受壓應力較小的區域則要減小混凝土噴射層的厚度。

針對大斷面隧道而言，二次襯砌施工必須嚴格貫徹“新奧法”基本原則，綜合分析圍巖監控量數據，待到圍巖與初期支護變形處于穩定后，再確定具體的二次襯砌施工時間。

3.3 結構設計

大斷面隧道內輪廓尺寸需綜合考慮隧道工程的界限，通風設計的合理性以及施工的便捷性等諸多因素。隧道結構設計工作當中，必須充分重視初期支護結構設計工作，防止圍巖應力釋放造成隧道變形量過大而導致嚴重的坍塌事故。根據新奧法的原理，隧道開挖工作結束之后，圍巖會隨著時間的延長而產生一定的變形，待圍巖和初期支護變形基本穩定之后，方可施作二次襯砌。在設計工作當中需要基于不同的圍巖條件預留不同的變形量，避免因隧道圍巖變形量過大而影響到隧道的界限。

隧道初期支護采用噴錨支護工藝，通過高壓噴射水泥混凝土和打入巖層中的金屬錨桿的聯合作用，可以最大限度提高隧道支護結構的穩定性。錨桿部分使用中空注漿錨桿，基于隧道工程所屬區域的地質條件和的環境特點，對支護參數進行科學計算和分析。毛洞隧道圍巖的應力力狀態也稱為二次應力狀態，主要受隧道開挖方法、爆破方法等影響，同時和周圍巖土力學性能以及初始應力場之間也有著直接關聯。在隧道結構設計工作中需要充分重視圍巖壓力的變化。

4 結束語

文章結合某高速公路工程隧道實際情況，綜合分析了大斷面隧道圍巖、支護結構受力與設計方法。研究得出的主要結論如下：

（1）大斷面隧道結構受力情況尤為復雜，基本表現為隧道拱腳的應力集中，拱頂的穩定性相對偏差，無法形成良好的承載拱等；且支護方式設計與施工技術難度系數較大。

（2）大斷面隧道拱腰到邊墻區域的圍巖壓力大于拱頂區域的圍巖壓力，且大多數荷載是由初期支護結構承受；二次襯砌結構最大應力處于拱腰與邊墻區域，同時局部具有拉應力。

（3）系統錨桿設計過程中，需要強化錨桿注漿體和圍巖之間的黏結性，然后結合具體狀況合理增減注漿量；同時襯砌設計必須結合實際受力條件合理采用變截面設計。