公路隧道裝配式襯砌荷載分擔(dān)比研究

徐洪彬,李 鵬,譚 忠

（1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610041；2.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司,重慶 400013）

引言

國(guó)際隧協(xié)ITA 統(tǒng)計(jì)顯示,我國(guó)已成為全球隧道數(shù)量最多、建設(shè)規(guī)模最大、發(fā)展速度最快的國(guó)家。在我國(guó)公路隧道建設(shè)過(guò)程中新奧法得到廣泛應(yīng)用,基于新奧法的復(fù)合式支護(hù)體系也得到了大量工程的驗(yàn)證,然而現(xiàn)行規(guī)范中關(guān)于復(fù)合式襯砌的荷載分擔(dān)比例劃分仍存在不小爭(zhēng)議。根據(jù)項(xiàng)目組前期的研究工作[1-3],要在新奧法施工的公路隧道中設(shè)計(jì)和應(yīng)用裝配式襯砌,明確選擇了裝配式工藝下襯砌結(jié)構(gòu)的荷載分擔(dān)比例勢(shì)在必行。

本研究通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合數(shù)值仿真分析并開展大量文獻(xiàn)調(diào)研對(duì)山嶺公路裝配式隧道襯砌結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)荷載分擔(dān)比例展開研究,分析了在采用鉆爆法進(jìn)行開挖施工時(shí),單洞兩車道山嶺公路隧道的二次襯砌結(jié)構(gòu)在不同圍巖地質(zhì)等級(jí)等情況下的荷載分擔(dān)關(guān)系。

1 支護(hù)結(jié)構(gòu)相互關(guān)系

1.1 裝配式二次襯砌荷載分擔(dān)比例的影響因素

新奧法理論指導(dǎo)下,鉆爆施工后需及時(shí)施作初期支護(hù),初支具有一定柔性,能夠與圍巖共同變形、共同承載,起到發(fā)揮圍巖自我承載能力的作用。初支與二次襯砌之間主要傳遞徑向力,實(shí)現(xiàn)了類似疊合梁結(jié)構(gòu)的承載模式。圍巖、初支與二次襯砌共同構(gòu)成了抵抗圍巖變形的承載體系,明確具體的荷載分擔(dān)比例是指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場(chǎng)施工的重要依據(jù)。

通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)大量工程實(shí)例,山嶺公路隧道工程中裝配式襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)用并不廣泛,且應(yīng)用結(jié)構(gòu)的受力模式與傳統(tǒng)現(xiàn)澆襯砌結(jié)構(gòu)相差較大。根據(jù)現(xiàn)有山嶺公路隧道工程實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn),伴隨著掌子面開挖后,會(huì)發(fā)生圍巖應(yīng)力重分布,釋放圍巖荷載的承載體與施工工藝相關(guān)度較高（即與襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)施作時(shí)間、支護(hù)結(jié)構(gòu)形式相關(guān)）。不同施工階段期,承載圍巖壓力的主體不同,圍巖、初支結(jié)構(gòu)與二襯結(jié)構(gòu)的荷載分擔(dān)系數(shù)也不相同。這是一個(gè)極為復(fù)雜的變化過(guò)程。通過(guò)調(diào)研,二襯結(jié)構(gòu)的不同位置在建設(shè)周期內(nèi)都承擔(dān)了一定比例的荷載。在實(shí)際施工、營(yíng)運(yùn)期間,圍巖、初期支護(hù)以及二襯的荷載分擔(dān)系數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況具體分析。受襯砌條件等影響的同時(shí),荷載分擔(dān)比對(duì)襯砌厚度與結(jié)構(gòu)剛度有一定的影響,且施作時(shí)機(jī)和支護(hù)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。二襯結(jié)構(gòu)荷載分擔(dān)比對(duì)確定二襯厚度有指導(dǎo)意義。圍巖分級(jí)與二襯施作時(shí)間對(duì)荷載分擔(dān)比有較大影響。二襯施作時(shí)間也直接受到圍巖等級(jí)的影響。

本研究以山嶺公路隧道工程施作為出發(fā)點(diǎn),選擇不同圍巖級(jí)別下,研究采用不同裝配時(shí)機(jī)（同步裝配、貫通裝配、滯后裝配）下、不同工況下,襯砌結(jié)構(gòu)的荷載分擔(dān)比。

1.2 荷載分擔(dān)比的研究方法

目前,二襯荷載比的研究方法多通過(guò)實(shí)測(cè)層間接觸壓力并通過(guò)計(jì)算得到比例系數(shù)：通過(guò)在初支與圍巖間設(shè)置壓力盒,在初支與二襯間設(shè)置壓力盒,分別測(cè)得圍巖- 初支接觸壓力、初支- 二襯接觸壓力,完成測(cè)得一個(gè)或多個(gè)橫斷面的圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的壓力數(shù)據(jù)后,將二襯荷載分擔(dān)比定義為初支二襯接觸壓力與圍巖初支接觸壓力的比值,用符號(hào)G 表示。為使取值更加精確,取多個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值的平均值。

2 荷載分擔(dān)比研究

2.1 統(tǒng)計(jì)分析

查閱大量工程實(shí)例及文獻(xiàn)查閱[4-10]總結(jié)提出不同工況下的二次襯砌荷載分擔(dān)比。

表1 中工況均為屬于或接近深埋斷面、滯后裝配的情況。分析可知,在滯后裝配以及深埋斷面的工況條件下,二襯荷載分擔(dān)比值具有以下特征：

表1 二次襯砌荷載分擔(dān)比統(tǒng)計(jì)

（1） 當(dāng)圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí)時(shí),二襯荷載分擔(dān)比值在10%～30%。

（2） 當(dāng)圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)時(shí),二襯荷載分擔(dān)比值在20%～50%。

（3） 當(dāng)圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)時(shí),二襯荷載分擔(dān)比值在20%～80%。

由于實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)難以進(jìn)行變量控制細(xì)化分類,因此二襯荷載分擔(dān)比結(jié)果值較為離散,結(jié)論有一定偏差,且與規(guī)范有一定偏差。

2.2 工程實(shí)測(cè)分析

2.2.1 工程概況

以華麗高速公路某隧道工程為依托項(xiàng)目。隧道采用新奧法進(jìn)行施工,隧道內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)采用三心圓斷面。一般情況下,圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí)時(shí),應(yīng)采用全斷面法施工；圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)時(shí),應(yīng)采用臺(tái)階法。采用噴射混凝土的方式進(jìn)行初支澆筑,待圍巖變形值趨于穩(wěn)定后,進(jìn)行二襯的澆筑。隧道支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 隧道支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

分別在級(jí)別為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)的圍巖中選擇多組斷面布置測(cè)點(diǎn)埋設(shè)壓力盒以測(cè)得圍巖壓力。測(cè)點(diǎn)位置設(shè)置在拱頂、兩側(cè)拱腰及兩側(cè)邊墻共計(jì)單環(huán)斷面布置5個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)。

2.2.2 工程應(yīng)用效果分析與評(píng)價(jià)

（1） 實(shí)測(cè)值與經(jīng)驗(yàn)值對(duì)比 根據(jù)“公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范”提供的經(jīng)驗(yàn)公式,計(jì)算得到圍巖壓力數(shù)值。將計(jì)算得經(jīng)驗(yàn)值與實(shí)測(cè)圍巖壓力進(jìn)行對(duì)比。

分析表3 可知,計(jì)算得經(jīng)驗(yàn)值均大于實(shí)測(cè)值,原因由以下幾點(diǎn)：① 圍巖承載后發(fā)生形變并分擔(dān)部分壓力；② 由于隧道開挖斷面的存在,圍巖壓力得到釋放。因此實(shí)測(cè)值并非圍巖壓力的全部數(shù)值,導(dǎo)致實(shí)測(cè)值小于經(jīng)驗(yàn)值。這也驗(yàn)證了“公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范”經(jīng)驗(yàn)公式的適用。

表3 圍巖壓力統(tǒng)計(jì)

（2） 二襯荷載分擔(dān)比分析 以實(shí)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)為依據(jù),對(duì)二襯荷載分擔(dān)比展開研究。選取不同圍巖級(jí)別下,通過(guò)壓力盒采集到的具有代表性的3 組斷面數(shù)據(jù)作為標(biāo)本進(jìn)行分析。

由表4 可知,隧道二次襯砌的荷載分擔(dān)比例隨圍巖等級(jí)的增加而增大。

表4 實(shí)測(cè)隧道二次襯砌荷載分擔(dān)比統(tǒng)計(jì)

2.3 二次襯砌荷載分擔(dān)比例數(shù)值模擬

2.3.1 計(jì)算模型與參數(shù)

（1） 基本假設(shè) 本研究采用地層結(jié)構(gòu)法展開分析。為便于建模,減少計(jì)算量,提出以下計(jì)算假定：圍巖本構(gòu)選取莫爾- 庫(kù)倫準(zhǔn)則,認(rèn)為圍巖為均質(zhì)體且各向同性；認(rèn)為地下水處置得當(dāng),隧址區(qū)已無(wú)地下水；設(shè)定隧道形式為分離式,故僅建立單洞模型進(jìn)行仿真分析。

（2） 計(jì)算模型 模型見(jiàn)圖1。隧道洞徑寬10.9 m,高7.05 m。為模擬襯砌與圍巖的相互作用,在襯砌與圍巖網(wǎng)格間設(shè)置接觸,同時(shí)方便在后處理中提取接觸壓力值。

圖1 有限元模型網(wǎng)格圖

計(jì)算工況主要考慮多種影響因素,如圍巖級(jí)別等。設(shè)置三種不同圍巖級(jí)別的工況。并按照公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范,按梯次設(shè)計(jì)力學(xué)參數(shù)。分析工況累計(jì)設(shè)置80 種。

2.3.2 計(jì)算結(jié)果分析

模擬得到不同工況下的二襯荷載分擔(dān)比例,分析結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 二次襯砌荷載分擔(dān)比模擬分析結(jié)果

（1） 拱頂部位的二次襯砌荷載分擔(dān)要小于拱腰和邊墻位置的荷載分擔(dān)。

（2） 采用同步裝配的二次襯砌的荷載分擔(dān)比接近于1。因此應(yīng)根據(jù)具體圍巖情況選取合適的裝配時(shí)機(jī)。

（3） 與淺埋工況下相比,深埋工況下,二襯荷載分擔(dān)比較小。

2.4 裝配式襯砌荷載分擔(dān)比建議值

本研究根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),加以廣泛的文獻(xiàn)調(diào)研等,提出不同圍巖級(jí)別、不同施工工藝下支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)及襯砌的荷載分擔(dān)規(guī)律,現(xiàn)提出裝配式襯砌荷載分擔(dān)比建議值見(jiàn)表6。

表6 二次襯砌荷載分擔(dān)比建議值

3 結(jié)論

（1） 裝配式二次襯砌荷載分擔(dān)比的影響因素為圍巖級(jí)別、二襯施作時(shí)間、襯砌參數(shù)等。

（2） 確定了裝配式二次襯砌荷載分擔(dān)比的研究方法和計(jì)算公式。通過(guò)對(duì)比經(jīng)驗(yàn)值與實(shí)測(cè)值的大小,驗(yàn)證現(xiàn)行規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式的合理適用。

（3） 總結(jié)提出裝配式襯砌荷載分擔(dān)比設(shè)計(jì)建議選用值。