隧道设计施工理念对衬砌的影响分析

于强，刘玲

（四川省开江县建设工程质量安全监督站 四川 开江 636250）

1 引言

隧道工程设计施工理念是在修建隧道及地下工程的实践中，逐步建立起来的，并随着人们对围岩的认识和施工技术的发展而不断更新。工程界曾先后在不同的时期提出两大理论体系:松驰荷载理论和岩承理论，并针对该两种理论分别出现了传统矿山法和新奥法设计施工理念。传统矿山法是以木或钢构件作为临时支撑，待隧道开挖成型后，逐步将临时支撑换下来，而代之以整体式厚衬砌作为永久性支护的施工方法。新奥法的目的是在岩石或土层中开挖隧洞时，使围岩形成一个整体环状支承结构，成为支护结构的一部分。该方法的理论基础为上世纪50年代提出的“岩承理论”，或称“岩体力学理论”，其核心内容是:围岩稳定是岩体自身有承载自稳能力，不稳定围岩丧失稳定有一个过程的，如果在这个过程中提供必要的帮助或限制，则围岩仍然能够进入稳定状态。在我国新建隧道中，绝大部分均采用新奥法设计、施工。比如大渡河泸定水电站引水隧道[1]、贵阳花溪苗圃二号隧道[2]、陈家岭隧道[3]及引子渡水电站导流洞[4]等工程中，在不良地质环境中隧道[5]和大跨度复杂隧道[6][7]设计施工中也有应用。

为了研究传统矿山法与新奥法设计施工理念对隧道衬砌的力学行为的影响，本文采用有限元分析软件ANSYS来模拟不同理念的隧道设计、施工。

2 工程概况

向阳隧道全长564.75m，净宽9.0m，净高6.85m，侧墙高2.0m。衬砌断面形状为直墙等截面半圆拱，其拱圈内缘半径为4.50m，矢跨比为0.5。衬砌断面结构如图1所示。向阳隧道洞口段采用明洞开挖，洞身采用传统矿山法设计、施工。

八一隧道轴线与向阳隧道轴线基本平行，隧道最小间距大于7m，埋深约1.5～42.5m，隧道全长568.63m，净宽11.0m，净高6.85m，侧墙高4.7m。采用直墙变截面拱，其变截面拱圈内缘半径为6.875m，矢跨比约为0.25，洞身局部采用挂网、喷锚支护，衬砌断面结构如图2所示。八一隧道洞口段采用管棚法施工，洞身采用传统矿山法设计、施工。

图1 向阳隧道衬砌断面图

图2 八一隧道衬砌断面图

3 计算模型及参数

传统矿山法衬砌材料参数:根据设计资料，八一隧道衬砌主要为C15混凝土，部分为C20混凝土；向阳隧道的衬砌为C15混凝土。

新奥法衬砌材料参数:八一、向阳隧道原有衬砌类型为整体式模筑混凝土，所以在新奥法模拟开挖中，本文重新设计了初期支护结构—锚喷衬砌结构。初期衬砌结构的技术参数的选取参考现行的《公路隧道设计规范》(JTGD70—2004)，二次衬砌采用原有隧道结构的材料参数。计算参数见表1。

表1 衬砌材料参数

围岩力学参数的选取主要依据现场钻孔取样试验结果和隧道顶部建筑物勘察资料，结合工程实际情况，按《工程地质勘察规范》（DBJ 50-043-2005）对岩土体性质指标的相关规定，对围岩参数进行了调整。围岩参数调整为:当前岩石强度参数（试验数据）换算成当前岩体强度参数时，变形模量的折减系数为0.6，粘聚力的折减系数为0.2，内摩擦角的折减系数为0.85；参考时间效应时，强度参数均乘以0.95的系数。岩石参数与岩体参数见表2。

表2 围岩材料参数

本文选用自重应力场为初始应力场，围岩采用理想弹塑性本构关系，D-P屈服准则(Drucke-Prager)。

本文选用的模拟单元类型为:围岩与模筑衬砌均采用平面4节点实体线性单元 (plane42)；喷混凝土采用梁单元（Beam3）；锚杆采用2节点平面等参杆单元(linkl)。

计算模型的范围:隧道顶部为上覆岩层厚度约31m，深度取隧道底板以下八一隧道宽度的4倍，左右两侧分别取八一隧道宽度的4倍左右；该模型的尺寸为125m×855m；两隧道净距为20m。

计算模型左、右边界为X方向约束，底部边界为Y方向约束，顶部边界为自由边界。计算模型见图3。

图3 隧道有限元计算模型

4 不同理念下隧道施工模拟的步骤

4.1 传统矿山法施工模拟步骤

（1）向阳隧道上台阶开挖。

（2）向阳隧道下台阶开挖。

（3）向阳隧道衬砌浇筑。

（4）八一隧道上台阶开挖。

（5）八一隧道下台阶开挖。

（6）八一隧道衬砌浇筑。

由于传统矿山法施工中模筑混凝土的浇筑有一定的滞后性，所以在模筑混凝土的浇筑前围岩应力释放系数设为40%，模筑混凝土浇筑后围岩的应力释放系数设为60%。

4.2 新奥法施工模拟步骤

（1）向阳隧道上台阶开挖。

（2）向阳隧道上台阶锚喷支护。

（3）向阳隧道下台阶开挖。

（4）向阳隧道下台阶锚喷支护。

（5）向阳隧道衬砌浇筑。

（6）八一隧道上台阶开挖。

（7）八一隧道上台阶锚喷支护。

（8）八一隧道下台阶开挖。

（9）八一隧道下台阶锚喷支护。

（10）八一隧道衬砌浇筑。

依据《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)及关于应力释放系数研究的相关资料，以上各施工阶段的应力释放系数设为:围岩开挖阶段应力释放30%，喷射混凝土和打锚杆阶段应力释放50%，浇筑二次衬砌阶段应力释放20%。

5 不同理念下数值模拟结果分析

为了对采用不同理念设计、施工的隧道二衬受力状态进行研究，本文以八一隧道和向阳隧道为依托，分别采用传统矿山法和新奥法对它们进行数值模拟，其结果如下。

5.1 传统矿山法数值模拟结果分析

传统矿山法设计、施工下的二次衬砌计算结果见图4～图9。

图4 向阳隧道施工完成后向阳衬砌S1图

图5 向阳隧道施工完成后向阳衬砌S3图

图6 八一隧道施工完成后向阳衬砌S1图

图7 八一隧道施工完成后向阳衬砌S3图

图8 八一隧道施工完成后八一衬砌S1图

图9 八一隧道施工完成后八一衬砌S3图

从图4～图9可以看出，隧道施工完成后两隧道二次衬砌应力均出现应力集中现象，向阳隧道施工完成后，向阳隧道二次衬砌的第一主应力的最大值与最小值分别出现在基础底部和边墙墙脚内侧，量值分别为0.73MPa和-0.75MPa，第三主应力的最大值与最小值分别出现在边墙底部内侧和边墙基础的右上部，量值分别为-3.83MPa和-0.15MPa，向阳隧道衬砌拱部受力较均匀；八一隧道施工完成后，向阳隧道衬砌应力有所增加，均增加了5%左右，应力分布规律基本没有改变。八一隧道衬砌的第一主应力最大值与最小值分别出现在拱脚及边墙顶部的外侧和内侧，量值分别为1.70MPa和-1.70MPa，第三主应力的最大值与最小值也分别出现在拱脚及边墙顶部的外侧和内侧，量值分别为-7.56MPa和-0.34MPa，因此八一隧道拱脚及边墙顶部是整个衬砌的薄弱部位，也是最容易拉裂和压溃的部位，在运营期间的病害调查中，八一隧道拱脚及边墙顶部出现了大量的纵向和斜向裂缝，进一步验证了传统矿山法理念的不合理性。

5.2 新奥法数值模拟结果分析

新奥法设计、施工下的二次衬砌计算结果见图10～图15。

图10 向阳隧道施工完成后向阳衬砌S1图

图11 向阳隧道施工完成后向阳衬砌S3图

图12 八一隧道施工完成后向阳衬砌S1图

图13 八一隧道施工完成后向阳衬砌S3图

图14 八一隧道施工完成后八一衬砌S1图

图15 八一隧道施工完成后八一衬砌S3图

从图10～图15可以看出，两隧道施工完成后二次衬砌应力均出现局部应力集中现象，与传统矿山法施工的应力分布规律相同，但最大主应力与最小主应力比后者小60%～80%。计算结果比较见表3。

表3 两种施工方法的结果比较表

由表3及以上比较分析得出:由于传统矿山法与新奥法设计施工理念有着本质的区别，隧道二衬在不同设计施工理念下的力学状态也有很大的不同。新奥法设计施工理念认识到围岩是隧道结构的主要承载部分，充分发挥了围岩的自承能力，并与喷锚支护共同形成承载环，承担了因卸载而形成的围岩变形压力，二次衬砌作为后期的安全储备。而传统矿山法认为隧道模筑混凝土是作为主要的受力结构来抵抗围岩的变形压力，二者在理念上有很大的差异。因此两种施工方法下的二次衬砌受力状况有很大不同，新奥法施工下的二次衬砌受力较传统矿山法小得多，充分发挥了围岩、初期支护的承载作用。

6 结论

本文通过对八一隧道、向阳隧道两隧道采用传统矿山法及新奥法理念分别进行施工模拟分析，得到以下结论:

八一隧道、向阳隧道两座隧道均采用传统矿山法设计、施工，造成二次衬砌局部应力集中，特别是八一隧道拱脚截面突变处应力集中尤其明显，这也是运营期间八一隧道二次衬砌出现开裂的重要原因；

新奥法设计、施工下的二次衬砌应力较传统矿山法小得多，主要是由于新奥法充分发挥了围岩初次支护的共同承载作用；

新奥法是目前较合理的隧道工程设计、施工理念，按新奥法理念进行的设计和施工更符合隧道工程的特点。

[1]杨彦.大跨径黄土隧道施工技术及工法选型[J].铁道建筑技术，2010(3):100-104

[2]龚尔民.贵阳花溪苗圃二号大型连拱隧道数值计算[J].交通科技，2010(3):64-66

[3]廖胜君.新奥法在陈家岭隧道围岩施工中的应用[J].黑龙江交通科技，2010(7):98-99

[4]贾建宇.新奥法在引子渡水电站左岸导流洞施工中的应用[J].贵州水力发电，2002(3):50-52

[5]焦满岱.新奥法施工在不良地质地层巷道工程中的应用[J].甘肃冶金，2010(8):55-57

[6]方浩.新奥法在特大断面地下硐室施工中的应用[J].山西建筑，2011(1):64-65

[7]王晓锋.宜万铁路赵家岭隧道四线双连拱段新奥法施工技术[J].铁道标准设计，2010(8):138-141