长大隧道不同工法衬砌结构安全性模拟分析

吴占瑞

(中铁十一局集团有限公司 湖北武汉 430061)

1 前言

目前，我国公路隧道在西南、西北等山岭地区的建设长度和数量在不断攀升[1]，同时穿越地质环境恶劣的断层、破碎围岩特长隧道工程不断涌现[2-3]，如我国包家山公路隧道、华鉴山公路隧道、格巧蒙姑隧道等[4]。 特长公路隧道在开挖过程中，往往伴随着围岩破碎、地下涌水、隧道塌方、应力释放周期长等问题[5-6]。 对于上述问题，不同施工方法的选择尤其重要，由于各工法工序转换、开挖形式等不同[7]，对隧道周边围岩的稳定和安全及工期目标等均会造成不同的影响。

本文依托西南地区格巧高速公路蒙姑隧道为工程背景，拟采取理论分析、数值计算等手段，重点对Ⅴ级围岩段的隧道进行系统的施工安全模拟分析，提出隧道最佳的开挖方法，指导隧道安全、快速施工。

2 工程概况

蒙姑隧道为分离式隧道，隧道前2.0 km 呈直线型，终点端前段呈S 状圆弧型。 左线总长3 410 m，Ⅴ级围岩长1 348 m，占39. 53%。 Ⅳ级围岩长2 062 m，占60.47%；右线总长3 463 m，Ⅴ级围岩长1 389 m，占40. 11%。 Ⅳ级围岩长2 074 m，占59.89%；最大埋深约372 m。

隧道中线高程819 ～1 309 m，山体自然坡度25° ～45°，地表植被发育。 隧道进口位于山前陡坡地段，出口位于山前缘缓坡地带，山坡处于基本稳定状态。

3 计算模型及相关参数

(1)计算模型

土体用平面应变单元进行模拟，初期支护、二次衬砌采用梁单元进行模拟，锚杆采用植入式桁架单元[8]。 模型尺寸长×高＝100 m ×88 m，隧道顶部埋深30 m，实际土体高度不足部分，以施加实际高度土体荷载替代[9]。 在Ⅴ级围岩条件下，重点对双侧壁导坑法、CRD 法、CD 法[10]进行模拟比较。

(2)支护结构及围岩参数

①支护结构

支护结构主要分为初期支护结构和二次衬砌结构，二者的力学参数如表1 所示。

表1 初支及二衬结构力学参数

②支护结构及围岩物理力学参数

超期预加固的围岩采用提高围岩参数一个级别的方法研究，即采用Ⅳ级围岩参数模拟超前预支护方法，临时支护采用Beam 结构单元模拟，土体、初支和二衬均以三维实体单元模拟[11]；表2 为围岩的物理力学参数。

表2 围岩的物理力学参数

4 安全系数法计算依据

根据有限元分析得到的衬砌结构受力结果，对其进行安全校核。

(1)安全系数控制指标

根据《公路隧道设计规范》规定[12]，混凝土安全系数控制指标如表3 所示。

表3 强度安全系数指标

(2)大偏心构件安全系数计算依据

依据《公路隧道设计规范》，其截面强度应按下式计算：

式中，K为安全系数，当K≥2 时二衬满足要求；N为轴向力；Rg为钢筋的抗拉或抗压强度；Rw为混凝土弯曲抗压极限强度；x为混凝土受压区高度；b为计算截面宽度，取单位长度b＝1 m；h0为截面有效高度；A′g和Ag为混凝土受压区和受拉区钢筋的截面面积。

(3)小偏心构件安全系数计算依据

按照《公路隧道设计规范》，其截面强度按下式计算：

式中，a′为A′g的重心至截面最近边缘的距离；其余符号同上所述。

(4)素混凝土安全系数计算依据

依据《公路隧道设计规范》，素混凝土安全系数应按如下所述计算：

①混凝土和砌体矩形截面中心及偏心受压构件的抗压强度应按下式计算：

②从抗裂要求出发，混凝土矩形截面偏心受压构件的抗拉强度应按下式计算：式中，Ra为混凝土的抗压极限强度；K为安全系数；N为轴向力；b为计算截面宽度；h为截面的厚度；φ为构件的纵向弯曲系数，对于隧道衬砌，可取1；a为轴向力的偏心影响系数；R1为混凝土的抗拉极限强度；e0为截面偏心距。

5 不同施工方法结构计算分析

5.1 双侧壁导坑法施工

(1)初期支护受力分析

模拟在Ⅴ级围岩条件下，采用双侧壁导坑法施工，各工序初期支护受力情况。 具体如图1 和图2 所示。

图1 开挖轴力图

图2 开挖弯矩图

通过上述模型计算，比较各施工阶段初期支护所受压力，初期支护所受压力最大的阶段是在左下侧土体开挖支护完成之后，最大压力为2 662 kN，等效压应力约为8.873 MPa，而初支混凝土抗压强度设计值为11.5 MPa，大于衬砌的承压值满足结构安全需要。

再对各施工阶段初支弯矩值进行比较，初期支护所承受弯矩最大阶段是在中部中间土体开挖初期支护完成后，最大值为316 kN·m，最大值发生在上部和两个底脚临时支撑的交点处，当隧道左侧下台阶开挖完成后最大弯矩值为303 kN·m。型钢型号为22b，间距600 mm，初支截面拱部厚300 mm，仰拱厚300 mm 根据型钢混凝土受弯构件计算，初支最大弯矩设计值为568 kN·m，考虑最大值是发生在临时支撑的奇点处，对隧道后期影响不大，且初支弯矩最大承受值大于施工过程中初支承受的最大弯矩，隧道施工过程中满足安全要求。

(2)二衬安全系数计算

通过安全系数计算原理，从模型计算结果中提取相应断面数据可得二次衬砌的各个断面安全系数。 从洞口沿轴向开挖方向，每隔5 m 取一个断面，分别取6 个断面进行计算。 计算结果如表4 所示。

表4 二衬结构安全系数

(3)衬砌结构变形

通过数值计算，Ⅴ级围岩采用双侧壁导坑法初期支护及二次衬砌均能满足规范要求，且安全性有一定富余，隧道拱顶位移为16.9 mm，水平收敛值为10.59 mm，均符合规范要求，双侧壁导坑法在本隧道工程中是可行的施工工法。

5.2 CRD 法施工

(1)初期支护受力分析

模拟在Ⅴ级围岩条件下，采用CRD 法施工，各工序初期支护受力情况。 具体如图3 和图4 所示。

图3 开挖轴力图

图4 右下侧开挖弯矩图

通过上述模型计算，比较各施工阶段初期支护所受轴力，初期支护所受压力最大的阶段是在左下侧土体开挖支护完成之后，最大压力为2 721 kN，等效压应力约为9.07 MPa，而初支混凝土抗压强度设计值为11.5 MPa，大于衬砌的承压值满足结构安全需要。

对各施工阶段初支弯矩值进行比较，初期支护所承受弯矩最大阶段是在右部中间土体开挖初期支护完成后，最大值为517 kN·m，最大值发生在中部交叉临时支撑的交点处，当隧道开挖完成后初支最大弯矩值为488 kN·m。型钢型号为 22b，间距600 mm，初支截面拱部厚300 mm，仰拱厚300 mm。根据型钢混凝土受弯构件计算，初支最大弯矩设计值为568 kN·m，考虑最大值是发生在临时支撑的奇点处，对隧道后期影响不大，且初支弯矩最大承受值大于施工过程中初支承受的最大弯矩，隧道施工过程中满足安全要求。

(2)二衬安全系数计算

从模型计算结果中提取相应断面数据，计算可得二次衬砌的各个断面安全系数的计算结果如表5所示。

表5 二衬结构安全系数

(3)衬砌结构变形

通过数值计算，Ⅴ级围岩采用CRD 施工工法初期支护及二次衬砌均能满足规范要求，且安全性也有一定富余，隧道拱顶模拟位移为18.89 mm，水平收敛值为32.09 mm，也基本符合规范要求，CRD 施工工法在本隧道工程中是可行的施工工法。

5.3 CD 法施工

Ⅴ级围岩采用CD 法施工，通过建立相同模型进行计算可得初支受力如图5 和图6 所示。

图5 开挖轴力图

图6 开挖弯矩图

从模型计算过程来看，模型在计算到左侧中部开挖时，就已经无法计算收敛，此时，初期支护最大轴力为1 246.95 kN，初支底脚与围岩接触节点的压力为698 kN，此时对于节点处岩体所产生的压应力为2.3 MPa，而勘查资料所提供的Ⅴ级围岩的承载力容许值范围为0.3 ～1.5 MPa，显然，此时土体已经发生破坏，初支脚部直接陷入土体中，导致模型计算无法收敛，此时，初支在围岩压力作用下，发生较大变形，而且极可能发生失稳破坏。 所以该工程在Ⅴ级围岩条件下，不适合采用CD 法进行开挖。

6 结论

依托格巧高速公路蒙姑隧道工程，针对Ⅴ级破碎围岩条件下所采用的不同施工工法进行模型计算分析，并得出以下结论：

(1)采用双侧壁导坑法施工，初期支护所受压力最大的阶段是在左下侧土体开挖支护完成之后；初期支护所承受弯矩最大阶段是在中部中间土体开挖初期支护完成后，最大值发生在上部和两个底脚临时支撑的交点处。

(2)采用CRD 工法施工，初期支护所受压力最大的阶段是在左下侧土体开挖支护完成之后；初期支护所承受弯矩最大阶段是在右部中间土体开挖初期支护完成后，最大值发生在中部交叉临时支撑的交点处。

(3)Ⅴ级破碎围岩条件下，双侧壁导坑法和CRD 法均是可行的，能满足安全施工要求，而CD 法不能满足安全稳定性要求，不能在该级围岩条件下使用，鉴于CRD 法相对双侧壁导坑法工艺简单，施工工期短，且临时支护工程量大大减少，在围岩条件相对较好的Ⅴ级围岩区段，建议采用CRD 法进行开挖，而在围岩条件很差或者浅埋偏压区段建议采用双侧壁导坑法进行开挖。