公路隧道竖井支护厚度影响分析

魏福贵， 李 鳌， 雷 杨， 黎 倩， 田青峰

(1. 四川川交路桥有限责任公司， 四川广汉 618300; 2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

近年来我国基础建设事业蓬勃发展，全国范围内高速公路里程不断增加，尤其是在我国多山多岭的西南区域高速公路更是交通事业发展的重点。由于多山多岭的区域特点，难以避免会出现长大型公路隧道。长大公路隧道的修建需克服许多困难，其中通风竖井的修建便是其一。

目前在公路隧道领域，为通风和辅助施工需要，竖井工程施工越来越多。但一直至今为止都没有一套完整的标准或规范对公路隧道竖井施工进行指导。在竖井施工中最关键的因素莫过于支护，支护方式和支护厚度的选择和确定是竖井安全施工的关键。

在此方面已有许多国内外学者进行研究，也不乏有许多成果。李辉[1]以某软岩地质水电站闸门竖井为例，利用弹塑性力学和结构力学进行竖井支护方案对比分析，通过计算比较发现对于软岩竖井开挖可用混凝土衬砌作为主要支护，锚杆支护只可用作临时辅助；杨官涛[2]利用围岩—支护相互作用原理，推导出了竖井围岩和支护的应力、位移和支护厚度的计算公式，建立安全系数评价方法，为支护厚度的确定提供了依据；吴梅[3]以两河口水电站建筑物系统为工程依托，较为全面的分析总结了在竖井施工中可能会出现的安全事故，并逐步进行预防措施施作，保证了施工安全；崔浩[4]针对极寒地区深井支护工程为依托，利用理论分析和现场测试手段进行探究，对原设计进行优化，确定了在高寒地区深井所需的合理支护厚度；李广健[5]对竖井反井施工和滑模施工常见的各种问题进行分析，提出可行的竖井施工方案，并提出了合理的初支和二衬支护参数，适用于岩层倾角较小的竖井工程；樊建华[6]利用模糊综合评价法等理论对深井开挖支护方案进行优化确定，得出结论：利用不同方法进行支护时得到的结果并不一致，更关键的是根据实际工程情况进行合理选择；郭旗[7]利用喷射混凝土支护来代替浇筑混凝土支护对哈图金矿竖井马头门以上部分进行支护，提升了建井速度，降低了建井成本；竖井在支护设计时必须考虑到实际工程所决定的工程条件，现有竖井施工中基本都是采用整体式的混凝土支护[8]。

胡志耀[9]针对国内暗挖地铁竖井多采用类比法进行设计施工的现状，以土岩结合地区地铁工程为背景进行理论分析，并辅以数值计算进行验证得到不同地质条件下竖井断面形式和支护参数的选取方法；郭继林[10]等以径深比较小的官田隧道竖井为工程依托，使用空气潜孔锤代替传统反井钻机钻头进行反井法钻进，形成一套适用于径深比较小的反井施工技术。

从以上分析可以知道，现有竖井研究涉及各个方面，各位专家和学者利用各种手段和方法对竖井断面和支护进行研究探讨，并且获得一些可用成果，但在单纯地竖井衬砌支护厚度方面鲜有提出，对于岩石地质条件下竖井衬砌厚度变化造成的竖井围岩应力变化研究较少。

因此本文以岩石条件下采用短段掘砌混合作业法公路隧道竖井为工程依托，探究不同衬砌厚度对竖井开挖围岩应力的影响，总结出衬砌厚度和围岩应力的影响规律，确定最佳的竖井衬砌厚度，达到在保证施工安全的同时，节省施工时间和施工成本。

1 工程概况

本文依托竖井工程所在隧道长8.8 km，右洞在 K18+570测设线右侧60 m设置一座通风竖井，竖井深 227.5 m，其中V级围岩段62.5 m，上部主要为卵石土及中砂，下部为强-中风化砾岩，卵石土呈稍密-中密状，粒间充填粉质黏土，砾岩风化强烈，节理裂隙发育，岩体破碎；Ⅳ级围岩段165 m，岩性主要为中厚层状的中风化砾岩，节理裂隙较发育，砾岩为较硬岩。竖井内径为9.6 m，外径10.8 m，衬砌厚度60 cm，竖井结构可见图1。竖井采用短段掘砌混合作业法进行施工，施工步距为4 m，施工流程可见图2。 63.0～230.6 m 测深范围的最大水平主应力为3.7～12.6 MPa，最小水平主应力为2.7～7.6 MPa，竖向应力σz为1.6～6.0 MPa最大主应力方向为北偏东74 °。

图1 竖井结构示意(单位：cm)

图2 竖井施工流程

2 现有竖井支护理论

众所周知目前有关竖井施工支护多采用挡土墙理论进行支护设计，但是挡土墙理论的局限性在于其仅适用于岩土或者松散软岩地质条件，对于岩石条件下的竖井施工并不适用。

现有公路隧道竖井地层多是岩石地层，在设计施工时多是借用矿山领域竖井设计施工方法。具体理论如下；

在井筒周边取一小块单元体来研究，如图3所示。其上作用竖向应力σz=γH，水平应力σθ=2μγH/(1-μ)，而σr为0,在判定出σz与σθ哪个是最大主应力σmax后，用σmax绘制莫尔圆，看其是否与强度曲线相切。如果莫尔圆在岩体强度曲线以下，说明衍生的剪应力τ<σtanφ+C，因而，井帮是稳定的；如果其与强度曲线相切，则说明井壁岩体处于极限平衡状态。

当井壁岩体处于极限平衡状态时，根据摩尔圆与强度曲线相切的关系，有：

sinφ=(σmax/2)/(Ccotφ+σmax/2)

(σmax/2)(1-sinφ)=Ccotφsinφ=Ccosφ

所以：

σmax=2Ccosφ/(1-sinφ)

故井帮稳定条件为：

σmax≤2Ccosφ/(1-sinφ)

或

σmax≤2Ccosφ/(1-sinφ)

=2Csin(90°+φ)/[1+cos(90°+φ)]

=2Ctan[(90°+φ)/2]

(a) 受力状况

(b) 摩尔圆图3 极限平衡状态和摩尔圆

所以：

σmax≤2Ctan[(90°+φ)/2]

以上便是现有公路隧道竖井设计施工所采用的围岩应力计算理论，在矿山竖井领域采用此种计算理论并无不妥，因为矿山竖井兼有生产运营需求。但对于公路隧道通风竖井而言，尤其是采用短段掘砌混合作业法进行施工的竖井采用此理论进行设计施工所采用的的支护方式是偏于保守的。

3 数值计算

3.1 计算条件

为探明在短段掘砌混合作业法施工情况下不同衬砌厚度对公路隧道竖井施工的影响，本文以竖井工程V级围岩段为例进行计算模拟。选取有限元计算软件MIDAS GTS进行模拟，考虑到依托工程围岩裂隙较发育的实际情况，围岩参数取值见表1。

分别设置衬砌厚度为60 cm、40 cm、20 cm进行计算模拟，探究竖井围岩在不同情况下的围岩应力变化和变形情况。

表1 围岩参数

计算模型如图4所示，除衬砌厚度外，其他条件均一致。计算模型长40 m，宽40 m，高56 m。

图4 计算模型

宝鼎2号竖井实际施工过程中，采用的是短段掘砌混合作业法配合模筑混凝土衬砌，施工过程中开挖步距为4 m，开挖出碴后即开始施做模筑混凝土。计算过程中，按照宝鼎2号隧道实际施工步距和施工步骤进行模拟，在计算中共计设置10个施工循环，底部留出16 m高度不开挖。

3.2 计算结果

3.2.1 不同衬砌厚度结构等效应力

根据计算结果对不同衬砌厚度下最靠近衬砌外侧的围岩单元的应力及位移情况进行分析，其对比数据如图5所示。

图5 不同衬砌厚度结构等效应力

从图5可以看出，在不同衬砌厚度情况下围岩应力均是随着竖井深度增加没有较大波动，但是当竖井开挖深度超过30 m时，围岩应力出现陡增情况。直至开挖完毕后竖井围岩应力开始下降并在44～52 m范围内有较大波动。三种工况下最大围岩应力均出现在40 m埋深处，并且40 cm衬砌厚度时，围岩应力最大，为1 MPa左右，60 cm衬砌厚度次之，约为0.97 MPa，20 cm衬砌厚度时围岩应力最小，为0.8 MPa。可以发现周边围岩应力的大小并不是单纯地随衬砌厚度的增加而增加或者是随衬砌厚度增加而降低的关系。在开挖至32 m之前，三种工况下周边围岩应力大小关系符合三种工况下衬砌厚度的大小关系，但是在32 m之后，40 cm衬砌厚度时围岩应力增加最多，随之便是60 cm衬砌厚度，20 cm衬砌厚度时增加最少，并且20 cm衬砌厚度工况，围岩应力最先开始增加。

3.2.2 不同衬砌厚度下围岩位移情况

不同衬砌厚度下周边围岩的竖向位移均是随着深度的增加而增加，直至36 m深度处，位移达到最大，当深度继续增加时，周边围岩竖向位移逐渐降低。不同于围岩应力的变化规律，围岩竖向位移并未出现在竖井底部，反而出现在36 m左右位置。40 cm衬砌厚度时最大竖向位移为2.5 mm，而20 cm和60 cm厚度衬砌的最大竖向位移均在2.3 mm左右(图6)。

图6 不同衬砌厚度围岩竖向位移

不同衬砌厚度工况下，竖井围岩径向位移情况变化规律基本与竖向位移变化规律保持一致。不同之处就在于在36～40 m开挖深度时，径向位移降低幅度比之竖向位移大出许多。并且从40 m至44 m处有增加趋势，然后随深度增加继续减小(图7)。

图7 不同衬砌厚度围岩径向位移

4 结论

根据本文对公路隧道通风竖井以上分析结果可得出以下结论：

(1)竖井开挖后，对掌子面以下围岩的影响范围在12～16 m左右，即3～4个施工循环。三种各工况下，40 cm衬砌厚度时竖井底部周边围岩的位移和应力均是最大的。基于此，可以得出在竖井设计施工时并非是衬砌越厚越好，对于宝鼎二号隧道竖井而言，在40 cm衬砌厚度附近应有一个最佳衬砌厚度值，既能保证结构安全，又可以降低施工混凝土用量。

(2)从本文中分析可以看出不同断面最大围岩压力及应变均出现在最大水平主应力方向附近，因此在竖井施工期间需对最大水平主应力方向附近围岩加强关注。

(3)通过对不同断面围岩压力情况分析可以得到，采用短段掘砌混合作业法进行竖井施工时，围岩性质和围岩的完整性对围岩压力影响较大，尤其是在一定深度范围内(本依托工程中为150 m左右)，其影响要超过围岩深度影响。