既有公路扩挖隧道初支、二衬受力特性研究

谢支钢， 邹大成， 杨 俊， 丁雪菲， 梁 勇

(1.宜昌市夷陵区公路建设养护中心 湖北 宜昌 443100；2.三峡大学 湖北 宜昌 443002)

0 引言

近年来，随着国民经济的迅速发展，原有隧道已不能适应交通量日益增长的需求。由于运输机械的大型化和原有隧道的老旧化，并且其中一些旧隧道局部掉块、渗水情况严重，已不能满足交通运输需求，这就需要将既有公路隧道扩挖为更大断面隧道。关于既有隧道扩挖技术的研究，国内外虽有涉及，但文献不多，在既有隧道二次衬砌的设计和施工过程中还有许多问题需要解决，因此开展既有公路扩挖隧道初支、二衬受力特性的研究具有重要意义。

学者们开展了一系列研究，如张成良[1]利用监控测量数据反演分析中获得的蠕变参数，研究软岩大断面隧道岩体的变形规律和支护时机之间的关系；伍超[2]研究了室内模拟隧道在运营过程中承受的围岩压力，得到了大断面公路隧道二次衬砌受力、变形及破坏规律。刘国庆[3]对兰渝铁路高地应力软岩隧道的受力变形特点及二次衬砌的施作时机进行了研究分析，提出了具体建议，并对其安全性进行了模拟计算。房倩[4]对铁路隧道不同级别围岩条件下初支、二衬间的接触压力进行现场监测，认为二衬所受的荷载是初支传递过来的围岩形变压力。

然而这些研究多是针对新建隧道的初支与二次衬砌的受力特性分析，对于既有隧道的扩挖施工不一定适用。因为既有隧道扩挖与新建隧道扩挖的边界条件不同。既有隧道扩挖是在围岩应力释放到一定程度后进行的，在此之前，围岩已完成了蠕变变形，对外力的抵抗作用减小。相关施工研究成果中无成熟的设计方法和隧道扩挖施工技术，理论研究也较少涉及，既有隧道扩挖的二次衬砌支护设计和二次衬砌浇筑的施工时机没有成熟的理论和方法可以借鉴。为了研究既有公路扩挖隧道的初支、二衬受力特性[5]，本文以木鱼槽隧道为例，以监控数据为基础，采用“荷载结构法”进行建模，分析出在Ⅲ级围岩中，隧道初支和二衬的受力特性，为今后的既有公路隧道扩挖的二次衬砌支护参数设计及二次衬砌施工的施作时机提供参考。

1 工程概况

宜昌市夷陵区木鱼槽隧道、天柱山隧道和黄山洞隧道扩挖改造工程，位于宜巴公路。其中木鱼槽隧道全长556.5 m，最大埋深约120 m。隧道洞内路面及边沟破损严重，靠近出口段路面潮湿，基岩裂隙水发育，衬砌有滴水现象。隧道工程区地层区划隶属扬子地层区，主要为元古界震旦系上统灯影组(Z2dn)地层，为一套厚度较大的碳酸盐岩系，上部为灰白色中-厚层状微-细-中晶白云岩，下部为灰黑色厚层状硅质灰岩，与下伏陡山沱组呈整合接触，节理裂隙较发育，可见溶槽、溶蚀裂隙。区内雨量充沛，给地下水的储存创造了有利条件，地下水的活动对岩土体结构产生破坏，使其稳定性降低，进而造成各种地质灾害及环境地质问题。夷陵区木鱼槽隧道地区的地下水类型主要是第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水及岩溶水，工程区内岩溶发育。隧道穿越地段围岩级别为III～IV，洞口段为典型的浅埋偏压地段，地质条件较复杂。另外，木鱼槽隧道改造过程中，既有衬砌结构的破除和岩体开挖仍采用钻爆法，爆破振动对围岩的扰动较大。

2 现场监控量测

2.1 初支与二次衬砌接触压力测点布置

木鱼槽隧道现场初支与二次衬砌接触压力监控量测仪器采用常州市岩泰传感器公司的振弦式土压力计，该压力计的计算范围为0～2.0 MPa，使用范围为-25 ℃～60 ℃，防渗水压力为0.5 MPa，读数仪器采用振弦式读数仪[6-8]。

初支与二衬接触压力的计算公式为[9，10]

P=K(fi2-fo2)

(1)

式中：K为标定系数(kpa/Hz2)；P为接触压力(kpa)；fi为本次读数(Hz)；fo为初始读数(Hz)。

在木鱼槽隧道K27+281的横断面上布置5个压力盒，木鱼槽隧道现场量测点布置如图1所示。

图1 木鱼槽隧道初支与二次衬砌接触压力测点布置

由于压力盒紧贴Eva防水板，所以可以认为压力盒的读数即为初支与二次衬砌接触压力。

2.2 初支与二衬接触压力数据分析

木鱼槽隧道采用新奥法进行全断面扩挖施工，在完成初喷、锚杆支护、立钢拱架、复喷这些步骤后，随后进行二次衬砌的浇筑施工。根据图1在监控断面上埋设振弦式压力盒进行监控量测。实时测量出二次衬砌的受力情况，以此来指导施工二次衬砌最佳时机[10]。

现场量测木鱼槽隧道K27+281断面的初支与二次衬砌接触压力随时间变化如图2所示。

图2 木鱼槽隧道初支与二次衬砌接触压力数据

通过对木鱼槽隧道K27+281断面不同位置的接触压力测量结果，我们可以得出：

(1)初支与二次衬砌接触压力在支模后总体呈现迅速增加的趋势，在第二天拆模后接触压力迅速减小，随后逐渐缓慢增加，最终趋于平缓。

(2)左侧接触压力大于右侧接触压力，边墙处接触压力均大于拱顶处、拱腰处接触压力，接触压力最小值出现在拱顶部位。

(3)拱腰处接触应力在支模和拆模后应力变化幅度最大，其接触应力在支模后达到了250 kpa,拆模后应力降到30 kpa，变化了几乎220 kpa；拱顶处应力变化幅度较小。

2.3 初支与二次衬砌接触压力机理分析

根据现场实测的初支与二次衬砌接触压力，将25天后稳定的接触压力沿环向分布，画出其在隧道掌子面上的分布情况示意图(如图3所示)。

图3 木鱼槽隧道初支与二次衬砌接触压力分布(单位：kpa)

初期支护与二次衬砌接触压力在初期呈现迅速增加趋势，其原因是混凝土发生水化反应，混凝土刚度迅速增加，接触压力也迅速增加。随着水化反应的继续进行，在拆模前其接触压力达到最大值，此时二次衬砌处于复杂的三向受力状态。将二次衬砌台车撤走后，二次衬砌处于单向受力状态[11]，二衬台车不再提供支反力，接触压力迅速减小。随着支反力的移除，由围岩和支护结构来承受围岩的重分布应力，由于岩石的蠕变性质，随着时间的推移岩石缓慢变形，因此接触压力缓慢增加并趋于稳定。

隧道左侧部分的接触压力普遍大于隧道右侧的接触压力，这与隧道的地质构造是密不可分的。并且边墙处的接触压力大于拱腰处的接触压力大于拱顶处的接触压力，这是由于对于隧道衬砌而言，拱形结构承受荷载作用时，最大压力出现拱脚处，这与现场测量数据规律是吻合的。

3 既有公路隧道的计算模型

3.1 计算模型简化

基于2D隧道衬砌荷载结构法，将监控量测得到的径向的接触压力作为衬砌荷载，采用Midas GTS NX进行二次衬砌的弯矩和轴力的计算。

在建模计算中的二次衬砌采用1D梁单元，初支与衬砌之间节点采用曲面弹簧连接，且曲面弹簧为非线性结构，假定曲面弹簧处于围岩与衬砌之间仅受压，若结构处于受拉时，认为围岩与衬砌分离，无接触压力，后处理中求解类型为非线性静力分析。

3.2 物理力学参数

二次衬砌为C30素混凝土浇筑而成，二次衬砌相关参数取值如表1所示。

表1 二次衬砌的物理力学参数

根据现场勘测及室内试验结果，木鱼槽隧道K27+281断面周围岩体为白云岩，其岩石物理力学指标如表2所示。

表2 岩石物理力学指标

3.3 规范计算荷载作用下计算模型

根据规范[12]，III级围岩计算荷载的公式为

q=0.45×26-sγω

(2)

ω=1+i(B-5)

(3)

e=0.15q

(4)

式中：q为垂直土压力；r为围岩重度；s为围岩等级；w为隧道宽度影响系数；e为水平土压力。

在木鱼槽隧道K27+281断面的岩体为白云岩，重度取γ=24 kN/m3，围岩等级取s=3，最终计算q=117.504 kPa，e=17.625 kPa。木鱼槽隧道计算模型如图4所示[13]。

图4 木鱼槽隧道计算荷载模型

3.4 实测荷载作用下计算模型

采用荷载结构法进行Midas GTS NX建立模计算，将实测值作为二次衬砌受到的压力，建立的模型如图5所示。

图5 木鱼槽隧道实测荷载模型

4 数值计算结果分析

分别在计算荷载和实测荷载作用下木鱼槽隧道的二次衬砌的弯矩和轴力如图6至图9所示。

图6 木鱼槽隧道计算荷载轴力图

图7 木鱼槽隧道计算荷载弯矩图

图8 木鱼槽隧道实测荷载轴力图

图9 木鱼槽隧道实测荷载弯矩图

根据图6至图9中的数据，通过对比可知实际荷载作用下的二衬应力和计算荷载作用下的二衬应力之间存在一定差距，这是由于在理论计算中太过于理想化，而在工程实际中存在各种因素影响，造成两种荷载作用下的二衬内力有误差；另外在计算荷载作用下的弯矩最大值出现在拱顶处，这和实测情况有所区别，在实际情况下往往出现在应力集中的部位附近；由图9可知，在实测荷载作用下，在右侧边墙和右侧拱腰处弯矩值较大，并且二衬的弯矩和轴力均小于计算荷载作用下二衬的弯矩和轴力，这说明规范中对于深埋Ⅲ级围岩的地层侧压力系数为0.15与实际隧道扩挖工程有较大的误差；在实际荷载作用下右拱腰和右边墙处的弯矩值较大，可能会造成衬砌的局部开裂，因此可对局部进行加筋补强或适当增加预留变形量，提高二次衬砌的安全储备。

5 结论

(1)既有公路隧道的初期支护与二次衬砌接触压力在初期呈现迅速增加，在拆模前其接触压力达到最大值。在实际的隧道扩挖施工过程中，需要重点关注拆模时二次衬砌的受力情况，拆模时缓慢逐步拆模，使应力均匀释放，防止裂缝产生。

(2)隧道扩挖前应力长期处于平衡状态，扩挖时爆破振动及施工扰动的情况下，后续隧道应力重分布，但整个过程持续时间短、分布速度快，这一点和新扩挖的隧道是完全不同的。意味着既有隧道的二次衬砌的施工相比于新扩挖隧道可较早施工。

(3)实测荷载作用下整个隧道的受力远远小于计算荷载作用下的受力情况，这说明既有隧道的变形量远小于规范值，规范的设计往往偏安全。在实际的设计过程中，可将设计中预留5cm变形量适当减小，使整个隧道衬砌处于受力较好的情况。规范中对于深埋III级围岩的地层侧压力系数0.15与实际隧道扩挖工程中有所区别，有一定的不合理性。

(4)实测荷载作用下二次衬砌结构受力最不利的位置往往在局部位置，这与隧道的地质情况、开挖方式有关，与规范中认为拱顶处位置为二次衬砌最不利位置有所区别，在实际的施工过程中需要时刻控制超欠挖，避免隧道二次衬砌处于局部应力集中。