公路隧道衬砌结构数值模拟分析

2022-10-18谭涛

黑龙江交通科技 2022年10期

谭涛

(江西东通交通科技股份有限公司，江西南昌 330013)

0 引言

随着我国经济及基础建设的高速发展，隧道建设数量越来越多，遇到的岩土地质情况也愈加复杂。在隧道开挖时，隧道周围岩体在应力重分布的影响下会导致多方面且不同程度的损伤，故在进行隧道开挖施工时，需及时采取支护措施以确保隧道开挖掌子面及周围岩体的稳定[1-3]。

1 隧道工程概况

雪落寨隧道为湖北省宣恩县内一座单向公路隧道，设计时速40 km/h，按二级标准设计、修筑而成。隧道起讫里程桩号：K37+225～K38+350，全长约1 125 m，属于中长隧道。隧道路线处于直线段，其路面横坡为双向坡2%，隧道内纵坡为±3%。据雪落寨隧道工程勘察报告显示，该区岩层主要为泥质灰岩，中风化，可见大量的灰色泥质条纹，局部夹有白云质灰岩及炭质灰岩。隧道出口附近为粉质黏土，局部夹2～4 cm灰质碎块，围岩等级为Ⅳ～Ⅴ级。

隧道采用台阶法开挖，采用复合式衬砌进行支护。初期支护由锚杆、钢筋网、喷射混凝土以及工字钢钢架等组合而成，二次衬砌采用素混凝土进行模筑。

2 有限元计算分析

2.1 模型建立

为研究支护结构对隧道围岩应力及变形的影响，本文选取隧道Ⅴ级围岩段K37+230处典型断面，利用Flac3D有限差分软件建立数值模型。该段隧道埋深45 m，最大开挖洞径11.38 m，最大开挖高度9.79 m。考虑到围岩应力重分布影响范围一般为隧道半径的3～5倍，为了减少边界效应的不利影响，本文模型尺寸设置为100 m×80 m，如图1所示。在计算过程中，对实际工程条件进行了简化，具体为：将围岩视为理想的弹塑性介质，仅考虑围岩自重应力的影响，不考虑地下水及构造应力等因素，且岩体力学特性遵循摩尔-库伦破坏准则。

图1 数值计算模型

2.2 计算参数

根据依托工程地质勘查报告和隧道支护设计规范[4-5]，同时类比其他相似工程，本文选用材料的物理力学参数如表1所示。

表1 围岩及支护结构物理力学参数

3 围岩应力及变形分析

隧道周围岩体在每次受到开挖扰动时，其内部的应力会重新分布以达再次稳定，围岩的位移也随之发生变化。当开挖后进行支护时，支护结构与围岩形成的整体共同承担围岩的变形，其应力和位移变化情况与未进行支护时不同。

3.1 围岩应力分析

隧道开挖后围岩最大主应力分布云图如图2所示。由图2(a)可知，在无支护开挖的条件下，隧道周围应力集中现象明显，尤其在拱顶和仰拱部位，其应力值达到2.95 kPa，表现为拉应力，而拱脚处最大主应力表现为压应力；由图2(b)可知，当隧道开挖进行支护后，应力集中部位主要位于隧道边墙处，应力值仅为717.8 kPa，表现为拉应力，仰拱处最大主应力表现为压应力。综合对比图2(a)和图2(b)，可知，支护结构明显改善了开挖后隧道周围应力集中现象。

图2 最大主应力分布云图

3.2 围岩变形分析

隧道开挖后围岩的水平位移和竖直位移分布云图如图3和图4所示。由图3(a)可知，在无支护开挖条件下，隧道拱腰至边墙的水平位移最大，左侧最大值为5.10 mm，表现为向右挤压，右侧最大值为5.11 mm，表现为向左挤压；由图3(b)可知，隧道开挖进行支护后，隧道发生最大水平位移的位置由边墙转移至仰拱两侧底部，且最大水平位移值为2.70 mm左右。综合对比图3(a)和图3(b)可知，隧道周边的水平位移大致呈对称趋势，由于支护结构的存在，发生最大水平位移的位置发生转变，且最大水平位移值减小了超过50%。

图3 水平位移分布云图

由图4可知，无论有无支护结构，围岩竖向位移最大处始终发生在拱顶和仰拱底部，拱顶处表现为向下沉降，仰拱底部表现为向上隆起。在无支护开挖条件下，拱顶最大沉降值为16.7 mm，仰拱底部最大隆起值为16.3 mm，而在隧道开挖进行支护后，拱顶最大沉降值为11.6 mm，相比无支护时减小了30%以上，仰拱底部最大隆起值为15.2 mm。由此可见，支护结构可以明显减小隧道拱顶的沉降位移。

由图3和图4可知，支护结构的存在可以明显减小隧道围岩的位移情况。因此，在级别较低的围岩中开挖隧道时，要及时进行支护，避免隧道因发生过大位移而引起工程事故。

4 影响衬砌结构支护效果的因素分析

衬砌是一种永久性支护结构，也可称之为一种支护体系，它的作用是阻止围岩发生大的变形或者坍塌，主要由混凝土、钢筋等材料构成。实际工程中，隧道所处地质条件各有不同，岩石产状、走向也颇为复杂，故而对支护结构的要求也不尽相同，因此有必要对衬砌的厚度及衬砌结构形式等影响支护效果的因素进行分析。

图4 竖直位移分布云图

4.1 衬砌厚度的影响

为了研究衬砌厚度对围岩支护效果的影响，本文在保证模型其他因素不变的情况下，取衬砌厚度分别为25 cm、30 cm、35 cm进行隧道开挖模拟计算，结果如表2所示。

由表2可知，隧道开挖过程中拱顶及拱底处变形量最大，而拱肩、边墙及拱脚处变形较小，通过与无支护条件下隧道各关键部位的变形相比可知，在施作衬砌后，围岩的变形均明显减小。以拱顶处变形为例，在无支护条件下，拱顶变形为16.67 mm，衬砌厚度为0.25 mm、0.30 mm和0.35 mm时，拱顶变形分别为11.5 mm、11.18 mm和10.92 mm，因此支护结构能够有效减小隧道的变形，从而提升施工的安全性。对比三种厚度衬砌支护作用下的结果可知，衬砌厚度越厚，其支护效果越好。但随着厚度越来越大，其支护效果的增益逐渐减少。因此，在实际施工过程中，要选择合适的衬砌厚度，从而兼顾施工质量和经济效益。

表2 三种衬砌厚度下围岩关键部位变形比较

4.2 衬砌结构形式的影响

为了研究衬砌结构形式对围岩支护效果的影响，在保证模型其他因素不变的条件下，本文采用三种形式的衬砌结构进行隧道开挖模拟计算，采用的衬砌结构形式包括喷射混凝土+钢筋网、喷射混凝土+锚杆和喷射混凝土+钢筋网+锚杆，结果如表3所示。为了便于表达，本文分别用A、B和C代表以上三种衬砌结构形式。

对比支护方式A和B下所得结果与无支护下的结果可知，A支护方式的支护效果比B支护方式要好近50%，这是由于锚杆的主要作用是锚固隧道周围较大范围的岩体，而钢筋网则是针对隧道轮廓进行支撑的结构，因此对隧道围岩变形的控制效果更好；对比A、B、C三种支护方式可知，在混凝土、钢筋网和锚杆三种结构组成的支护体系下，隧道周边围岩的变形得到了最佳的控制。