软弱围岩段隧道衬砌结构安全验算及处理方案

李辉

（广州市凤凰山隧道建设有限公司，广东 广州 510535）

随着我国交通规划的不断实现，越来越多的山区修建了公路。公路路线中遇到山体障碍物时，修建隧道比直接挖除山体具有更多优势，它具有节省人力、物力、能源，还能最大程度上保护自然环境。我国已是隧道大国，隧道建设技术已经取得了巨大发展。由于隧道前期勘察中对围岩采用的是定距抽芯方法来判断山体状况，因此在对围岩进行分级时存在一定误差。施工中在遇到隧道围岩较差且掌子面围岩突变等客观因素时，隧道围岩沉降过大而导致二次衬砌的预留厚度不足的问题偶尔会出现。目前我国在隧道二次衬砌厚度不足情况下的受力分析已有较多研究，大多数采用ANSYS、MIDASGTS 等有限元软件进行数值模拟计算，部分采用了实验对比方法进行了受力对比分析。由于每条隧道所处围岩埋深、地质条件等情况不同，因此判断某隧道在具体厚度不足条件下的安全系数不能统一定论，需要具体隧道具体分析。当然在特殊围岩条件下我们应该尽可能保证施工厚度达到要求，因此在隧道开挖施工时，需要根据掌子面实际变化情况来动态调整施工方法。尤其是在洞口段软弱围岩中施工时，更应该按照“短进尺、弱爆破、早喷锚、勤量测、紧封闭”的原则进行施工。

1 工程概况

广州市凤凰山高速公路工程全长14 公里，呈东西走向，起点位于黄埔区元贝村，终点在天河区龙洞村，桥隧比达到70%。该项目中某隧道位于中部，在隧道洞口段施工时前期一直顺利，但是在洞内挖掘施工到西行方向KX+500 掌子面时，顶部突然有大量干性粉状土体沿着拱顶位置泻下。经过对紧邻掌子面后方已施工完成的初期支护轮廓进行断面测量，发现KX+493 至KX+498 范围内的初期支护顶部有侵入二次衬砌空间现象，顶部最大侵入值为达到15Cm（原设计为60Cm）。经现场勘查，二次衬砌局部侵限区上方的地表是自然资源重点保护区，若在洞口软弱围岩区间段采用拆除隧道原初期支护再重新施工，则存在巨大的安全隐患，影响后果也非常严重。因此需要对初期支护侵限的原因进行分析，对隧道侵限区的二次衬砌进行结构安全性验算，根据验算结果对该区间段的衬砌采取相应的处理措施。

2 初期支护侵限原因分析

2.1 洞口段浅埋

根据《公路隧道设计规范》（JTG 3370.1-2018）（以下简称“设计规范”），判断隧道是否浅埋可按下面公式计算：

式子中：Hp——深埋隧道的分界深度m；

hp——荷载等效高度m；hp=q/r

q ——深埋隧道的竖向均布压力，kN/m2

γ——围岩重度，kN/m3

围岩竖向均布压力按式子：

式中：S——围岩的级别，如属Ⅲ级，则S=3；

W——宽度影响系数，w=1+i（B-5）；

B——隧道宽度；

i——以B=5m 为基准，B 每增加或减少1m 时围岩压力的增减率；当B＜5 时，取i=0.2；当B＞5 时，取i=0.1；

根据图纸，可知隧道围岩级别为V 级，最大开挖跨度为17 米，i 取0.1，w 取2.2，按照上面公式计算可得，hp为15.84 米，因此该区间段的浅埋深埋临界值2.5hp为39.6 米，该隧道区间段埋深为15m，故该区间段为浅埋。

浅埋情况下围岩的承载拱不稳定，开挖施工操作不当极容易产出土体滑落。

2.2 洞口段围岩软弱且地质突变

初期支护侵限区距离洞门110 米，洞口段的山体为低山，山顶有树林覆盖。表层为残坡积土，下部为全风化混合花岗岩，多为散体状和硬土状，透水性一般，遇水软化崩解，易坍塌。显示为低波速，洞口段经开挖显示无明显地下水。经地质勘查，隧道掌子面前方的围岩由全风化混合花岗岩突变为干性无黏性的粉状土体，第三方超前地质预报实施单位未能用地质雷达设备探测出该围岩的突变情况，当施工单位开挖施工时掌子面上方的土体大量泻出,导致已完成的初期支护上方围岩出现临空面，进而围岩因受到严重扰动出现较大位移和应力重新分布，最终导致拱顶发生沉降。

3 二衬侵限区结构受力验算

3.1 验算原理

检算方法是通过荷载结构法计算二衬结构受力，获得二次衬砌的轴力和弯矩后，然后衬砌结构构件截面承载力设计值与实际受力值进行比较，可计算得出衬砌的安全系数，将计算的安全系数与设计规范规定的数值进行对比，如果计算所得的安全系数不小于设计规范规定值，则认为其安全性满足规范要求。

3.2 二次衬砌内力计算

（1）外力荷载计算

由于隧道为浅埋，根据规范中垂直匀布压力的计算公式可知：

q=γ H=15m*18kN/m³=270kN/m2。

根据规范中水平匀布压力计算公式，围岩计算摩擦角取45°，

可得e=49.2kN/m2。

（2）二次衬砌内力计算

根据规范规定并结合本项目实际情况和支护参数，泊松比μ 取0.35，围岩容重r 取18kN/m³，围岩弹性抗力系数取K 取150MPa/m，二衬承担荷载百分比为70%。

本次计算均由基于通用有限元程序ANSYS 和面向对象设计语言Microsoft Visual Basic 开发的“隧道结构计算软件”完成，计算模式为平面应变模式。计算中单位制均采用kN·m。以隧道二次衬砌拱底正中心编号为1，逆时针方向旋转将全环二衬划分为136 个单元。计算完成后各单元的轴力见图1 和弯矩云图见图2。

图1 二次衬砌轴力云图 单位：KN

图2 二次衬砌弯矩云图 单位：KN★m

图3 原设计二次衬砌安全系数云图

3.3 衬砌结构构件截面承载力及安全系数计算

（1）隧道二次衬砌截面强度计算的参数取值

隧道纵向取1m，根据隧道规范中规定，HRB400钢筋强度取Rg=400MPa；C30 混凝土的极限抗压强度22.5MPa，弯曲抗压为28.1MPa，极限抗拉强度为2.2MPa。

（2）隧道二次衬砌厚度不足处安全系数计算

隧道二次衬砌厚度不足的范围是以拱顶为正中心，沿着横向弧线向两侧延伸3 米，为便于计算，假定侵限区均侵限15 公分，即二衬计算厚度值为45 公分。拱顶厚度不足位置对应数值模型中的64-73 号单元，根据设计规范中关于钢筋混凝土矩形截面中心及偏心受压构件的抗压和抗弯强度计算公式，可得每个计算模型单元对应的截面强度。隧道二次衬砌内力计算模型中每个截面的承载力设计值和实际受力值之比即为每个截面的安全系数，具体见表1。

表1 二次衬砌侵限区单元内力及安全系数

（3）隧道二次衬砌原设计衬砌厚度处安全系数计算

为验算该隧道二次衬砌在原设计厚度情况下的安全系数，采用隧道结构计算软件可得安全系数云图，见图2，得知安全系数均3.935 以上。

3.4 检算结论

按实测拱顶二次衬砌厚度不足计算，抗弯安全系数最小值出现在拱顶中心位置，其值为3.11，大于《公路隧道设计规范》（JTG 3370.1-2018）规定的最小值2.4，二衬结构安全系数满足规范要求。侵限区外的抗弯安全系数值均大于3.93，二衬结构安全系数满足规范要求。

4 二次衬砌局部缺陷处理方案

鉴于对二次衬砌局部缺陷段的结构受力计算满足规范要求，且施工不当会对上方的自然资源重点保护区产生较大破坏，因此将对该区间段采用补强的方式进一步提高结构安全性。对该初期支护侵限段从拱肩到拱顶打设50 注浆小导管，间距@150cm*150cm，长度4m，以对其背后受前方掌子面泻土影响而扰动的围岩进行固结；将该段衬砌受力环向钢筋由间距20cm 加密为间距15cm；将原设计C30 的二次衬砌混凝土提高标号为C40，以进一步提高隧道围岩和支护的承载力。该隧道于2016 年修建完成，经过营运期七年监控量测，隧道二次衬砌未出现异常沉降或者裂缝等病害，该处置方案可靠。

5 结语

通过对该隧道拱顶厚度局部不足进行数值模拟分析和验算，显示该隧道安全系数满足规范。为进一步提高该隧道的安全系数，采用了初期支护后注浆加固和二次衬砌混凝土型号提高和钢筋加密的方法进行处理，营运期显示效果良好。由于隧道开挖施工是个风险比较大的作业，勘察设计单位应尽可能多进行地质取芯钻探，提高地质图绘制的准确。开挖施工前第三方监测单位要做好超前地质预报，为施工单位提供准确的围岩情况预报。施工单位在隧道施工时要严格遵循“短进尺、弱爆破、早喷锚、勤量测、紧封闭”的施工原则，并根据掌子面实际情况动态调整开挖施工方法。只有参建各方均将自己的工作做到精细化，才能保证隧道施工时安全，隧道质量过硬。