黎敬俊，丁文其，魏新欣

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092;2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092;3.四川路橋建設(shè)股份有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

近年來，設(shè)計施工技術(shù)不斷成熟，連拱隧道相對于其他隧道對地形要求不高，布線方便，接線工程小，線性順暢的優(yōu)點愈發(fā)明顯，修建數(shù)量快速增長，在一些西部地區(qū)甚至成為公路隧道的主要結(jié)構(gòu)形式。

現(xiàn)階段我國隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算一般采用荷載－結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行內(nèi)力計算分析和強(qiáng)度驗算，隧道的設(shè)計計算荷載大多直接采用規(guī)范提供的基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的松動荷載經(jīng)驗公式，顯然普通分離式隧道荷載計算公式不能滿足連拱隧道的計算要求。

目前關(guān)于深埋連拱隧道的計算方法研究如下:文獻(xiàn)［1－2］根據(jù)雙塌落度理論，考慮中隔墻的作用，在單洞荷載計算基礎(chǔ)上提出了附加系數(shù)值，但驗算結(jié)果偏于保守;文獻(xiàn)［3－4］考慮中隔墻作用，基于普氏理論推導(dǎo)的《公路隧道設(shè)計細(xì)則》推薦方法，計算過程較為繁瑣，且在圍巖級別較高時通常僅考慮單側(cè)承載拱荷載，附加荷載為零;文獻(xiàn)［5］提出了按照整個連拱隧道跨度減去中隔墻厚度的凈跨度來計算連拱隧道荷載的公式;文獻(xiàn)［6］提出了連拱隧道簡化為單拱隧道的計算方法;文獻(xiàn)［7］提出了破碎介質(zhì)中連拱隧道荷載解析解等。文獻(xiàn)［5－7］雖然提出了基于分離式隧道荷載計算方法，但從理論上講并不太適合連拱隧道，且最后荷載都簡化為均布荷載，不太合理。本文在文獻(xiàn)［1－2］雙塌落拱方法的基礎(chǔ)上，參考文獻(xiàn)［3］推薦方法推導(dǎo)過程和荷載形式，確定新的連拱隧道荷載計算修正公式附加系數(shù)的理論表達(dá)式，并推薦取值。

1 現(xiàn)有計算方法

1.1 雙塌落拱方法

實際施工時，連拱隧道中隔墻頂部巖土發(fā)生一定的變形，且中隔墻施工不能做到和圍巖完全密貼，因此連拱隧道松散土壓力計算值應(yīng)在半結(jié)構(gòu)寬度和整個開挖寬度之間取值。連拱隧道塌落拱示意圖見圖1。

圖1 連拱隧道塌落拱示意圖Fig.1 Sketch of ground arching of multi-arch tunnel

1)情況1。不考慮中隔墻支護(hù)作用，以整個連拱隧道開挖寬度作為毛洞跨度的塌落拱曲線為最不利情形，此時塌落拱高度

2)情況2。取連拱隧道半跨結(jié)構(gòu)計算的塌落拱曲線為最理想的情形，塌落拱高度

3)情況3。連拱隧道假定壓力拱曲線，與中隔墻頂部回填的及時性以及密實度等有關(guān)。雙塌落拱方法深埋連拱隧道荷載分布見圖2。

圖2 雙塌落拱方法深埋連拱隧道荷載分布圖Fig.2 Load distribution of deep-buried multi-arch tunnel according to double ground arching method

深埋連拱隧道垂直壓力

式中:s為圍巖級別;B為隧道寬度;i1，i2為分別以0.5B和B為計算寬度時的圍巖壓力增減率，可參照《公路隧道設(shè)計規(guī)范》［8］取值;ξ為附加修正系數(shù)，中隔墻頂部回填及時，且中隔墻圍巖與中隔墻密切接觸可取 0.20.4，反之可取 1.0，一般情況取 0.50.7。

中隔墻頂部松散土壓力荷載q3計算方法和《公路隧道設(shè)計細(xì)則》方法相同，即

式中H3為中隔墻頂?shù)狡屏衙嫫鹗键c的高度。

1.2 《公路隧道設(shè)計細(xì)則》方法

由于中隔墻的支撐作用，連拱隧道所形成的承載拱介于單側(cè)承載拱和極限承載拱之間，連拱隧道垂直荷載可以看作松散土壓力和中隔墻承受的壓力之和，單側(cè)承載拱荷載等效為均布荷載，剩余部分等效為三角形荷載，如圖3所示。

按普氏公式，單側(cè)平衡拱高度Hq1和極限平衡拱高度Hm:

式中:Bm為極限平衡拱跨度，Bm=Bz+2Bt+2Bp。其中，Bz為中隔墻有效寬度;Bt為單側(cè)隧道跨度;Bp=(Ht－H0)tan(45°－φc/2)(式中:Ht為隧道高度;H0為隧道基礎(chǔ)至破裂面起始點的高度;φc為圍巖計算摩擦角)。

fkp為普氏圍巖堅固系數(shù)［4］(似摩擦因數(shù))。

圖3 《細(xì)則》方法深埋連拱隧道荷載分布圖Fig.3 Load distribution of deep-buried multi-arch tunnel according to method provided in Design Rules of Highway Tunnel

1)基本松散土壓力荷載q1

將q1簡化為均布荷載，有:

式中γ為圍巖重度。

2)附加松散土壓力荷載q2

根據(jù)2個小的單側(cè)平衡拱加上中隔墻承受的荷載再加上附加荷載等于大平衡拱，得到平衡方程

求得:

中隔墻承受荷載qzBz取中隔墻能承受的荷載psBz和極限拱荷載與平衡拱荷載的差值G2/Bz的最小值。

3)中隔墻頂部松散土壓力荷載

中隔墻頂部松散土壓力荷載q3可簡化為三角形荷載。即

式中H3為中隔墻頂?shù)狡屏衙嫫鹗键c的高度。

1.3 碎裂介質(zhì)中連拱隧道荷載的解析解

根據(jù)普氏塌落拱理論及相關(guān)理論推導(dǎo)，作用在隧道頂部總垂直壓力

式中:a1為地下洞室拱跨度的1/2;b0為塌落拱高度，其他參數(shù)含義同上。

1.4 申玉生方法

申玉生認(rèn)為，應(yīng)按照整個連拱隧道跨度減去中隔墻厚度的凈跨度來計算連拱隧道荷載。

式中參數(shù)含義如前所述。

1.5 荷載計算修正公式

在雙塌落拱方法的基礎(chǔ)上，參照《細(xì)則》方法，將附加荷載的作用范圍擴(kuò)充到整個連拱隧道范圍，荷載作用示意圖如圖3所示，最后荷載公式計算方法可參照式(3)和(4)，然后推導(dǎo)附加系數(shù)ξ。

單側(cè)拱高度Hq1和極限拱高度Hm可分別按式(1)和(2)計算，參照《細(xì)則》方法，《細(xì)則》方法中單側(cè)極限拱最后轉(zhuǎn)化為均布荷載，若采用拋物線形計算面積則實際計算得到的荷載面積偏小，結(jié)果偏于保守，故此處采用矩形面積計算，大塌落拱形狀假定為拋物線，考慮中隔墻作用，附加荷載為極限拱荷載與2個單側(cè)拱荷載之差，由平衡方程可得:

聯(lián)立(1)、(2)和(15)解方程可得:

若不考慮中隔墻影響，則修正系數(shù)如(18)所示，采用普氏公式，則 Hq1/Hm=0.5，ξ=0.67;若采用規(guī)范松動荷載公式，Hq1/Hm=［1+i1(0.5B －5)］/［1+i2(B －5)］，因為 i1和 i2都是 B 函數(shù)，取 B=1431，i1=0.1，i2=0.12，故ξ僅與B有關(guān)，如圖4所示，可知 ξ＜ 0.7。

圖4 附加系數(shù)與隧道寬度關(guān)系圖Fig.4 Correlation between additional load coefficient and tunnel width

計算可知，附加修正系數(shù)ξ不大于0.7，若考慮中隔墻的作用，ξ應(yīng)更小。因此，在荷載計算修正公式中，附加修正系數(shù)ξ取值:中隔墻頂部回填及時且頂部圍巖與中隔墻密切接觸 ξ=0.20.3，反之 ξ=0.60.7，一般情況取 0.30.6。

2 公式的計算分析與對比

見表1。

表1 各級圍巖物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of rock mass

根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》，采用下列數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗算。2車道連拱隧道單洞寬度Bt=11.5 m，隧道高度Ht=8.5 m，中隔墻有效寬度Bz=1.5 m;3車道連拱隧道單洞寬度Bt=15 m，高度Ht=9.8 m，中隔墻有效寬度Bz=2 m。各級圍巖參數(shù)選取如表2和表3所示。為進(jìn)行比較，表2和表3為各方法垂直荷載平均值。圍巖修正系數(shù)ξ取0.7。將荷載計算修正公式、《細(xì)則》公式、碎裂介質(zhì)解析解與申玉生方法進(jìn)行對比計算，得出的隧道兩端豎向荷載和隧道中部荷載如圖5—8所示。由于各方法荷載結(jié)構(gòu)形式不同，荷載計算修正公式和《細(xì)則》方法的荷載分布較為合理，其他2種方法則為均布荷載。

表2 2車道拱頂垂直荷載平均荷載值Table 2 Average values of crown vertical load of two lane highwayskPa

表3 3車道拱頂垂直荷載平均荷載值Table 3 Average values of crown vertical load of three lane highways kPa

圖5 2車道中部基本荷載與附加荷載總和Fig.5 Sum of basic load and additional load in the middle of two lane highways

荷載計算修正公式與后2種方法在隧道中隔墻頂部豎向荷載相近，在隧道兩側(cè)豎向荷載與《細(xì)則》方法相近，平均荷載(也即單側(cè)拱拱頂荷載)與《細(xì)則》方法相近，相對于細(xì)則公式在Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ級圍巖下偏于保守，在Ⅴ級圍巖時荷載略小。而后2種方法計算結(jié)果則偏大。

從上述結(jié)果可以看出，荷載計算修正公式能較好地反映連拱隧道荷載垂直荷載的計算，荷載形式較為合理，且計算過程簡單，使用方便，結(jié)果偏于安全，應(yīng)推薦使用。

3 工程實例分析

滬蓉國道主干線湖北宜昌至恩施高速公路八字嶺隧道［4，6］出口段采用了從小間距隧道過渡到連拱隧道的分岔形式，國內(nèi)首次采用了該種結(jié)構(gòu)形式的隧道。選取K100+150連拱結(jié)構(gòu)斷面，該段面埋深100 m，所處圍巖為Ⅳ級。隧道為深埋隧道，連拱段左右隧道寬為10.73 m，高為8.15 m，中隔墻的寬為1.5 m，側(cè)壓力系數(shù)經(jīng)計算為0.295，按 ξ=0.6 計算得，q1=118.66 kPa，q2'=65.11 kPa，q3=58 kPa，襯砌側(cè)向土壓力 ewmax=83.03 kPa，ewmin=34.98 kPa，中隔墻兩側(cè)側(cè)向土壓力enmax=71.27 kPa，enmin=54.17 kPa ，采用荷載結(jié)構(gòu)法計算得到中隔墻內(nèi)力為2.2 MPa，二次襯砌邊墻外側(cè)應(yīng)力為3.2 MPa，實測該斷面中隔墻頂部應(yīng)力為2.4 MPa，二次襯砌邊墻外側(cè)應(yīng)力為2.52 MPa，基本吻合。

武吉線高速公路上的那沙嶺連拱隧道［9］埋深為61 m，YK123+760斷面圍巖級別為Ⅳ級，隧道寬度為14.5 m，計算得到基本荷載 q1=138.6 kPa，若取 ξ=0.6，則 q2'=81.9 kPa，則單側(cè)拱頂荷載為 q1+0.5q2'=179.6 kPa。實際監(jiān)測結(jié)果顯示那沙嶺隧道的拱頂初期支護(hù)壓力最大值為162.4 kPa，最終值為161.2 kPa，計算值與監(jiān)測值較吻合。

4 結(jié)論與討論

1)《細(xì)則》方法與荷載計算修正公式計算結(jié)果較為接近，碎裂介質(zhì)方法與申玉生方法結(jié)果較為接近且較荷載計算修正公式結(jié)果偏大。

2)荷載計算修正公式結(jié)構(gòu)形式簡單，荷載形式較為合理，結(jié)果較為準(zhǔn)確，應(yīng)推薦使用。

本文在考慮荷載計算修正系數(shù)時未考慮中隔墻的影響，還應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行研究。

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