顧洪源

(中鐵二局集團勘測設計院有限責任公司，成都 610031)

隨著隧道開挖斷面的加大，尤其是修建4車道公路隧道時，隧道內輪廓斷面積往往達到170 m2以上，隧道跨度大大增加，而隧道高度增加不明顯，隧道呈嚴重的扁平形狀結構，圍巖應力場重分布更加復雜，對隧道結構整體穩(wěn)定性極為不利［1-5］。同時，隨著開挖斷面的增大，隧道建筑限界上部的空間就會增大，土石方開挖量成倍增加。在滿足隧道建筑限界和凈空前提下，降低隧道的扁平率，提高空間利用率，隧道開挖面積將相應減小，同時隧道支護周長也有所減小，但隨著扁平率的降低，隧道應力集中程度、豎向收斂相應增加，為滿足穩(wěn)定性要求，需增強隧道支護，而且扁平率的降低使得隧道施工難度加大，對后期運營維護提出了較高的要求。為提高隧道結構的安全穩(wěn)定性，且節(jié)約工程建設費用，必須選擇合理的隧道斷面輪廓，控制好隧道的扁平率［6-9］。因此，如何選擇合理的斷面形式、確定隧道合理的扁平率，是隧道工程技術人員面臨的一個重大研究課題。

1 工程概況

某隧道設計為上下行分離式雙洞8車道，隧道左線長624 m，右線長604 m，屬中長隧道。隧道左右線均為曲線隧道，平曲線半徑為1 200 m，縱坡坡度由小里程至大里程分別為1%和1.25%，路面橫坡為2%，向曲線內側下坡。隧道埋深介于17～54 m，左右線開挖凈距為19～34 m。隧道橫斷面設計為五心圓斷面，最大開挖寬度為21.01 m，最大開挖高度為13.32 m，隧道概貌及內輪廓見圖1、圖2。隧道進出口穿越坡、殘積層和全風化層，洞身穿越強、弱和微風化花崗巖，地質條件差，圍巖破碎，隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖占80%，Ⅲ級圍巖占20%，是迄今為止設計和施工的綜合難度最大的大跨度小凈距隧道。

圖1 隧道出口概貌

圖2 隧道襯砌內輪廓圖(單位:cm)

2 扁平大斷面隧道形狀的優(yōu)化

2.1 計算模型及邊界條件

隧道單洞開挖跨度為21 m，高度13.32 m，采用FLAC有限差分程序進行數值模擬，對開挖毛洞和二次襯砌支護后斷面建立平面二維模型進行計算。在計算中高度分別取 10，13.3，15，18，21 m，即高寬比為 0.526 6，0.633 3，0.789 9，0.947 9，1.105 8 五種不同工況進行計算，圍巖取Ⅳ級圍巖，模型采用摩爾-庫侖模型。本計算的目的是對單洞開挖斷面進行優(yōu)化分析，計算斷面形式變化產生的圍巖應力，位移和塑性區(qū)變化，從而確定工程實際開挖的斷面形式，所以，計算參數取自隧道地勘報告參數，包括圍巖和二次襯砌的計算參數。具體見表1。

表1 計算參數

2.2 計算結果分析

隧道在不同高寬比下位移矢量圖如圖3所示。隨著高寬比的增加，拱頂位移逐漸減少，水平收斂逐漸增大，在高寬比為2.0時達到理想狀態(tài)，這個時候的拱頂位移和水平收斂基本相同，此時斷面有利于開挖。

通過計算，提煉出所需要的參數，得到毛洞和支護時的位移應力曲線，隨高寬比的變化，毛洞和支護位移曲線見圖4和圖5，毛洞和支護拱頂，邊墻，拱底環(huán)向應力變化見圖6～圖8。

隨著高寬比的增加，開挖毛洞拱頂處沉降逐漸減小，水平收斂逐漸增大。從圖4和圖5中推測也可以看出當高寬比取理想高寬比2.0時，毛洞和支護狀態(tài)下的拱頂沉降和水平收斂都比較接近，這時應力較均勻，是開挖的理想斷面，同時考慮行車通行的建筑界限，以及實際施工環(huán)境因素，取高寬比為0.633 3，即開挖高度13.3 m為隧道設計開挖高度是合理的。

高寬比也影響著單洞各點環(huán)向應力的變化，圖6～圖8可以看出，隨著高寬比的增加，拱頂由受拉變成受壓，邊墻受壓應力減少，拱底受拉應力減少，在所模擬的不同高寬比中，隨著高寬比的不斷增加，應力環(huán)境是改善的，利于提高單洞的穩(wěn)定性。另外，毛洞和有支護狀態(tài)下的應力分布是不同的，從圖中看出，有支護情況下，隧道的受力比毛洞好，拱頂和拱底拉應力較小，邊墻受壓較少。

圖3 不同高寬比下位移矢量圖

圖4 毛洞位移隨高寬比變化

圖5 支護時位移隨高寬比變化

圖6 拱頂環(huán)向應力隨高寬比變化

圖7 邊墻環(huán)向應力隨高寬比變化

3 大斷面隧道設計參數研究

3.1 隧洞埋深的影響

隧洞埋深體現在豎直初始應力中。圖9為塑性半徑隨埋深的變化曲線(a=10 m，Ⅴ級圍巖)。從圖中可看出，塑性半徑隨著隧洞埋深的增加而增加。例如，在支護阻力=0.4 MPa時，隧洞埋深60 m時的塑性半徑為11.63 m(塑性區(qū)范圍1.63 m)，而隧洞埋深120 m時的塑性半徑為18.08 m。

圖9 塑性半徑隨埋深的變化曲線

圖10為周邊位移隨埋深的變化曲線(a=10 m，Ⅴ級圍巖)。從圖中可看出，周邊位移隨著隧洞埋深的增加而急劇增加。例如，在支護阻力=0.4 MPa時，隧洞埋深60 m時的周邊位移為7.0 mm，而隧洞埋深120 m時的周邊位移達到30.5 m?？梢姡矶绰裆顚λ苄园霃胶椭苓呂灰频挠绊憳O大。

3.2 支護阻力的影響

圍巖變形過大，將直接影響隧洞的穩(wěn)定，為控制圍巖變形，保證隧洞穩(wěn)定，在隧洞周邊施加支護是常用手段。支護產生的支護阻力對圍巖變形起著抑制作用。

常用的隧洞支護有錨桿、噴混凝土、鋼筋網、鋼拱架、二襯等，不同支護方式的作用機理有所不同，其支護效果也不同，一般情況下都是多種支護的聯合使其發(fā)揮最佳效果，其支護阻力共同產生。彈性范圍內的支護阻力與隧洞變形成正比。

圖8 拱底環(huán)向應力隨高寬比變化

圖10 周邊位移隨埋深的變化曲線

圖11為噴混凝土最大支護阻力隨厚度的變化曲線(隧洞半徑=10 m)。從圖中可看出，噴混凝土最大支護阻力隨厚度的增加成正比增加。同時，混凝土強度等級越高，支護阻力越大。20 cm厚的C20混凝土的支護阻力為0.22 MPa。

圖11 噴混凝土最大支護阻力隨厚度的變化曲線

圖12為二襯最大支護阻力隨厚度的變化曲線(隧洞半徑=10 m)。從圖中可看出，與噴混凝土類似，二襯最大支護阻力隨厚度的增加成正比增加。同時，混凝土強度等級越高，支護阻力越大。與噴混凝土相比，二襯厚度大，混凝土強度等級高，其支護阻力大得多。例如，60 cm厚的 C30混凝土的支護阻力為0.99 MPa。因此，二襯對控制圍巖變形最有效。

圖12 二襯最大支護阻力隨厚度的變化曲線

鋼拱架為線支護結構，其支護阻力的計算比較復雜，為簡化起見，可按支護間距進行等效計算。圖13為鋼拱架最大支護阻力隨間距的變化曲線(隧洞半徑=10 m)。從圖中可看出，鋼拱架最大支護阻力隨間距成反比關系。同時，鋼拱架型號對鋼拱架最大支護阻力影響顯著。例如，0.5 m鋼拱架，型號I16的最大支護阻力為0.09 MPa，而型號I22b的最大支護阻力為0.17 MPa。

圖13 鋼拱架最大支護阻力隨間距的變化曲線

鋼拱架的剛度大，抗拉強度高，對控制圍巖變形非常有效，即使鋼材屈服后仍能提供一定的支護阻力，對提高軟弱圍巖隧洞的穩(wěn)定性非常有效。由于鋼拱架的剛度大(210 GPa)，約為混凝土的10倍，一般都是鋼拱架失效后才會出現噴混凝土的開裂、剝落等。

鋼筋網為面支護結構，但由于厚度小，能提供的支護阻力非常小，主要配合其他支護結構起到防止局部掉塊、關鍵塊的滑動。

錨桿在工程實踐中被證明為有效的支護手段，特別是對節(jié)理巖體，控制關鍵塊的滑落非常有效。由于是點支護，加上與巖層走向、巖體強度、錨桿長度、端部形式、錨桿施工質量密切相關，其支護阻力的計算非常復雜，主要作用是保持圍巖的整體性，與其他支護結構聯合更為有效。

圖14為塑性半徑隨支護阻力的變化曲線(a=10 m，Ⅴ級圍巖)。從圖中可看出，塑性半徑隨著支護阻力的增加而減小。例如，在隧洞埋深=300 m時，無支護時的塑性半徑為20.7 m，而支護阻力=0.8 MPa時的塑性半徑縮小為9.7 m。

圖14 塑性半徑隨支護阻力的變化曲線

以間距0.8 m I18型鋼的鋼支撐和噴20 cm厚混凝土的初期支護為例，其初期支護阻力為0.37 MPa，隧洞埋深60 m的塑性區(qū)約為12 m(塑性區(qū)范圍2.0 m)。

3.3 圍巖強度的影響

圍巖抗壓強度表現為粘結力和內摩擦角，由于摩擦角變化相對較小，故圍巖強度常以粘結力表示。圖15為塑性半徑隨圍巖黏結力的變化曲線(a=10 m，=23.5°，隧洞埋深60 m)。從圖中可看出，塑性半徑隨著黏結力的增加而減小。例如，無支護狀態(tài)下，c=0.2 MPa的塑性區(qū)為20.7 m，而c=1.0 MPa的塑性區(qū)急劇減少到7.4 m。這對錨桿長度設計非常重要。同樣，周邊位移隨著黏結力的增加也急劇減小(圖16)。

圖15 塑性半徑隨圍巖黏聚力的變化曲線

圖16 周邊位移隨黏聚力的變化曲線

4 結論

本文以某雙洞八車道小凈距隧道為工程依托，通過數值模擬和理論分析對大斷面隧道斷面優(yōu)化及其設計參數進行了較深入的研究，得出如下主要結論。

(1)隨著高寬比的增加，拱頂位移逐漸減少，水平收斂逐漸增大，在高寬比為2.0時達到理想狀態(tài)，這個時候的拱頂位移和水平收斂基本相同，此時斷面有利于開挖。

(2)當高寬比取理想高寬比2.0時，毛洞和支護狀態(tài)下的拱頂沉降和水平收斂都比較接近，這時應力較均勻，是開挖的理想斷面，同時考慮行車通行的建筑界限，以及實際施工環(huán)境因素，取高寬比為0.633 3，即開挖高度13.3 m為隧道設計開挖高度是合理的。

(3)隧洞埋深對塑性半徑和周邊位移的影響極大;彈性范圍內的支護阻力與隧洞變形成正比;塑性半徑隨著圍巖強度的增加而減小。

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