魯志偉

(中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司(武漢)橋隧分公司，湖北 武漢 430050)

大斷面公路隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)計算分析

魯志偉

(中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司(武漢)橋隧分公司，湖北 武漢 430050)

以云南省呈貢至澄江高速公路提古鋪隧道為例，采用大型二維有限元plaxis程序模擬隧道開挖施工，分析大斷面隧道開挖工程中雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工工況，以及在施工過程中分別引起的圍巖沉降及應(yīng)力，對襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)及施工方法的合理性進(jìn)行了理論驗算。

大斷面；公路隧道；支護(hù)結(jié)構(gòu)；計算分析

1 工程概況

提古鋪隧道是云南省呈貢至澄江高速公路的關(guān)鍵控制性工程，位于澄江縣提古鋪村的北東側(cè)，官倉山南側(cè)的山體上，海拔高度在2 060～2 257 m，山體地表覆蓋有殘破積層，巖性為二疊系下統(tǒng)陽新組灰?guī)r或二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組。

隧道按雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，設(shè)計速度80 km/h，隧道開挖凈寬17.12 m、凈高11.84 m，扁平率0.69，這種大斷面扁平狀隧道受力較為復(fù)雜，因此，隧道襯砌結(jié)構(gòu)、施工方法、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)模式、參數(shù)等需加以深入研究，進(jìn)行相應(yīng)的理論計算分析。

2 計算斷面設(shè)計情況及計算方法

本次計算選取提古鋪隧道進(jìn)口Ⅴ級圍巖K7+944斷面進(jìn)行驗算，根據(jù)設(shè)計圖紙，K7+944斷面隧道拱頂埋深為4.6m，圍巖為紅粘土，含鐵錳質(zhì)結(jié)核和少量碎石，間夾灰白色高嶺土團(tuán)塊，地下水類型為上層滯水及孔隙潛水，開挖可能出現(xiàn)點滴狀出水。該斷面襯砌支護(hù)類型為Sf5a型，施工工法為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

Sf5a襯砌結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)為：

初期支護(hù)：拱墻采用C25噴射混凝土，仰拱采用C25混凝土澆筑，厚均為26 cm；內(nèi)置I20a工字鋼架，間距50 cm/榀，全環(huán)設(shè)置；Φ8鋼筋網(wǎng)(網(wǎng)格間距20×20 cm)，拱墻設(shè)置；系統(tǒng)錨桿采用Φ25中空注漿錨桿，布設(shè)間距(環(huán)向×縱向)0.5×0.5 m，每根錨桿長4.0 m，拱墻設(shè)置。

二次襯砌：C30鋼筋混凝土，厚60 cm。

計算方法：采用地層結(jié)構(gòu)法進(jìn)行驗算，并模擬隧道施工開挖及支護(hù)全過程。

3 結(jié)構(gòu)計算模式及破壞準(zhǔn)則

由于公路隧道屬于細(xì)長型結(jié)構(gòu)物，即隧道的橫斷面相對縱向(洞軸)的長度小很多，可以假定在圍巖荷載作用下，在其縱向沒有位移，只有橫向發(fā)生位移，故隧道的力學(xué)分析采用平面應(yīng)變模型進(jìn)行。

二次襯砌承載能力按如下準(zhǔn)則進(jìn)行驗算：

(1)混凝土結(jié)構(gòu)受拉緣(或受壓較小緣)所可能出現(xiàn)的拉應(yīng)力不大于混凝土的抗拉強(qiáng)度。

(2)受壓較大緣所出現(xiàn)的壓應(yīng)力不大于混凝土的抗壓強(qiáng)度。

4 計算模型及荷載作用

本次建立模型計算分析采用有限元分析程序plaxis完成，計算模型采取平面應(yīng)變模式；模型上邊界按隧道斷面實際地面線選取，兩側(cè)邊界取3倍隧道跨度；模型圍巖的物理力學(xué)參數(shù)按該隧道工程地質(zhì)勘察報告的巖土物理力學(xué)參數(shù)值進(jìn)行選取，襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)材料物理力學(xué)參數(shù)按《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG D07-2004)并結(jié)合該隧道工程及計算經(jīng)驗選??；隧道襯砌支護(hù)參數(shù)按隧道設(shè)計圖紙進(jìn)行選取。

主要荷載：圍巖壓力+結(jié)構(gòu)自重+地震力。

5 巖土及襯砌支護(hù)材料計算參數(shù)的選取

(1)巖土參數(shù)按該隧道地勘報告巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)推薦表取值，具體如下：紅粘土，圍巖級別，V級；重度γ=18 kN/m3, 彈性抗力系數(shù)K=120 MPa/m，變形模量E=1 GPa，泊松比μ=0.38，內(nèi)摩擦角φ=22°，粘聚力C= MPa。

(2)圬工材料及鋼筋按《公路隧道設(shè)計規(guī)范》第5章建筑材料取值，具體如下： C25噴射混凝土，重度γ=23 kN/m3，抗壓強(qiáng)度fck=12.5，抗拉強(qiáng)度ftk=1.3 MPa，彈性模量Ec=23 GPa；C30混凝土重度γ=23 kN/m3，抗壓強(qiáng)度fck=20，抗拉強(qiáng)度ftk=2.2 MPa，彈性模量Ec=31 GPa；HRB400鋼筋重度γ=77 kN/m3，抗抗拉強(qiáng)度ftk=400 MPa，彈性模量Ec=210 GPa。

6 隧道計算分析

根據(jù)計算斷面隧道施工工法，利用有限元模擬分步進(jìn)行：

第0步：模擬初始應(yīng)力場；

第一步：模擬開挖左側(cè)導(dǎo)坑及初期支護(hù)；

第二步：模擬開挖右側(cè)導(dǎo)坑及初期支護(hù)；

第三步：模擬開挖中間上半斷面及初期支護(hù)；

第四步：模擬開挖中間下半斷面及初期支護(hù)；

第五步：模擬二襯襯砌施作。

各施工步驟圍巖的豎向位移、水平位移、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力。

7 計算結(jié)果分析

從計算結(jié)果可以看出，第一步開挖后拱頂圍巖最大下沉為-0.56 cm，水平收斂位移為1.24 cm，第二步開挖后圍巖拱頂圍巖最大下沉為-0.64 cm，水平收斂位移為1.76 cm，第三步開挖后拱頂圍巖最大下沉為-1.29 cm，水平收斂位移為2.28 cm，第四步開挖后圍巖拱頂圍巖最大下沉為-1.29 cm，水平收斂位移為2.28 cm，分步開挖分步支護(hù)較好的抑制了隧道拱頂下沉和水平收斂，最終將變形值控制在允許變形值范圍內(nèi)。

第一步開挖后圍巖最大主應(yīng)力為715.1 kPa，第二步開挖后圍巖最大主應(yīng)力為770.6 kPa，第三步開挖后圍巖最大主應(yīng)力為845.1 kPa，第四步開挖后圍巖最大主應(yīng)力為845.1 kPa，在圍巖的承載能力范圍內(nèi)，且隧道周邊沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力。另從計算結(jié)果可知，整個隧道開挖支護(hù)完成后，隧道周邊沒有出現(xiàn)塑性區(qū)。因此，本隧道設(shè)計的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系措施是可行的，施工工法選取是合適的，隧道施工過程是安全的。

[1] 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路隧道設(shè)計規(guī)范(JTG D70-2004)[S].北京：人民交通出版,2004.

[2] 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路隧道施工技術(shù)規(guī)范(JTG F60-2009)[S].北京：人民交通出版,2009.

[3] 關(guān)寶樹.隧道設(shè)計要點集[M].北京：人民交通出版社,2003.

2016-12-11

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