樊一凡 曹貴銀 梁楊 劉宗韓 陳靜松

摘 要：隨著西南地區(qū)的大力開(kāi)發(fā)，交通流量迅速增長(zhǎng)，大跨度深埋隧道成為這些多山、構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)新的發(fā)展趨勢(shì)，而施工設(shè)計(jì)中關(guān)于圍巖壓力的重要參數(shù)——側(cè)壓力系數(shù)在現(xiàn)有規(guī)范中并沒(méi)有具體到不同的隧道跨徑，可供參考的工程資料也寥寥無(wú)幾，即使是原位測(cè)試也很難反應(yīng)整個(gè)隧址區(qū)域的各階段應(yīng)力情況。針對(duì)這一問(wèn)題，本文研究了超大跨徑隧道在不同車道數(shù)與圍巖級(jí)別下的側(cè)壓力系數(shù)分布，首先結(jié)合規(guī)范界定三車道隧道為一般跨徑隧道，四、五車道隧道為超大跨徑；采用數(shù)值分析方法，分析了不同車道隧道分別為III——VI圍巖條件下的水平壓力和豎直壓力大小，處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后求得側(cè)壓力系數(shù)分布，并且將數(shù)值模擬結(jié)果分別與規(guī)范值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。當(dāng)各隧道為深埋、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)，所得結(jié)論如下：（1）圍巖等級(jí)相同，圍巖側(cè)壓力系數(shù)隨著車道數(shù)的增加而減小，尤其是四車道向五車道變化時(shí)的差值明顯；車道數(shù)相同，圍巖側(cè)壓力系數(shù)隨著圍巖等級(jí)增大，且相鄰圍巖等級(jí)間的增幅均勻，僅IV級(jí)至V級(jí)圍巖的側(cè)壓力系數(shù)發(fā)生斷崖式下跌。（2）在相同圍巖條件下數(shù)值模擬所得各車道隧道側(cè)壓力系數(shù)明顯大于規(guī)范值；不同跨度的隧道圍巖等級(jí)越大，對(duì)于施工方法選擇以及側(cè)壓力系數(shù)取值越相近。（3）由于襯砌與側(cè)向圍巖貼合不密實(shí)，造成測(cè)得的水平應(yīng)力不均勻，發(fā)生應(yīng)力損失現(xiàn)象從而使理論值上下限均高于實(shí)測(cè)值，但整體符合程度好。

關(guān)鍵詞：超大跨徑隧道；側(cè)壓力系數(shù)；數(shù)值分析；圍巖壓力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.107

0 引言

我國(guó)已建成隧道多為三車道及以下車道數(shù)的中小跨徑隧道，難以滿足日益增長(zhǎng)的交通量，各地多采用小凈距隧道擴(kuò)容的方法解決這個(gè)問(wèn)題，例如重慶華巖隧道和中梁山隧道擴(kuò)容改造工程、沈海高速公路福建泉州至廈門段擴(kuò)建工程大帽山擴(kuò)挖隧道、漳龍高速公路后祠隧道擴(kuò)建工程。

面對(duì)實(shí)際工程需要，新建隧道跨度在逐步遞增，這種扁平化的結(jié)構(gòu)帶來(lái)的圍巖力學(xué)狀態(tài)變化對(duì)項(xiàng)目安全性至關(guān)重要。司鐵漢[1]等以廣東惠州牛湖山單洞三車道大跨徑隧道工程為依托，運(yùn)用有限元手段研究了圍巖水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力分布，認(rèn)為該隧道應(yīng)力分布不均勻，施工時(shí)應(yīng)該加厚拱腳和邊墻襯砌的厚度，并且及時(shí)支護(hù)增強(qiáng)地基承載力以應(yīng)對(duì)過(guò)大的位移產(chǎn)生。宮成兵[2]等采用工程類比法給出了龍頭山雙向分離式單洞四車道高速公路隧道的合理支護(hù)參數(shù)，在設(shè)計(jì)上提供了超大跨徑隧道的理論支撐。曲海鋒[3]在博士論文中詳細(xì)論述了當(dāng)前荷載及圍巖壓力計(jì)算方法不適用于扁平特大跨徑公路隧道，由于缺乏建設(shè)這類隧道的經(jīng)驗(yàn)，一味的加強(qiáng)襯砌和支護(hù)，不僅造成了巨大的浪費(fèi)還可能達(dá)不到預(yù)期效果，從而提出了應(yīng)用過(guò)程設(shè)計(jì)理念的思路。周云鵬[4]對(duì)比多種理論計(jì)算大斷面黃土公路隧道圍巖壓力后，提出了對(duì)太沙基理論的側(cè)壓力系數(shù)修正方法。李宇翔[5]給出了三車道隧道在CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工條件下的合理導(dǎo)坑長(zhǎng)度和大小等參數(shù)。于海龍[6]在碩士論文中基于NATM法采用“巖體一結(jié)構(gòu)”模式重視圍巖與結(jié)構(gòu)的共同作用，建立了四車道公路隧道圍巖穩(wěn)定基本判據(jù)。劉春[7]通過(guò)對(duì)隧道圍巖壓力的種類、影響因素的全面分析，基于數(shù)值建模計(jì)算，利用敏感度分析理論，得出側(cè)壓力系數(shù)和隧道埋置深度對(duì)深埋大斷面隧道圍巖應(yīng)力特征的影響規(guī)律。

以上研究均是以圍巖壓力為核心，或是從水平應(yīng)力和豎直應(yīng)力兩方面分別討論，或是僅研究了某一特定跨度的隧道側(cè)壓力系數(shù)分布，存在不夠全面，應(yīng)用范圍小的問(wèn)題。本文給出了不同跨度、不同圍巖級(jí)別下的圍巖側(cè)壓力系數(shù)[8-10]這一體現(xiàn)水平應(yīng)力和豎直應(yīng)力相對(duì)大小綜合性指標(biāo)。在巖土工程中，通常用側(cè)壓力系數(shù)乘以豎直應(yīng)力得到水平應(yīng)力，側(cè)壓力系數(shù)的得到有使用μ值計(jì)算的理論法、實(shí)地量測(cè)法和根據(jù)規(guī)范或工程資料取值的經(jīng)驗(yàn)法三種方法，這些方法均有針對(duì)性不強(qiáng)，真實(shí)度低的問(wèn)題，故本文提出具體到各級(jí)圍巖不同跨度的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)法來(lái)研究側(cè)壓力系數(shù)分布。針對(duì)每一種模型討論了圍巖的力學(xué)動(dòng)態(tài)行為，給出合理的工法措施和設(shè)計(jì)意見(jiàn)，通過(guò)這一指標(biāo)為后續(xù)工程項(xiàng)目提供參考類比資料。

1 超大跨徑隧道界定及實(shí)例

1.1 隧道跨徑的界定

目前對(duì)于隧道的跨度分類并不統(tǒng)一，《公路隧道施工技術(shù)細(xì)則》[11]按照開(kāi)挖寬度B定義了大跨度隧道（14m

1.2 國(guó)內(nèi)外超大跨徑隧道工程實(shí)例

國(guó)內(nèi)已有部分公路大跨徑隧道有：貴州凱里市大閣山三車道隧道跨度21.04m、高度11.45m，廣州市龍頭山四車道隧道跨度21.47m、高度13.54m。國(guó)外較早發(fā)展超大跨徑隧道的國(guó)家有韓國(guó)鷹峰六車道跨度25.10m、高度8.60m，日本東名三車道隧道跨度23.00m、高度8.40m。

2 有限元模型及參數(shù)擬定

2.1 隧道設(shè)計(jì)參數(shù)

《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定荷載等效高度hq=q/γ，q為豎向荷載，γ為巖石重度，IV～VI級(jí)圍巖的深淺埋劃分高度為HP=2.5hq，I～I(xiàn)II級(jí)圍巖HP=2hq，各級(jí)圍巖按規(guī)范要求計(jì)算后取最大埋深臨界高度60m為埋深。設(shè)計(jì)隧道為深埋多車道單向通行一級(jí)公路隧道，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)所得建筑限界參數(shù)如表2.1所示。

2.2 隧道物理力學(xué)參數(shù)

針對(duì)I、II級(jí)圍巖力學(xué)性質(zhì)好，較為完整堅(jiān)硬的特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)其他較差的圍巖進(jìn)行研究，參考《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》將圍巖的參數(shù)平均值列于表2.2中。

2.3 模型的建立

本文以五車道隧道為例詳細(xì)說(shuō)明建立2維模型及求解過(guò)程，其他車道做法相同。在無(wú)限大平面內(nèi)按照地層結(jié)構(gòu)法建立模型，并服從德魯克-普拉奇 （Drucker-Prager）屈服準(zhǔn)則[13]，考慮洞室3-5倍開(kāi)挖跨度范圍之外巖體不受施工影響，首先劃定一個(gè)寬和高均為115m的矩形區(qū)域，使研究的隧道置于其中，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖的洞室有限元模型如圖1所示。

在ANSYS中將平面劃分，共有770個(gè)節(jié)點(diǎn)，729個(gè)單元，使用PLANE42實(shí)體單元模擬圍巖及圍巖加固區(qū)，BEAM3單元模擬梁。邊界條件為底部施加豎向約束，兩側(cè)為水平約束，頂部為自由端。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工步序較多，對(duì)圍巖擾動(dòng)次數(shù)多，但每次開(kāi)挖的面積較小，擾動(dòng)強(qiáng)度不大，卸荷小，數(shù)值模擬過(guò)程如表2.3所示。

3 側(cè)壓力系數(shù)分布與分析

3.1 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

以三車道IV級(jí)圍巖為例給出側(cè)壓力系數(shù)求解方法：建立如圖2所示坐標(biāo)系，根據(jù)對(duì)稱性取一半隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力值的提取分析。

在圖3中畫出了節(jié)點(diǎn)沿Y軸方向的側(cè)壓力系數(shù)分布圖。

側(cè)壓力系數(shù)最大值為1.85，位于仰拱底部，自仰拱底部至拱腳側(cè)壓力系數(shù)值降至零點(diǎn)；拱腳至邊墻側(cè)壓力系數(shù)值又繼續(xù)增大，直至拱頂達(dá)到次峰值1.43。

綜合來(lái)看，仰拱至及拱腳處所受水平應(yīng)力相對(duì)較大，襯砌環(huán)的應(yīng)力分布非常不均勻，拱頂與拱腳側(cè)壓力系數(shù)差值將近2，可以給應(yīng)力較小的拱腰和拱頂減少用量，在拱腳至拱腰部位加厚混凝土，盡早封閉成環(huán)。

在巖體力學(xué)中，側(cè)壓力系數(shù)是指水平壓應(yīng)力與垂直壓應(yīng)力之比，如此計(jì)算后得到側(cè)壓力系數(shù)分布如表3.1所示。

為使數(shù)據(jù)可視化，繪制出不同車道、不同圍巖等級(jí)下的側(cè)壓力系數(shù)分布，如圖4所示。

由上圖可知，當(dāng)圍巖等級(jí)相同時(shí)，三車道圍巖側(cè)壓力系數(shù)介于四、五車道側(cè)壓力系數(shù)之間，四、五車道隧道側(cè)壓力系數(shù)依次遞增，尤其是四車道至五車道的增幅平均值明顯，可以達(dá)到0.12；當(dāng)車道數(shù)相同時(shí)，三、五車道圍巖側(cè)壓力系數(shù)隨著圍巖等級(jí)的增加先減小后增大，且相鄰圍巖等級(jí)間的絕對(duì)差值均勻，僅III級(jí)至IV級(jí)圍巖的側(cè)壓力系數(shù)發(fā)生斷崖式下跌。四車道圍巖側(cè)壓力系數(shù)先增大后減小。

3.2 與規(guī)范側(cè)壓力系數(shù)表對(duì)比

《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的側(cè)壓力系數(shù)分布如表3.2所示。該表的適用條件是H/B小于1.7，H為隧道開(kāi)挖高度（m），B為隧道開(kāi)挖寬度（m）、不產(chǎn)生顯著偏壓及膨脹力的一般圍巖，本文所建隧道模型均符合上述條件。

規(guī)范中的側(cè)壓力系數(shù)隨著圍巖等級(jí)的增加而增加，圍巖等級(jí)大意味著圍巖質(zhì)量較差，節(jié)理和裂隙增多，更要重視開(kāi)挖方法及支護(hù)措施。規(guī)范側(cè)壓力系數(shù)取平均值后與數(shù)值模擬對(duì)比見(jiàn)圖5。

規(guī)范僅考慮了圍巖等級(jí)，沒(méi)有具體到跨度，在相同圍巖條件下數(shù)值模擬所得各車道隧道側(cè)壓力系數(shù)明顯大于規(guī)范值，說(shuō)明在大跨度隧道設(shè)計(jì)中，要結(jié)合數(shù)值模擬與類似工程資料多方面論證側(cè)壓力系數(shù)的取值，從而得到準(zhǔn)確的水平應(yīng)力進(jìn)行襯砌的施作；同時(shí)也可以看出隨著圍巖等級(jí)增大，規(guī)范值的遞增速率很快地逼近了實(shí)驗(yàn)值，重慶大學(xué)易立[8]在研究大跨度隧道的施工方法選擇時(shí)，也表明了相同條件下圍巖穩(wěn)定的敏感性隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大而減小，故實(shí)際設(shè)計(jì)隧道時(shí)，不同跨度的隧道圍巖等級(jí)越大，對(duì)于施工方法選擇以及側(cè)壓力系數(shù)取值越相近。

3.3 理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比

檢驗(yàn)側(cè)壓力系數(shù)的另一種方法是現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)圍巖壓力，童景盛[9]等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)具有不同地段各級(jí)圍巖的壓力，反演計(jì)算得到了各隧道側(cè)壓力系數(shù)的實(shí)測(cè)值，為了檢驗(yàn)本文數(shù)值模擬所得理論值與實(shí)測(cè)值的符合程度，我們?cè)俅螌?shù)據(jù)處理，選取四、五車道的側(cè)壓力系數(shù)平均值，即只考慮圍巖等級(jí)的影響，將所得數(shù)值與實(shí)測(cè)值一同列于表3.3。

由表3.3可知，本文所建立數(shù)值模型得到的側(cè)壓力系數(shù)理論值分布在0.74～0.99，已有隧道的側(cè)壓力系數(shù)實(shí)測(cè)值分布在0.60～0.80，理論值上下限高于實(shí)測(cè)值，造成這種情況的原因來(lái)源于襯砌與側(cè)向圍巖貼合不密實(shí)，造成測(cè)得的水平應(yīng)力有所折減，而為了近似，將整個(gè)水平力加權(quán)平均后造成實(shí)測(cè)側(cè)壓力系數(shù)偏小。

但由圖6給出的側(cè)壓力系數(shù)上下限百分比堆積圖可以看出二者符合程度較好，僅數(shù)值模型的下限值與實(shí)測(cè)值相差達(dá)到8%，其余三者之間最多不超過(guò)5%，說(shuō)明與實(shí)際情況接近。

4 結(jié)論

通過(guò)分析多車道超大跨徑隧道在不同圍巖條件下的側(cè)壓力系數(shù)分布情況，以及與《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的圍巖側(cè)壓力系數(shù)表和實(shí)測(cè)值對(duì)比，可得以下結(jié)論：

（1）三車道大跨徑隧道過(guò)渡至四車道超大隧道時(shí)側(cè)壓力系數(shù)大幅下跌，跌幅最大值為0.12，即III級(jí)圍巖條件下從0.91降至0.79；四、五車道超大跨徑隧道側(cè)壓力系數(shù)隨著圍巖質(zhì)量變差而增加，意味著圍巖水平應(yīng)力在變大。以上證明了本文在開(kāi)始按照車道數(shù)劃分超大跨徑隧道的意義所在：隧道轉(zhuǎn)變?yōu)槌罂鐝綍r(shí)，隧道斷面扁平率增加，圍巖的力學(xué)特性也發(fā)生了巨大改變，其應(yīng)力分布情況不同于一般跨徑隧道，圍巖側(cè)壓力系數(shù)可以隧圍巖等級(jí)的提高而增大，這一結(jié)論用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工，達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的目的。

（2）三車道隧道為大跨徑隧道，其結(jié)論不在本文深入考慮范圍內(nèi)，我們僅將其作為特殊對(duì)照組進(jìn)一步討論超大跨徑隧道的側(cè)壓力系數(shù)分布，可得：相同圍巖等級(jí)下，側(cè)壓力系數(shù)隨著車道數(shù)的增加而增加，說(shuō)明了跨徑越大，水平壓力的相對(duì)值也越大，隧道自穩(wěn)能力也在下降，這一點(diǎn)既符合客觀認(rèn)知，也從理論層面證實(shí)，對(duì)于這類隧道的開(kāi)挖更要重視新奧法的靈活應(yīng)用，落實(shí)少擾動(dòng)，強(qiáng)支護(hù)、常監(jiān)測(cè)、分部開(kāi)挖的工法。

（3）由于襯砌與側(cè)向圍巖貼合不密實(shí)，造成測(cè)得的水平應(yīng)力損失，從而使理論值上下限均高于實(shí)測(cè)值，但整體符合程度好。

（4）在隧道跨徑和圍巖等級(jí)宏觀變化之外，可以分析單個(gè)超大跨徑的圍巖側(cè)壓力系數(shù)分布情況，由圖3可知：隧道仰拱底部及拱腳處側(cè)壓力系數(shù)最大，襯砌環(huán)的應(yīng)力分布非常不均勻，拱頂與拱腳應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)差值足有1.85，這意味著可以有針對(duì)性地給應(yīng)力較小的拱腰和拱頂減少用量，在應(yīng)力大的拱腳至拱腰部位加厚混凝土，而且為盡早封閉成環(huán)，仰拱的施作不僅是必要的還要嚴(yán)格保證工藝，使其與隧道襯砌聯(lián)合發(fā)揮支護(hù)承載作用，解決了超大跨徑隧道施工中存在的一味多用混凝土和支護(hù)的不科學(xué)施工問(wèn)題。

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作者簡(jiǎn)介：樊一凡（1996-），男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，本科在讀，主要從事隧道及地下工程及地下結(jié)構(gòu)抗震等方面的研究。