秦 昌, 張志強(qiáng), 周宇鍇

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031)

水底隧道斷面形式合理設(shè)計(jì)有利于洞室開挖安全、圍巖穩(wěn)定、支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力合理、減小開挖面積、降低造價(jià)、隧道美觀、提高行車舒適度等。目前，關(guān)于鐵路隧道、公路隧道斷面設(shè)計(jì)已有規(guī)范規(guī)定，尤其鐵路隧道已有完整的標(biāo)準(zhǔn)斷面供參考設(shè)計(jì)，公路隧道規(guī)范經(jīng)過修訂也對(duì)公路隧道橫斷面內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)推行標(biāo)準(zhǔn)化。水底隧道的修建在我國(guó)隧道建設(shè)中屬于新興領(lǐng)域，關(guān)于水底隧道斷面形式的研究文獻(xiàn)鮮見于學(xué)術(shù)期刊，其設(shè)計(jì)方法多參照山嶺隧道的設(shè)計(jì)方法，所以，基于流固耦合研究水底隧道斷面形式優(yōu)化對(duì)指導(dǎo)水底隧道的設(shè)計(jì)具有很重要的意義。

本文針對(duì)以廈門-翔安海底隧道的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及建筑限界為研究基礎(chǔ)，基于流固耦合計(jì)算理論，計(jì)算分析不同斷面形式情況下的襯砌結(jié)構(gòu)受力情況，進(jìn)而進(jìn)行斷面形式優(yōu)化，以期為類似工程提供指導(dǎo)意見。

1 數(shù)值模型

以廈門-翔安海底隧道的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及建筑限界為研究基礎(chǔ)，通過斷面形狀的變化，來研究單心拱與三心拱馬蹄形斷面的受力差別，同時(shí)研究三心拱馬蹄形斷面形式下仰拱曲率半徑對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而進(jìn)行斷面形式優(yōu)化，給出水底隧道中仰拱的主要作用。馬蹄形斷面設(shè)計(jì)參數(shù)見圖1及表1。

圖1 馬蹄形斷面設(shè)計(jì)參數(shù)

編號(hào)拱部半徑/角度R1/φ1側(cè)墻半徑/角度R2/φ2墻腳弧/角度R3/φ3仰拱半徑/角度R4/φ4內(nèi)輪廓面積/m217.4/70.0°7.4/20.00°2.5/34.59°17.50/23.44°120.1127.4/70.0°5.7/25.09°2.5/65.09°17.50/18.77°120.6537.4/70.0°5.7/25.09°2.5/65.09°15.00/22.05°121.9247.4/70.0°5.7/25.09°2.5/47.69°12.50/30.25°123.7857.4/70.0°5.7/25.09°2.5/47.69°10.00/39.03°128.48

數(shù)值模擬思路：有限差分模型如圖2，支護(hù)結(jié)構(gòu)僅考慮初期支護(hù)(噴射混凝土+鋼拱架)及二次襯砌，不考慮施工過程的影響，即全斷面開挖，開挖的同時(shí)施加初期支護(hù)，計(jì)算至收斂準(zhǔn)則(最大不平衡率1×10-4)，再施加二次襯砌(圖2)。工況設(shè)置主要以各斷面形式下仰拱排水和封堵為依據(jù)。襯砌結(jié)構(gòu)主要荷載有：自重、隧道開挖的釋放荷載、滲流體積力作用下圍巖的形變壓力，以及仰拱封堵時(shí)仰拱部位的靜水壓力。圍巖、注漿圈、初期支護(hù)及二次襯砌的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

圖2 三維有限差分模型

2 結(jié)果分析

根據(jù)各工況條件下，圍巖位移場(chǎng)及圍巖塑性區(qū)的發(fā)展，初期支護(hù)和二次襯砌的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及安全系數(shù)，孔隙壓力場(chǎng)的改變，來分析研究不同斷面形式，仰拱曲率半徑的影響。

2.1 圍巖位移場(chǎng)及圍巖塑性區(qū)

圍巖位移場(chǎng)主要以拱頂及仰拱中心的豎向位移，拱腳的水平位移為研究對(duì)象，各工況下的結(jié)果列于表3。塑性區(qū)的分布見圖3。

表2 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

表3 監(jiān)控點(diǎn)處位移值 mm

(a) 工況1：仰拱排水

(b) 工況1：仰拱封堵

(c) 工況2：仰拱排水

(d) 工況2：仰拱封堵

(e) 工況5：仰拱排水

(f) 工況5：仰拱封堵

通過表3和圖3可知：

(1)隨著仰拱曲率半徑R的減小，洞室周圍位移減小，R=10.0m時(shí)，洞室拱頂、仰拱中心及拱腳水平位移最小，說明仰拱對(duì)控制圍巖位移是有效的。

(2)仰拱封堵與仰拱排水相比，兩者洞室拱頂位移相差不大，仰拱封堵使仰拱“隆起”值及拱腳水平位移值(外擴(kuò))增大，仰拱最大增大幅度為5.7 %，拱腳最大增大幅度為15.4 %。

(3)仰拱曲率半徑越小，洞室周圍塑性區(qū)的深度及面積越??；仰拱封堵時(shí)，洞室周圍塑性區(qū)面積更大，主要是在仰拱位置增大了塑性區(qū)的發(fā)展，使之處于破壞狀態(tài)，更不利于隧道洞室底部的穩(wěn)定。

(4)圖3中，工況1與工況2相比，可以發(fā)現(xiàn)工況1比工況2在拱肩處塑性區(qū)深度要大，說明側(cè)墻弧度半徑對(duì)塑性區(qū)的發(fā)展還是有影響的，側(cè)墻弧度半徑越小，塑性區(qū)深度越小。

2.2 襯砌結(jié)構(gòu)受力分析

為了研究隧道斷面形式及仰拱曲率半徑對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響，計(jì)算各工況仰拱排水與仰拱封堵下，初期襯砌及二次襯砌的軸力、彎矩及安全系數(shù)。限于篇幅，本文僅列出工況1仰拱排水時(shí)與仰拱封堵時(shí)的初襯的內(nèi)力圖，如圖4和圖5所示。

通過對(duì)初期襯砌及二次襯砌的軸力、彎矩及安全系數(shù)的數(shù)據(jù)及受力形式的分布比較，可以得出：

(1)仰拱設(shè)置為排水或封堵時(shí)，初襯在仰拱位置的受力表現(xiàn)為：隨著仰拱曲率半徑R的減小，初襯的彎矩減小、軸力增大，安全系數(shù)降低；初襯在拱部及側(cè)墻的受力表現(xiàn)為：隨著仰拱曲率半徑R的減小，初襯彎矩及初襯軸力減小，更有利于拱部及側(cè)墻的受力。

(2)仰拱封堵與仰拱排水相比，初襯在仰拱位置的彎矩較小、軸力較大、安全系數(shù)較小，說明仰拱封堵不利于隧道洞室仰拱處襯砌結(jié)構(gòu)的受力；而在拱部及側(cè)墻位置兩者彎矩、軸力及安全系數(shù)相差不大。

(a) 初襯彎矩(單位：kN·m)

(b) 初襯軸力(單位：kN)圖4 仰拱排水時(shí)工況1初襯的軸力和彎矩

(a) 初襯彎矩(單位：kN·m)

(b) 初襯軸力(單位：kN)圖5 仰拱封堵時(shí)工況1初襯的軸力和彎矩

(3)二襯的受力形式：拱部及仰拱位置均為內(nèi)側(cè)受拉，側(cè)墻位置內(nèi)側(cè)受壓；仰拱曲率半徑R對(duì)二襯的受力影響不明顯，拱部及仰拱位置為二襯的薄弱部位，側(cè)墻很安全，工況2(R=17.5m)時(shí)，仰拱及拱部的安全系數(shù)最大。

(4)二襯施設(shè)以后，仰拱封堵與仰拱排水相比，由于封堵邊界設(shè)置在初襯內(nèi)邊緣，所以仰拱封堵時(shí)，二襯仰拱及側(cè)墻位置安全系數(shù)提高，但拱頂附近安全系數(shù)降低。

(5)工況1(單心圓)與工況2(三心圓)相比，兩者結(jié)構(gòu)受力差別不大，相比而言，工況1拱部受力較好，但墻腳及仰拱處受力較差；如果側(cè)墻與仰拱位置能用較圓順的圓弧連接，單心拱斷面形式還是可行的。

3 結(jié)論

本文主要從公路隧道建筑限界與隧道斷面之間的幾何關(guān)系，給出了馬蹄形隧道斷面幾何設(shè)計(jì)參數(shù)，從數(shù)值模擬角度對(duì)馬蹄形斷面拱部為單心圓或三心圓時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行了研究，以及研究分析了三心圓馬蹄形斷面下仰拱曲率半徑對(duì)圍巖位移場(chǎng)、襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響，從而明確水底隧道斷面優(yōu)化的思路和原則。綜合分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)隧道斷面采取單心圓與采取三心圓相比，前者隧道開挖面積偏大，塑性區(qū)深度較大，墻腳處受力較差；故斷面優(yōu)化時(shí)，側(cè)墻所采用的半徑在保證能與拱部及拱底順滑連接的前提下，應(yīng)比拱部半徑小。

(2)仰拱曲率半徑對(duì)控制圍巖位移，改善襯砌結(jié)構(gòu)的受力是有益的，一般表現(xiàn)為：隨著仰拱曲率半徑R的減小，洞室周圍位移減小，初襯在仰拱位置受力增大、安全系數(shù)降低，在拱部及側(cè)墻受力減小、安全系數(shù)增大；隨著仰拱曲率半徑R的減小，二襯在仰拱部位安全系數(shù)相應(yīng)提高。

(3)仰拱位置防水措施的設(shè)置對(duì)圍巖位移場(chǎng)、塑性區(qū)、滲流場(chǎng)、結(jié)構(gòu)受力均有很大影響，主要表現(xiàn)為：仰拱封堵時(shí)，仰拱處“隆起”值增大、仰拱處塑性區(qū)面積及深度增大，同時(shí)初襯背后孔隙水壓力值恢復(fù)初始水壓力值大小，二次襯砌結(jié)構(gòu)要在仰拱位置承受初始水頭大小的靜水壓力作用。故，斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，仰拱處一定要設(shè)計(jì)成能承受較大靜水壓力作用的圓弧，其曲率半徑越小，二次襯砌結(jié)構(gòu)受力越合理、安全系數(shù)越高。

(4)水底隧道斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)的主導(dǎo)思想：首先，根據(jù)建筑限界確定拱部及側(cè)墻圓弧半徑；其次，根據(jù)仰拱位置防排水措施對(duì)空間的要求，同時(shí)保證能用較小半徑(R=100～250mm)的圓弧使其與側(cè)墻圓滑連接來設(shè)計(jì)仰拱曲率半徑；最后，利用流固耦合對(duì)該隧道斷面下的襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以滿足結(jié)構(gòu)安全要求。