隧道設計施工理念對襯砌的影響分析

于強，劉玲

（四川省開江縣建設工程質量安全監督站 四川 開江 636250）

1 引言

隧道工程設計施工理念是在修建隧道及地下工程的實踐中，逐步建立起來的，并隨著人們對圍巖的認識和施工技術的發展而不斷更新。工程界曾先后在不同的時期提出兩大理論體系:松馳荷載理論和巖承理論，并針對該兩種理論分別出現了傳統礦山法和新奧法設計施工理念。傳統礦山法是以木或鋼構件作為臨時支撐，待隧道開挖成型后，逐步將臨時支撐換下來，而代之以整體式厚襯砌作為永久性支護的施工方法。新奧法的目的是在巖石或土層中開挖隧洞時，使圍巖形成一個整體環狀支承結構，成為支護結構的一部分。該方法的理論基礎為上世紀50年代提出的“巖承理論”，或稱“巖體力學理論”，其核心內容是:圍巖穩定是巖體自身有承載自穩能力，不穩定圍巖喪失穩定有一個過程的，如果在這個過程中提供必要的幫助或限制，則圍巖仍然能夠進入穩定狀態。在我國新建隧道中，絕大部分均采用新奧法設計、施工。比如大渡河瀘定水電站引水隧道[1]、貴陽花溪苗圃二號隧道[2]、陳家嶺隧道[3]及引子渡水電站導流洞[4]等工程中，在不良地質環境中隧道[5]和大跨度復雜隧道[6][7]設計施工中也有應用。

為了研究傳統礦山法與新奧法設計施工理念對隧道襯砌的力學行為的影響，本文采用有限元分析軟件ANSYS來模擬不同理念的隧道設計、施工。

2 工程概況

向陽隧道全長564.75m，凈寬9.0m，凈高6.85m，側墻高2.0m。襯砌斷面形狀為直墻等截面半圓拱，其拱圈內緣半徑為4.50m，矢跨比為0.5。襯砌斷面結構如圖1所示。向陽隧道洞口段采用明洞開挖，洞身采用傳統礦山法設計、施工。

八一隧道軸線與向陽隧道軸線基本平行，隧道最小間距大于7m，埋深約1.5～42.5m，隧道全長568.63m，凈寬11.0m，凈高6.85m，側墻高4.7m。采用直墻變截面拱，其變截面拱圈內緣半徑為6.875m，矢跨比約為0.25，洞身局部采用掛網、噴錨支護，襯砌斷面結構如圖2所示。八一隧道洞口段采用管棚法施工，洞身采用傳統礦山法設計、施工。

圖1 向陽隧道襯砌斷面圖

圖2 八一隧道襯砌斷面圖

3 計算模型及參數

傳統礦山法襯砌材料參數:根據設計資料，八一隧道襯砌主要為C15混凝土，部分為C20混凝土；向陽隧道的襯砌為C15混凝土。

新奧法襯砌材料參數:八一、向陽隧道原有襯砌類型為整體式模筑混凝土，所以在新奧法模擬開挖中，本文重新設計了初期支護結構—錨噴襯砌結構。初期襯砌結構的技術參數的選取參考現行的《公路隧道設計規范》(JTGD70—2004)，二次襯砌采用原有隧道結構的材料參數。計算參數見表1。

表1 襯砌材料參數

圍巖力學參數的選取主要依據現場鉆孔取樣試驗結果和隧道頂部建筑物勘察資料，結合工程實際情況，按《工程地質勘察規范》（DBJ 50-043-2005）對巖土體性質指標的相關規定，對圍巖參數進行了調整。圍巖參數調整為:當前巖石強度參數（試驗數據）換算成當前巖體強度參數時，變形模量的折減系數為0.6，粘聚力的折減系數為0.2，內摩擦角的折減系數為0.85；參考時間效應時，強度參數均乘以0.95的系數。巖石參數與巖體參數見表2。

表2 圍巖材料參數

本文選用自重應力場為初始應力場，圍巖采用理想彈塑性本構關系，D-P屈服準則(Drucke-Prager)。

本文選用的模擬單元類型為:圍巖與模筑襯砌均采用平面4節點實體線性單元 (plane42)；噴混凝土采用梁單元（Beam3）；錨桿采用2節點平面等參桿單元(linkl)。

計算模型的范圍:隧道頂部為上覆巖層厚度約31m，深度取隧道底板以下八一隧道寬度的4倍，左右兩側分別取八一隧道寬度的4倍左右；該模型的尺寸為125m×855m；兩隧道凈距為20m。

計算模型左、右邊界為X方向約束，底部邊界為Y方向約束，頂部邊界為自由邊界。計算模型見圖3。

圖3 隧道有限元計算模型

4 不同理念下隧道施工模擬的步驟

4.1 傳統礦山法施工模擬步驟

（1）向陽隧道上臺階開挖。

（2）向陽隧道下臺階開挖。

（3）向陽隧道襯砌澆筑。

（4）八一隧道上臺階開挖。

（5）八一隧道下臺階開挖。

（6）八一隧道襯砌澆筑。

由于傳統礦山法施工中模筑混凝土的澆筑有一定的滯后性，所以在模筑混凝土的澆筑前圍巖應力釋放系數設為40%，模筑混凝土澆筑后圍巖的應力釋放系數設為60%。

4.2 新奧法施工模擬步驟

（1）向陽隧道上臺階開挖。

（2）向陽隧道上臺階錨噴支護。

（3）向陽隧道下臺階開挖。

（4）向陽隧道下臺階錨噴支護。

（5）向陽隧道襯砌澆筑。

（6）八一隧道上臺階開挖。

（7）八一隧道上臺階錨噴支護。

（8）八一隧道下臺階開挖。

（9）八一隧道下臺階錨噴支護。

（10）八一隧道襯砌澆筑。

依據《公路隧道設計規范》(JTG D70—2004)及關于應力釋放系數研究的相關資料，以上各施工階段的應力釋放系數設為:圍巖開挖階段應力釋放30%，噴射混凝土和打錨桿階段應力釋放50%，澆筑二次襯砌階段應力釋放20%。

5 不同理念下數值模擬結果分析

為了對采用不同理念設計、施工的隧道二襯受力狀態進行研究，本文以八一隧道和向陽隧道為依托，分別采用傳統礦山法和新奧法對它們進行數值模擬，其結果如下。

5.1 傳統礦山法數值模擬結果分析

傳統礦山法設計、施工下的二次襯砌計算結果見圖4～圖9。

圖4 向陽隧道施工完成后向陽襯砌S1圖

圖5 向陽隧道施工完成后向陽襯砌S3圖

圖6 八一隧道施工完成后向陽襯砌S1圖

圖7 八一隧道施工完成后向陽襯砌S3圖

圖8 八一隧道施工完成后八一襯砌S1圖

圖9 八一隧道施工完成后八一襯砌S3圖

從圖4～圖9可以看出，隧道施工完成后兩隧道二次襯砌應力均出現應力集中現象，向陽隧道施工完成后，向陽隧道二次襯砌的第一主應力的最大值與最小值分別出現在基礎底部和邊墻墻腳內側，量值分別為0.73MPa和-0.75MPa，第三主應力的最大值與最小值分別出現在邊墻底部內側和邊墻基礎的右上部，量值分別為-3.83MPa和-0.15MPa，向陽隧道襯砌拱部受力較均勻；八一隧道施工完成后，向陽隧道襯砌應力有所增加，均增加了5%左右，應力分布規律基本沒有改變。八一隧道襯砌的第一主應力最大值與最小值分別出現在拱腳及邊墻頂部的外側和內側，量值分別為1.70MPa和-1.70MPa，第三主應力的最大值與最小值也分別出現在拱腳及邊墻頂部的外側和內側，量值分別為-7.56MPa和-0.34MPa，因此八一隧道拱腳及邊墻頂部是整個襯砌的薄弱部位，也是最容易拉裂和壓潰的部位，在運營期間的病害調查中，八一隧道拱腳及邊墻頂部出現了大量的縱向和斜向裂縫，進一步驗證了傳統礦山法理念的不合理性。

5.2 新奧法數值模擬結果分析

新奧法設計、施工下的二次襯砌計算結果見圖10～圖15。

圖10 向陽隧道施工完成后向陽襯砌S1圖

圖11 向陽隧道施工完成后向陽襯砌S3圖

圖12 八一隧道施工完成后向陽襯砌S1圖

圖13 八一隧道施工完成后向陽襯砌S3圖

圖14 八一隧道施工完成后八一襯砌S1圖

圖15 八一隧道施工完成后八一襯砌S3圖

從圖10～圖15可以看出，兩隧道施工完成后二次襯砌應力均出現局部應力集中現象，與傳統礦山法施工的應力分布規律相同，但最大主應力與最小主應力比后者小60%～80%。計算結果比較見表3。

表3 兩種施工方法的結果比較表

由表3及以上比較分析得出:由于傳統礦山法與新奧法設計施工理念有著本質的區別，隧道二襯在不同設計施工理念下的力學狀態也有很大的不同。新奧法設計施工理念認識到圍巖是隧道結構的主要承載部分，充分發揮了圍巖的自承能力，并與噴錨支護共同形成承載環，承擔了因卸載而形成的圍巖變形壓力，二次襯砌作為后期的安全儲備。而傳統礦山法認為隧道模筑混凝土是作為主要的受力結構來抵抗圍巖的變形壓力，二者在理念上有很大的差異。因此兩種施工方法下的二次襯砌受力狀況有很大不同，新奧法施工下的二次襯砌受力較傳統礦山法小得多，充分發揮了圍巖、初期支護的承載作用。

6 結論

本文通過對八一隧道、向陽隧道兩隧道采用傳統礦山法及新奧法理念分別進行施工模擬分析，得到以下結論:

八一隧道、向陽隧道兩座隧道均采用傳統礦山法設計、施工，造成二次襯砌局部應力集中，特別是八一隧道拱腳截面突變處應力集中尤其明顯，這也是運營期間八一隧道二次襯砌出現開裂的重要原因；

新奧法設計、施工下的二次襯砌應力較傳統礦山法小得多，主要是由于新奧法充分發揮了圍巖初次支護的共同承載作用；

新奧法是目前較合理的隧道工程設計、施工理念，按新奧法理念進行的設計和施工更符合隧道工程的特點。

[1]楊彥.大跨徑黃土隧道施工技術及工法選型[J].鐵道建筑技術，2010(3):100-104

[2]龔爾民.貴陽花溪苗圃二號大型連拱隧道數值計算[J].交通科技，2010(3):64-66

[3]廖勝君.新奧法在陳家嶺隧道圍巖施工中的應用[J].黑龍江交通科技，2010(7):98-99

[4]賈建宇.新奧法在引子渡水電站左岸導流洞施工中的應用[J].貴州水力發電，2002(3):50-52

[5]焦滿岱.新奧法施工在不良地質地層巷道工程中的應用[J].甘肅冶金，2010(8):55-57

[6]方浩.新奧法在特大斷面地下硐室施工中的應用[J].山西建筑，2011(1):64-65

[7]王曉鋒.宜萬鐵路趙家嶺隧道四線雙連拱段新奧法施工技術[J].鐵道標準設計，2010(8):138-141