公路隧道二次襯砌受力特征研究現狀綜述

唐國平，牛吉鋒，朱世奇，劉藝橋

（吉林建筑大學 土木工程學院，吉林長春，130118）

引言

公路隧道，一般是指修筑在地下供車輛行駛的通道，有時還兼做行人和管線的通道。中國最早用于交通的隧道是古褒斜道上的石門隧道，建成于東漢年間。從上個世紀以來，汽車數量不斷增加，公路路線標準化相應提高，公路隧道也逐漸增多。與此同時，修筑隧道的方法也越來越專業化，隧道襯砌的作用也尤為突出。二次襯砌是隧道工程施工在初期支護內側施作的模筑混凝土或鋼筋混凝土襯砌，與初期支護共同組成的復合式襯砌。二次襯砌和初期支護相對來說，指在隧道已經進行初期支護的條件下，用混凝土等材料修建的內層襯砌結構，以達到加固支護、方便設置通訊、優化路線防排水系統、美化外觀、監測、照明等設施的作用，以適應現代化高速道路隧道建設的要求。因此，研究二次襯砌結構的受力情況對施工安全、隧道的穩定，結構優化、造價等方面均有重要的意義。

1 公路隧道二次襯砌受力研究現狀

1.1 現場試驗研究

現場試驗是指在實際的的場所進行的試驗研究，這樣進行的試驗可靠度高，接近真實效果，更具有說服力，相比其他方法較復雜繁瑣，但是為了更具有說服力，現實生活中有很多的現場試驗研究，那么，下面列舉一些有關公路隧道的現場試驗研究成果。

王兵[1]通過兩車道公路隧道襯砌設計方案進行數值分析與比較，驗證了此隧道采用復合式襯砌進行新奧法施工的技術可行性以及合理性。晏啟祥等[2]以以軟巖小凈距隧道為研究對象，加強分析了在不同開挖方式受力特點，以及圍巖特征點變形和應力的關系、圍巖壓力與位移的關系等等。2010年楊昌賢等[3]對墊鄰路明月山隧道和銅鑼山隧道現場實測，歸納了明月山隧道和銅鑼山隧道若干實測的圍巖壓力值，經過分析：Ⅳ級圍巖逼Ⅲ級圍巖壓力要大近2倍左右，分布規律相差不多，兩側拱腰位置較大。李鵬飛，張頂力等[4]在蘭渝鐵路胡麻嶺隧道進行二次襯砌與初期支護之間的接觸壓力的測試，由實驗得出：（1）二次襯砌完全可以作為儲備設計。（2）拱墻上部的測試點顯示，隨著監測時間的增長，初期支護與二次襯砌之間的接觸壓力存在一個先增大然后減小然后緩慢增大最后趨于穩定的過程。

1.2 室內模擬試驗

室內模擬試驗簡單地說是在人為控制某些條件下進行的實驗研究，通過模擬得出相關結論，這種方法往往需要建立模型用來研究，以此到達最真實的效果，隧道研究方面多利用軟件等建立模型，用于更好的研究。

潘世強[5]提出了復雜材料在彈塑性分析中需要注意要建立一個符合材料特性的屈服準則、應力應變增量的相對關系的法則和在屈服后材料應力狀態的硬化規律。潘世強[6]提出了考慮的荷載主要為結構自重、圍巖壓力、外水壓力以及圍巖的彈性抗力的計算模型。二次襯砌用的是以梁為單元的模擬，圍巖的彈性抗力用受壓彈簧來模擬，采用“水土分算”的方法。Bemardino Chiaia[7]等等通過對襯砌結構安全評價的研究，建立了隧道襯砌裂縫的評價模型，在此條件下對襯砌裂縫的擴展規律及發展趨勢進行了預報。門洋[8]在室內用SJZ8-2型數字便攜式巖心直剪儀，進行試件的剪切試驗，通過繪制u-t試驗曲線，得出在等大的法向應力作用下，復合型PVC試件與PVC+土工布試件相比，剪切-位移繪制的圖形形狀基本相同，由此可知，PVC+土工布對混凝土的約束比復合型EVA小，在此基礎上，又進行了洞室大尺寸剪切試驗，試驗采用洞室內混凝土地面和一塊混凝土塊模擬襯砌，得出結論：（1）防水材料與緩沖層組合使用，對于襯砌的約束作用要小于防水材料單獨使用。（2）防水材料與緩沖層無粘結，對襯砌的約束作用要小于復合型防水材料。（3）對于同一材料，法向應力越大，對襯砌的約束作用越強。

1.3 理論分析

理論分析是利用已有的理論，經過一系列計算推導得出的結論，首先要明確問題，確定運用什么知識理論，然后進行計算，利用計算結果，分析得出結論，此方法相對來說，沒有通過事實來得出結論，可信度不是很高。

宋小行等[9]利用彈塑性理論分析，將襯砌結構簡化成厚壁圓筒進行分析，如果二襯襯砌結構可靠性滿足相關要求，則要滿足以下條件：，（——圓內最大內切力，——二次襯砌外半徑，——二次襯砌內半徑，——混凝土標準抗壓強度，——原始地應力）通過理論計算分析，得出了相關結論：（1）對于三級圍巖，可以將隧道二次襯砌簡化為厚壁圓筒的模型，利用彈塑性理論進行分析。（2）通過仿真模擬的方法來分析二次襯砌穩定性的結果與彈塑性理論的分析是一樣的。對于圍巖壓力的理論計算，常用的圍巖壓力計算理論有太沙基理論、普氏理論等，楊昌賢等[10]利用這些理論計算與實測值相比較，通過對3種圍巖的理論計算與實測值相比較，得出Ⅲ級圍巖、Ⅳ級圍巖、Ⅴ級圍巖深埋段比較符合實測值。崔磊[11]通過總結二次襯砌的計算方法，分析二次襯砌和初期支護的承載模式，提出釋放荷載系數分析方法，運用該方法，分析初期支護承受不同荷載釋放系數時，對二次襯砌結構的受力影響，總結出了初期支護擔荷載比和二次襯砌結構內力變化的一般規律等。李亞勇[12]利用多種理論計算方法求解隧道的相關問題，其中探討了理論計算中迭代次數對計算精度的重要影響,并給出迭代次數的確定原則。最后,對比分析了淺埋雙圓孔隧道徑距、地層沉降、夾角對圍巖應力及塑性區分布的影響等。

1.4 數值模擬

數值模擬大多數是利用計算機軟件，通過數值計算及圖像顯示的方法，用來達到對工程問題（公路隧道等）等各類問題的研究，對于隧道二次襯砌的研究，比如ANSYS軟件等等，以下就是有關利用數值模擬對隧道研究的成果。

在數值計算模擬的研究方面，李建軍等[13]通過大型數值分析軟件FLAC3D,用該軟件模擬圍巖材料的蠕變現象，通過對模型的理論數值分析，經過一系列計算，求得各監控點（拱頂、拱腰、拱腳等）以及安全系數是由于圍巖蠕變作用而引起的二次襯砌結構的內力隨時間變化而不斷變化的趨勢。李雷、張慧等[14]建立了二次襯砌結構法的有限元模型，通過一系列數值模擬分析，得出了二次襯砌內力隨隧道襯砌厚度及隧道的埋置深度的變化規律。吉艷雷[15]通過對海底的鋼筋銹蝕問題就行了研究，他是運用荷載結構法的原理建立了三車道的隧道實體單元模型，總結了鋼筋銹蝕對二次襯砌承載能力的影響規律。朱漢化、孫紅月等[16]對三車道公路隧道做過相關的模擬實驗，研究了襯砌壓力的分布狀況和襯砌結構的承載能力等。

2 結束語

本文通過對現場測試二次襯砌受力的相關文獻分析，知道了二次襯砌的復合式模型，并且知道了二次襯砌承受力以及分配圍巖壓力。通過一系列現場測試，得出了一些二次襯砌的受力特點，以及圍巖壓力與位移的關系等等。通過室內模擬試驗，利用試驗模擬，建立相關的模型來到達研究的目的，而且可以參與現場測試來相比較，得出更加準確的結論。理論分析就是利用相關的理論知識，比如彈塑性理論、太沙基理論等，利用這些理論可以分析得出二次襯砌可靠性以及圍巖壓力的相關計算等結論。數值模擬試驗是借助于軟件進行試驗分析，比如FLAC3D等，也可以建立相關的有限元模型，進行一系列數值模擬分析，也能得出二次襯砌結構的內力隨各種各種原因的變化趨勢，也能通過數值模擬二次襯砌承載能力的影響因素等。

經過分析一些研究有關二次襯砌的研究現狀，發現在理論分析方面比較好，而現場模擬及室內試驗，并不是很嚴謹，存在相關誤差。所以希望在做相關的試驗時，能把理論與現實相結合，現場測試試驗盡量按照理論要求來做，采用數值模擬利用軟件分析的時候，一定要熟悉相關軟件。另外還可以通過現場調查、收集資料，并統計隧道設計及施工參數等，利用有限元分析，分析二次襯砌結構的受力、變形特征及影響因素等。

隨著科技的發展，目前公路隧道是越來越多、越修越長、越修越寬，技術也越來越難，涉及結構、排水、安全等多種學科，而其基本特點是地質環境復雜，隧道工程的設計必須綜合考慮大量的、關系錯綜復雜的地質因素、工程因素、施工因素等，因此，進一步對隧道的研究有利于公路隧道的發展，更好的指導將來公路隧道的施工。

[1]王兵.雙車道公路隧道復合式襯砌研究[J].中國公路學報，1997，10(4):64-69.

[2]晏啟祥.不同開挖方式下軟巖小凈距隧道力學效應分析[J].現代隧道技術，2004，增刊:282-286.

[3]楊昌賢.公路隧道二次襯砌承載能力與優化設計研究[D].西南交通大學， 2010.

[4]李鵬飛.大斷面黃土二次襯砌受力特性研究[J].巖石力學與工程學報，2010,8(8):1691-1692.

[5]潘世強.公路隧道動態施工過程數值模擬與二次襯砌結構安全性分析[D].重慶交通大學，2010，（1）:15-16.

[6]潘世強.公路隧道動態施工過程數值模擬與二次襯砌結構安全性分析[D].重慶交通大學，2010，（1）：47-48.

[7]孫洋.大斷面帶片巖區公路隧道二襯開裂機理及安全評價[D].2015，（5）:6-7.

[8]門洋.嚴寒地區公路隧道二次襯砌縱向變形機理研究[D].吉林大學，2013，（4）:23-43.

[9]宋小行，楊再海，許剛，邵建峰，雷璇.隧道二次襯砌可靠性的仿真模擬分析[J].科學技術與工程，2010，（32）.

[10]楊昌賢，崔光耀，王樂明.基于監控測量的公路隧道二次襯砌受力分擔比例.世界地質，2012，（1）:194-197.

[11]崔磊.深埋式輸水隧洞初期支護對二次襯砌結構的受力影響研究[J].華北水利水電大學，2017，（1）：15-16.

[12]李亞勇.淺埋圓形隧道力學行為理論分析及應用[J].重慶大學，2016，（1）：91-98.

[13]李建軍，張志強.巖石蠕變對隧道二襯結構影響的研究[J].國防交通工程與技術，2011，（2）：23-27.

[14]李雷，張慧，潘彩君.鶩窩隧道二次襯砌數值模擬及襯砌安全性分析[J].巖土工程界，2007，（5）：51-53.

[15]吉艷雷.鋼筋銹蝕引起隧道二次襯砌性能退化的分析[J].四川建筑，2009，（2）：150-151.

[16]朱漢化，孫紅月，楊建輝.公路隧道圍巖穩定與支護技術[M].科學出版社，2007.