水下隧道二次襯砌支護時機及力學效應研究

周小杰，張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

近年來，隨著公路交通事業的迅猛發展，我國對交通隧道的建設需求越來越迫切，各種水下隧道也在不斷涌現。作為公路隧道的重要組成部分，相較一般地面隧道，水下隧道具有保護環境與水質、綜合造價較低、對周圍環境影響較小的特點，并能較好地抵抗自然災害的影響。

隧道在施工和運營期間承受著極大的圍巖壓力，需要施作支護來確保隧道結構的穩定與安全。其中，二次襯砌施作時機的過早和過晚都會對隧道產生嚴重影響。為此，學者針對二次襯砌的施作時機進行了相關研究，如Wang[1]等人以Shiziyang隧道為背景，采用相似模型試驗，對二次襯砌在不同施工時間的荷載變化特征進行分析；劉維寧[2]等人將地鐵車站二次襯砌施作時機分為橫通道開挖前后兩種方案，采用FLAC 3D有限差分軟件對兩種方案進行比對分析；李克偉[3]針對高速公路中新奧法施工的隧道，監測施工期圍巖變形，給出在不同級別下合適的二次襯砌施作時間；馬明[4]等人針對高速公路軟弱變質片巖隧道，采用改進的Burgers粘彈塑性蠕變模型對隧道襯砌受力進行分析，確定隧道二次襯砌合理的施作時機；劉志春[5]等人以具有軟巖大變形特點的烏鞘嶺隧道工程為例，根據計算所得的極限位移、彈性位移和實測變形值，提出在不同大變形級別下的二次襯砌施作時機的兩個判別指標；陳軍[6]等人對采用雙側壁導坑法施工的隧道進行數值模擬，研究了二次襯砌與掌子面距離對隧道穩定性的影響。

水下隧道由于其特殊性，對其支護結構的施作時機相較一般隧道要求更高，目前就水下隧道施工二次襯砌施作時機的研究較少。基于此，本文以某水下公路隧道山嶺段為依托工程，采用大型通用有限元分析軟件ANSYS對水下隧道二次襯砌施做的時機進行研究，以期為類似水下隧道的設計和施工提供參考。

1 數值模擬及參數選取

本文根據依托某水下公路隧道山嶺段工程的實際情況，采用有限元分析軟件ANSYS來進行工程數值模擬。模型采用荷載—結構法，隧道洞徑為11.6 m，洞高為9.42 m，初期支護和二次襯砌分別采用C25和C45混凝土，具體物理參數見表1。

表1 支護結構計算參數

隧道所處地層為軟弱圍巖，圍巖級別為V級，且存在構造破碎帶。本工程的水下隧道采用臺階開挖留核心土法施工，開挖循環進尺為2 m。某水下公路隧道山嶺段的具體施工順序如圖1所示。

圖1 隧道施工順序

2 圍巖形變壓力計算

隧道開挖引起的圍巖變形在支護結構的限制作用下會產生形變壓力，形變壓力引起變形具有變形速度慢且持久的特點，使其與二次襯砌施作時機緊密相關。采用卡斯特納公式計算其中的形變壓力。在圓形斷面下卡斯特納公式如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：R為塑性區半徑；a為隧道開挖尺寸；ξ為塑性系數；p0為初始地應力;φ為圍巖內摩擦角；c為圍巖粘聚力；pi為圍巖塑性形變壓力。

由于本工程水下隧道截面為馬蹄形，為計算馬蹄形斷面的圍巖形變壓力，故采用如式(4)所示的斷面形式轉換公式：

(4)

式中：B為斷面跨度；F為洞身高度。

根據式(1)～式(4)，聯立計算可得圍巖在水下隧道施工中的形變壓力大小為164.779 kPa。

3 不同支護工況設置

為計算作用在二次襯砌上的圍巖壓力，將地層—結構法計算得到的作用在初支上的松散壓力，與卡斯特納公式計算所得的圍巖塑性形變壓力一起施加到隧道初支和二次襯砌的荷載結構模型上，進行計算。其中荷載結構模型如圖2所示。

圖2 支護結構計算模型

為研究隧道結構在不同二次襯砌施作時機下的圍巖壓力的影響，根據不同時機下荷載的釋放程度，選取三個典型的支護時機：荷載無釋放、荷載釋放60 %及荷載釋放80 %，分成三組工況。三組荷載釋放率所對應的工況如表2所示。

表2 不同支護時機對應工況

4 計算結果分析

4.1 二次襯砌結構軸力

不同施作時機下二次襯砌軸力，如圖3所示。

(a)工況一

由圖3可以看出，當荷載釋放率為80 %(工況三)時，此時二次襯砌只承擔20 %的圍巖壓力，隧道二次襯砌結構截面內部的軸力最小，軸力的變化范圍為205.93～305.47 kN，最小值出現在拱頂處。隨著荷載釋放率的減小，二次襯砌承受的圍巖壓力逐漸增大，二次襯砌結構內部的軸力也在不斷增大，當荷載不釋放(工況一)時，在隧道二次襯砌結構截面內部的軸力達到最大，其軸力的變化范圍為967.69～1 320.42 kN，在墻腳處出現最大值。

4.2 二次襯砌結構彎矩

不同施作時機下二次襯砌彎矩，如圖4所示。

由圖4可以看出，當荷載釋放率為80 %(工況三)時，隧道二次襯砌截面內部的彎矩最小，其變化范圍為-42.29～85.11 kN·m，最小值出現在拱肩處。隨著荷載釋放率的減小，二次襯砌承受的圍巖壓力逐漸增大，二次襯砌彎矩逐漸增大，當荷載不釋放(工況一)時，在隧道二次襯砌截面內部的彎矩也達到最大，其彎矩的變化范圍為-189.57～274.33 kN·m，在墻腳處出現最大值。

4.3 二次襯砌結構安全系數

根據圖3和圖4所示的數據，依據JTGD 70-2004《公路隧道設計規范》計算在不同施做時機下二次襯砌結構的安全系數如圖5所示。

計算得到隧道二次襯砌各關鍵部位安全系數，如圖5所示，從中可看出，在不同工況下安全系數最小值均出現在墻腳附近。荷載釋放率為80 %時，隧道二次襯砌各部位安全系數最大，其中最小安全系數為7.02，遠高于規范規定的安全系數臨界值，因此此時隧道二次襯砌結構安全。隨荷載釋放率逐漸減小，可以看到二次襯砌各部位安全系數隨之變小，在荷載不釋放(工況一)時，可以看到此時二次襯砌結構的最小安全系數2.59已臨近規范給定的安全系數臨界值2.4，可以推斷在荷載不釋放情況下隧道二次襯砌結構極有可能發生破壞，需在墻腳等關鍵部位附近采用額外的加固措施。

(a)工況一

(a)工況一

5 結論

本文計算了作用在隧道截面的形變壓力，并采用數值模擬，對水下隧道在不同二次襯砌施作時間下的二次襯砌結構的軸力、彎矩和安全系數進行計算和分析，得到了以下結論：

(1)水下隧道的二次襯砌結構受力計算應綜合考慮圍巖的松散壓力和形變壓力。

(2)在不同的二次襯砌施作時機下，當隧道開挖后直接施作支護時，二次襯砌結構的內力最大。隨著圍巖荷載釋放率的增大，二次襯砌結構的軸力和彎矩隨之逐漸減小。

(3)在荷載不釋放的情況下快速施作二次襯砌支護，將會使二次襯砌存在結構破壞的風險；過分釋放圍巖荷載又必然存在隧道結構變形過大的隱患。因此在水下隧道施工過程中，應在釋放一定的圍巖荷載后再施作二次襯砌，以保持適當荷載釋放率，有效提高二次襯砌結構的安全系數，確保水下隧道的穩定與安全。