基于西山隧道對(duì)單洞四車道隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

燕 新，焦云成，高明明

（新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

引言

隨著國(guó)家的發(fā)展，許多地區(qū)越來(lái)越重視交通的發(fā)展，尤其針對(duì)廣西、云南、貴州以及新疆等地方。在道路發(fā)展中，隧道工程的重要性和問(wèn)題也越來(lái)越多，如塌方冒頂、突泥涌水［1］等問(wèn)題。其中對(duì)單洞四車道隧道大斷面而言，面臨的問(wèn)題更加復(fù)雜［2］，其中隧道斷面跨度大，開(kāi)挖難度大，地質(zhì)復(fù)雜，支護(hù)參數(shù)要求高。

針對(duì)單洞四車道隧道遇到問(wèn)題，宮成兵等［3］基于龍頭山隧道對(duì)斷面形式、支護(hù)結(jié)構(gòu)方式以及開(kāi)挖工法進(jìn)行研究；吳明先等［4］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，優(yōu)化了單洞四車道的斷面形式和開(kāi)挖工法。單洞四車道大斷面的所處地質(zhì)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，需要對(duì)單洞四車道的初期支護(hù)和襯砌進(jìn)行分析。

1 工程簡(jiǎn)介

西山隧道處路線穿越西山山脊，高程變幅為990～ 1 200 m，高差210 m，地勢(shì)起伏，山勢(shì)陡峻。隧道巖性主要為砂巖中間夾有強(qiáng)風(fēng)化薄層泥巖巖層，風(fēng)化嚴(yán)重，形成凹槽。主要發(fā)育兩組切層裂隙，裂隙閉合，鈣質(zhì)填充，延伸1～3 m。根據(jù)國(guó)家地震局《中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》（GB18306—2015），該處地震動(dòng)峰值加速度值等于0.20 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.40 s。根據(jù)《公路隧道抗震規(guī)范》（JTG2232—2019），抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，場(chǎng)地類別為I 類。

2 模擬參數(shù)及假設(shè)

2.1 計(jì)算參數(shù)

西山隧道進(jìn)口圍巖主要為強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾泥巖，隧道圍巖分級(jí)［BQ］值小于250，單軸飽和抗壓強(qiáng)度為14 MPa，屬于軟巖。天然重度取值24 kN/m3，彈性模量E0為 5 000 MPa，泊松比0.35，黏聚力為 0.03 MPa，內(nèi)摩擦角為35°。

（1）初期支護(hù)參數(shù)：采用I25 b 工字鋼，噴射30 cm 厚C25 混凝土；（2）二襯支護(hù)參數(shù)：襯砌厚度為80 cm，混凝土采用C45，環(huán)形鋼筋采用直徑為25 mm，縱向鋼筋采用25 mm。

為了保證模擬的有效性和準(zhǔn)確性：（1）在初期支護(hù)穩(wěn)定分析僅考慮圍巖自重和結(jié)構(gòu)自重，不考慮其他力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；在襯砌結(jié)構(gòu)受力分析中，考慮地震荷載對(duì)和溫度荷載對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)整體性的影響；（2）巖體為各項(xiàng)同性材料；（3）巖體服從Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則。

3 數(shù)值模擬

采用ANSYS 有限元軟件對(duì)V 級(jí)淺埋段的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。根據(jù)初期支護(hù)、襯砌支護(hù)的受力特點(diǎn)，采用不同的方法對(duì)初期支護(hù)和襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。（1）利用地層-結(jié)構(gòu)法進(jìn)行二維數(shù)值仿真分析初期支護(hù)與圍巖穩(wěn)定性；（2）采用荷載-結(jié)構(gòu)對(duì)襯砌的受力特點(diǎn)和穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

3.1 初期支護(hù)模擬

建立二維模型，長(zhǎng)度200 m，寬度100 m。邊界條件：當(dāng)x=-100 時(shí)，y=0；當(dāng)x=100 時(shí)，y=0；當(dāng)y=100 時(shí)，x=0。

以V 級(jí)圍巖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖為例，分析CRD（交叉中隔壁工法）對(duì)圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)參數(shù)的合理性。建立模型，見(jiàn)圖1。

圖1 雙側(cè)壁法數(shù)值仿真模型

根據(jù)對(duì)隧道開(kāi)挖工法進(jìn)行模擬，可得隧道周邊變形和拱頂變形云圖，見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 拱頂沉降/m

圖3 水平位移/m

從圖2、圖3 可知，西山隧道V 級(jí)段拱頂沉降約35 mm，先行開(kāi)挖的右邊墻最大水平位移為10 mm，后開(kāi)挖的左邊墻最大水平位移為12.5 mm，總的水平收斂為22.5 mm。根據(jù)分析，CRD 開(kāi)挖工法對(duì)于西山隧道進(jìn)口淺埋段圍巖變形有明顯的控制作用。

由圖4、圖5 可知，初期支護(hù)以承壓為主，絕大部分壓應(yīng)力均小于10 MPa，僅墻腳與仰拱接頭位置的初期支護(hù)壓應(yīng)力達(dá)到24 MPa，基本達(dá)到噴射混凝土屈服強(qiáng)度。臨時(shí)支撐壓應(yīng)力達(dá)10 MPa，彎曲較大。主要原因是V 級(jí)淺埋段開(kāi)挖后，擾動(dòng)范圍較大，產(chǎn)生松動(dòng)壓力較大，同時(shí)臨時(shí)支護(hù)作為細(xì)桿結(jié)構(gòu)，容易發(fā)生彎曲。

圖4 初期支護(hù)最大壓應(yīng)力/Pa

圖5 初期支護(hù)最大拉應(yīng)力/Pa

隧道初期支護(hù)整體強(qiáng)度滿足要求，可以抑制圍巖變形。由于僅墻腳與仰拱接頭位置的初期支護(hù)壓應(yīng)力達(dá)到混凝土的屈服強(qiáng)度，因此，應(yīng)該及時(shí)施做二襯支護(hù)，保證圍巖的穩(wěn)定性。

3.2 二襯支護(hù)模擬

對(duì)于V 級(jí)淺埋地段，隧道開(kāi)挖后一定范圍內(nèi)隧道頂部受到擾動(dòng)，初期支護(hù)承受著較大的圍巖壓力，容易發(fā)生破壞，將擾動(dòng)后的圍巖等效豎向應(yīng)力，采用荷載結(jié)構(gòu)法，對(duì)隧道襯砌的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬。

襯砌計(jì)算考慮的主要荷載為永久荷載（襯砌結(jié)構(gòu)自重、地層壓力、側(cè)向地層壓力及地基反力、可變荷載（寒區(qū)溫度變化的影響力）、偶然荷載（地震力）。

計(jì)算主要考慮三種組合：標(biāo)準(zhǔn)組合（永久荷載控制）、組合1（溫度控制）、組合2（地震控制）。其中二襯內(nèi)側(cè)0 ℃與外側(cè)-15 ℃考慮。V 級(jí)淺埋段的三種組合的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 V 級(jí)淺埋加強(qiáng)段襯砌各組合下結(jié)構(gòu)內(nèi)力

（1）單向四車道拱頂、邊墻、仰拱等關(guān)鍵部位的受力較大；（2）在溫度組合控制下，拱肩以下至邊墻等部位受力有所減小，但拱頂、仰拱受彎顯著增大，拱頂增幅20%；（3）在8 度地震力組合控制下，全環(huán)襯砌受力較之標(biāo)準(zhǔn)組合均有較大幅度增加，其中拱部、邊墻部位的彎矩與軸力增幅約20%～25%，仰拱彎矩與軸力增幅約15%左右。受水平地震力的不對(duì)稱影響，右半幅襯砌受力較之左半幅襯砌增幅有差異，也呈現(xiàn)不對(duì)稱分布；（4）在上述組合受力下，雖然全環(huán)襯砌受力增大，但是襯砌受力均為達(dá)到屈服應(yīng)力，表明隧道結(jié)構(gòu)的有效性和安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）基于西繞城單洞四車道隧道，利用ANSYS對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和圍巖變形進(jìn)行分析。根據(jù)模擬結(jié)果可以表明：在單洞四車道隧道中，CRD 開(kāi)挖工法中臨時(shí)支護(hù)受力比較大，其壓力大于10 MPa，有效地約束了圍巖的變形；（2）考慮可變荷載（寒區(qū)溫度變化的影響力）、偶然荷載（地震力）對(duì)襯砌進(jìn)行受力分析，在地震力中，支護(hù)結(jié)構(gòu)各部分剪力、軸力和彎矩均有增加，并呈現(xiàn)不對(duì)稱性。但是結(jié)構(gòu)力中均未達(dá)到屈服應(yīng)力，保證隧道結(jié)構(gòu)是有效的。