基于西山隧道對單洞四車道隧道支護結構受力分析

燕 新，焦云成，高明明

（新疆交通規劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

引言

隨著國家的發展，許多地區越來越重視交通的發展，尤其針對廣西、云南、貴州以及新疆等地方。在道路發展中，隧道工程的重要性和問題也越來越多，如塌方冒頂、突泥涌水［1］等問題。其中對單洞四車道隧道大斷面而言，面臨的問題更加復雜［2］，其中隧道斷面跨度大，開挖難度大，地質復雜，支護參數要求高。

針對單洞四車道隧道遇到問題，宮成兵等［3］基于龍頭山隧道對斷面形式、支護結構方式以及開挖工法進行研究；吳明先等［4］通過現場試驗，優化了單洞四車道的斷面形式和開挖工法。單洞四車道大斷面的所處地質復雜，結構受力復雜，需要對單洞四車道的初期支護和襯砌進行分析。

1 工程簡介

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，地勢起伏，山勢陡峻。隧道巖性主要為砂巖中間夾有強風化薄層泥巖巖層，風化嚴重，形成凹槽。主要發育兩組切層裂隙，裂隙閉合，鈣質填充，延伸1～3 m。根據國家地震局《中國地震動峰值加速度區劃圖》（GB18306—2015），該處地震動峰值加速度值等于0.20 g，地震動反應譜特征周期0.40 s。根據《公路隧道抗震規范》（JTG2232—2019），抗震設防烈度為Ⅷ度，場地類別為I 類。

2 模擬參數及假設

2.1 計算參數

西山隧道進口圍巖主要為強風化砂巖夾泥巖，隧道圍巖分級［BQ］值小于250，單軸飽和抗壓強度為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，內摩擦角為35°。

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

為了保證模擬的有效性和準確性：（1）在初期支護穩定分析僅考慮圍巖自重和結構自重，不考慮其他力對結構的影響；在襯砌結構受力分析中，考慮地震荷載對和溫度荷載對隧道支護結構整體性的影響；（2）巖體為各項同性材料；（3）巖體服從Mohr-Coulomb 屈服準則。

3 數值模擬

采用ANSYS 有限元軟件對V 級淺埋段的支護結構進行分析。根據初期支護、襯砌支護的受力特點，采用不同的方法對初期支護和襯砌結構進行受力分析。（1）利用地層-結構法進行二維數值仿真分析初期支護與圍巖穩定性；（2）采用荷載-結構對襯砌的受力特點和穩定性進行分析。

3.1 初期支護模擬

建立二維模型，長度200 m，寬度100 m。邊界條件：當x=-100 時，y=0；當x=100 時，y=0；當y=100 時，x=0。

以V 級圍巖采用雙側壁導坑法開挖為例，分析CRD（交叉中隔壁工法）對圍巖穩定性及支護參數的合理性。建立模型，見圖1。

圖1 雙側壁法數值仿真模型

根據對隧道開挖工法進行模擬，可得隧道周邊變形和拱頂變形云圖，見圖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 級段拱頂沉降約35 mm，先行開挖的右邊墻最大水平位移為10 mm，后開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。根據分析，CRD 開挖工法對于西山隧道進口淺埋段圍巖變形有明顯的控制作用。

由圖4、圖5 可知，初期支護以承壓為主，絕大部分壓應力均小于10 MPa，僅墻腳與仰拱接頭位置的初期支護壓應力達到24 MPa，基本達到噴射混凝土屈服強度。臨時支撐壓應力達10 MPa，彎曲較大。主要原因是V 級淺埋段開挖后，擾動范圍較大，產生松動壓力較大，同時臨時支護作為細桿結構，容易發生彎曲。

圖4 初期支護最大壓應力/Pa

圖5 初期支護最大拉應力/Pa

隧道初期支護整體強度滿足要求，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壓應力達到混凝土的屈服強度，因此，應該及時施做二襯支護，保證圍巖的穩定性。

3.2 二襯支護模擬

對于V 級淺埋地段，隧道開挖后一定范圍內隧道頂部受到擾動，初期支護承受著較大的圍巖壓力，容易發生破壞，將擾動后的圍巖等效豎向應力，采用荷載結構法，對隧道襯砌的穩定性進行模擬。

襯砌計算考慮的主要荷載為永久荷載（襯砌結構自重、地層壓力、側向地層壓力及地基反力、可變荷載（寒區溫度變化的影響力）、偶然荷載（地震力）。

計算主要考慮三種組合：標準組合（永久荷載控制）、組合1（溫度控制）、組合2（地震控制）。其中二襯內側0 ℃與外側-15 ℃考慮。V 級淺埋段的三種組合的計算結果見表1。

表1 V 級淺埋加強段襯砌各組合下結構內力

（1）單向四車道拱頂、邊墻、仰拱等關鍵部位的受力較大；（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，全環襯砌受力較之標準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，也呈現不對稱分布；（4）在上述組合受力下，雖然全環襯砌受力增大，但是襯砌受力均為達到屈服應力，表明隧道結構的有效性和安全性。

4 結語

（1）基于西繞城單洞四車道隧道，利用ANSYS對隧道支護結構受力和圍巖變形進行分析。根據模擬結果可以表明：在單洞四車道隧道中，CRD 開挖工法中臨時支護受力比較大，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（寒區溫度變化的影響力）、偶然荷載（地震力）對襯砌進行受力分析，在地震力中，支護結構各部分剪力、軸力和彎矩均有增加，并呈現不對稱性。但是結構力中均未達到屈服應力，保證隧道結構是有效的。