隧道斜井單層襯砌應用研究

黃川 程曉飛 王躍虎 白玉祥

摘要 為研究隧道斜井單層襯砌應用，文章結合寧石高速云霧山隧道工程概況，針對隧道斜井采用初期支護加聚丙烯纖維噴射混凝土的單層襯砌方式進行襯砌設計，并結合有限元軟件MIDAS/GTS來分析評價斜井結構穩定性和安全性，預算出襯砌設計的工程總造價變化情況。研究結果表明，采用單層襯砌進行隧道斜井支護可在保證原通風排水作用和安全性的基礎上，縮短施工周期，降低施工成本，減少人員、設備的整體投入。

關鍵詞 高速公路;隧道斜井;單層襯砌

中圖分類號 U452.2 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）03-0096-07

0 引言

隨著我國高速公路建設事業的不斷發展，截止目前，全國高速公路總里程已穩居世界首位，極大地推動了我國社會經濟的快速發展，同時也加大了各區域之間的交流和聯動。由于我國幅員遼闊，南北差異較大，在高速公路建設過程中往往會伴隨有橋梁、隧道、路基等工程，給公路建設帶來了較大的難度和挑戰。在隧道工程建設中，針對長隧道，為了提高隧道的施工安全，同時達到通風排水的目的，通常會在隧道相應軸線上貫通一條斜井通道，以增大隧道的施工作業面，隧道斜井內部的施工步驟與隧道主線大致相同，均需要進行必要的襯砌支護。然而，由于隧道斜井通常坡度較大，且施工難度高，同時會因圍巖巖性的變化而降低施工效率，因此，在條件允許的情況下可在斜井內進行單層襯砌施工，進行初支后采用噴射混凝土進行一次性永久支護[1]，在保證通風排水不受影響情況下達到縮短工期、節約成本的目的。該文圍繞隧道斜井單層襯砌應用進行展開，針對云霧山隧道斜井實際圍巖特性，采用斜井初期支護+C35聚丙烯纖維噴射混凝土進行襯砌設計，并采用有限元軟件來評價襯砌方案的安全性和可行性，且根據工程造價變化來評價襯砌設計的經濟效益。

1 工程概況

寧陜至石泉高速公路云霧山斜井進口位于安康市寧陜縣湯坪鎮，擬建線路云霧山隧道K17+500 m附近東側山體斜坡。斜井軸線走向與云霧山隧道基本一致，總體呈約186°走向，其自身坡度約為29%，斜井于線路約K18+380 m附近與云霧山隧道交匯，其起訖樁號為K0+000～K0+850 m，全長850 m，最大埋深約477 m。洞室圍巖主要巖性為全、強、中、微風化鈣質片巖及全、強風化花崗巖。通過實地的超前地質預報，勘察斜井掌子面揭露圍巖的巖性、完整性以及強度，對相應地段的圍巖分級、施工開挖方法以及支護參數進行調整，并對已完成開挖的地段進行監控量測，將斜井K0+063～K0+240段由斜井Ⅴ級圍巖變成Ⅲ級圍巖，K0+240～K0+790段的斜井Ⅲ級圍巖保持不變。原斜井設計為通排風結構，襯砌采用復合襯砌，前期施工中由于斜井傾斜角度較大，模筑混凝土的施工帶來很大困難，為此，擬采用單層襯砌形式進行支護，其設計優化具體為：斜井Ⅲ級圍巖段（K0+063～K0+240）已按變更設計完成初期支護的段落，表面再噴射一層8 cm厚C35聚丙烯纖維噴射混凝土進行補強;斜井Ⅲ級圍巖段（K0+240～K0+790）已按原設計完成初期支護的段落，表面再噴射一層10 cm厚C35聚丙烯纖維噴射混凝土進行補強。

由于上述兩段二襯尚未澆筑，未能及時施作，考慮采用初支維持不變，表面增噴一層混凝土的方式進行支護加強處理，目前隧道單層襯砌常用到鋼纖維噴射混凝土[2]，而為了防止在混凝土噴射過程中堵塞管道，擬定換為C35聚丙烯纖維噴射混凝土，其主要技術指標如表1所示。為驗證該隧道斜井單層襯砌應用的可行性，現對其安全評價和經濟效益進行研究。

2 單層襯砌工程特性分析

公路隧道為一種永久性建筑物，為確保隧道工程能達到長期運營的目的，隧道內應做襯砌，且在進行襯砌形式設計時應充分考慮合理性和經濟性。目前隧道襯砌形式主要為復合式襯砌和單層襯砌兩大類，其中單層襯砌（single shell lining）作為一種新型隧道支護體系，從20世紀70年代逐步發展起來，具有結構受力合理、施工方便、造價較低等顯著特點。噴錨襯砌是單層襯砌的一種，單層襯砌可以是單層的，也可以是多層的，可以是模筑混凝土的，也可以是噴混凝土和噴纖維混凝土的，其組合形態具有多樣性，其承載機理為支護層與襯砌層的力學動態為一體，各層間能夠充分傳遞剪力，形成共同承載體系[3]。單層襯砌概念圖如圖1所示。與復合式襯砌相比，單層襯砌支護結構力學特征存在較大差異，其各支護層之間由于未設置隔離層（如防水板、土工布）或涂有豁粘性能較好的防水涂料，層間具有很強的黏結力并可充分傳遞剪力，使得各支護層變形更具一體性[4]。另外，單層襯砌比復合式襯砌薄，能夠減少開挖量和襯砌圬工量，同時取消了防水板，換成耐水性很好的防水混凝土噴層，施工操作方便，可保證防水質量。另外，單層襯砌施作時所使用的機械設備數量較少，可擴大施工作業面，創造更大的施工空間，簡化了施工機械安裝拆卸等作業，有利于縮短工期，并可節約施工成本。

3 隧道斜井結構穩定性評價技術研究

3.1 數值模擬計算方法設定

公路隧道屬于細長型結構物，即隧道的橫斷面相對縱向的長度小很多，可以假定在圍巖荷載作用下，在其縱向沒有位移，只有橫向發生位移，所以隧道的力學分析可以采用平面應變模型進行展開[5]，計算分析決定采用MIDAS/GTS來完成。

由于隧道以及通風斜井為地下結構物，目前地下結構的主要設計計算方法有兩大類，即荷載結構法和地層結構法[6]，其中荷載結構法著眼于地層的荷載作用，襯砌結構應能安全可靠地承受地層壓力等荷載，而地層壓力是按照圍巖分級或實用公式來確定的。采用荷載結構法計算模型，計算方法簡單，工作量小，具有明確的安全系數評價方法，可以考慮到各種幾何形狀、圍巖和支護材料的非線性特性、開挖面空間效應所形成的三維狀態以及地質中的不連續面等[7]。結合云霧山隧道斜井的設計和檢測相關信息可得，進行斜井結構的安全評價和計算重點為驗算斜井未施作二襯時其結構能否承擔全部圍巖荷載，采用荷載結構法能更加快捷、有效、實際地對斜井結構安全狀況進行評價。

綜上所述，該次計算運用有限元軟件MIDAS/GTS來進行數值模擬，并結合荷載結構法來展開安全評價計算。根據隧址區具體地質情況，為驗證斜井結構的安全，按照最不利情況建立二組模型，采用荷載結構法對通風斜井XJ-Ⅲ-3襯砌斷面和通風斜井XJ-Ⅲ-4襯砌斷面進行結構計算。

3.2 有限元軟件實現

3.2.1 荷載結構法的一般計算步驟

采用有限元軟件MIDAS/GTS進行荷載結構法計算隧道襯砌受力及變形狀況時，采用梁單元模擬襯砌，并采用彈簧單元模擬襯砌與圍巖間的相互作用，即地層彈簧。

3.2.2 荷載的確定

根據公路隧道設計規范附錄D，計算斜井結構，初期支護外再施作8～10 cm厚C35聚丙烯纖維噴射混凝土承擔全部的圍巖荷載，以計算斜井結構的安全狀況。

3.2.3 襯砌結構模擬

根據隧道規范將噴射混凝土與鋼拱架視為整體進行內力計算，共同分析其承載能力，并按等效原則來折算支護結構的彈性模量和重度。

3.3 分離式隧道結構受力計算

3.3.1 隧道深淺埋劃分

按照隧道設計規范，并結合地質條件、施工方法等因素綜合確定荷載等效高度。

3.3.2 淺埋隧道圍巖壓力計算

（1）埋深（H）小于或等于等效荷載高度hq：

隧道頂部垂直壓力：

q=γH （1）

式中：q—隧道垂直均布壓力（kN/m2）;γ—圍巖容重（kN/m3）;H—隧道埋深，指隧道頂部至地面的距離（m）。

作用在襯砌上的隧道兩側水平圍巖壓力為：

（2）

（3）

式中：e1、e2—隧道拱頂與底部的水平圍巖壓力;γ—圍巖容重（kN/m3）;H—隧道埋深，指隧道頂部至地面的距離（m）;h—隧道開挖深度（m）;φ—圍巖計算摩擦角（°）。

（2）埋深大于hq、小于Hp：

埋深大于hq小于等于Hp時，為便于計算，假定巖體中的破裂面是一條與水平成角的斜直線。EFGH巖體下沉，帶動兩側三棱巖體下沉時，又要受到未擾動巖體的阻力;斜直線AC或BD是假定破裂面，分析時考慮內聚力C，并采用了計算摩擦角φ，另一滑面FH或EG則并非破裂面，因此，滑面阻力小于破裂面的阻力，若該滑面的摩擦角為θ，則θ值應小于值φ，無實測資料時，θ可按附錄D表2采用。

（4）

式中：q淺—隧道垂直壓力（kN/m2）;γ—坑道上腹圍巖容重（kN/m3）;H—隧道埋深，指坑頂至地面的距離（m）;B—隧道寬度（m）;λ—側壓力系數。

（5）

（6）

式中：φ—圍巖計算摩擦角（°）;θ—滑面的摩擦角（°），按表1確定。

作用在襯砌上的隧道兩側水平圍巖壓力為：

（7）

（8）

式中：e1、e2—隧道拱頂與底部的水平圍巖壓力;γ—圍巖容重（kN/m3）;h—隧道開挖高度（m）;φ—圍巖計算摩擦角（°）。

3.3.3 深埋隧道圍巖壓力計算

根據隧道設計規范規定，深埋支護結構承擔主要的荷載有圍巖松散壓力。

3.4 截面強度驗算

根據《公路隧道設計規范》（JTG 3370.1—2018） 規定，混凝土偏心受壓構件按破壞階段進行強度驗算。具體計算方法為根據材料的極限強度，計算出偏心受壓構件的極限承載力N極限，與實際內力相比較，得出截面的抗壓（或抗拉）強度安全系數，檢查其是否滿足《公路隧道設計規范》（JTG 3370.1—2018）的要求，即：

（9）

當由抗壓強度控制，即e=M/N≤0.2h時：

（10）

式中：φ—構件縱向系數，隧道襯砌取1;Ra—混凝土極限抗壓強度;α—軸力的偏心影響系數，按以下經驗公式確定：

（11）

式中：b—截面寬度，取1 m;h—截面厚度。

當由抗拉強度控制，即e=M/N≥0.2h時：

（12）

式中：Rl —混凝土極限抗拉強度。

值得注意的是，規范中抗拉控制驗算針對的是混凝土，由于設計上二次襯砌有時要采用模筑鋼筋混凝土，檢算中若由抗拉強度控制時，將不能采用上述公式進行檢算，需考慮配筋情況，根據配筋計算其安全系數，并檢驗其是否滿足規范要求。對模筑鋼筋混凝土若由抗拉強度控制時，具體驗算方法如下：

對于對稱配筋的偏心受壓構件先確定其為大偏心還是小偏心。

當x≤0.55h0時，為大偏心受壓情況，安全系數由下式計算：

（13）

當計算中考慮受壓鋼筋時，則混凝土受壓區高度應符合x≥2a′，如不符合，則按下式計算：

（14）

當x>0.55h0時，為小偏心受壓情況，安全系數由下式計算：

（15）

當軸向力N作用于鋼筋Ag的重心與鋼筋Ag′的重心之間，應采用下式計算安全系數：

（16）

其中：a′—混凝土保護層厚度;Rg—鋼筋的抗拉或抗壓計算強度標準值，取335 MPa;h0—截面的有效高度（m），h0=h?a′;Ag、Ag′—受拉或受壓區鋼筋的截面面積;RW—混凝土彎曲抗壓極限強度標準值，RW=1.25Ra;h—截面高度（m）;e、e′—鋼筋Ag和Ag′的重心至軸向力作用的距離（m）;x—受壓區計算高度（m）。

4 隧道斜井結構優化效果評價

4.1 安全評價

4.1.1 通風斜井XJ-Ⅲ-3襯砌斷面結構計算

首先選擇計算參數，其中γ為25 kN/m3，計算摩擦角φ為60°，彈性抗力系數為800 MPa/m，按照GAP約束襯砌全斷面進行約束，其計算模型及荷載分布如圖2所示，其荷載計算結果如表3所示，模擬計算結果分析如圖3～8所示。

采用材料力學與結構力學的方法，在算得結構內力的基礎上，將斜井襯砌結構按照鋼筋混凝土構件計算其安全系數，同時結合隧道的變形等來綜合評價襯砌的支護效果。該斜井結構支護采用的初期支護+8 cm厚C35聚丙烯纖維噴射混凝土，對應的混凝土彎曲抗壓極限強度標準值RW為29.8 MPa，型鋼拱架Rg為335 MPa，截面高度h為0.30 m，有效高度h0為0.25 m，計算寬度為1.0 m，偏心距e0=M/N，計算偏心距e=e0+（0.55h?0.05）、e′=e0?（0.55h?0.05）。結合《公路隧道設計規范》計算的襯砌截面安全系數列如表4所示。

根據表4計算結果，墻腳和拱腰的安全系數較小最小值為2.04，斜井襯砌結構的強度安全系數大于《公路隧道設計規范》（JTG 3370.1—2018）中表9.2.4.2中規定的最小強度安全系數。

4.1.2 通風斜井XJ-Ⅲ-4襯砌斷面結構計算

首先選擇計算參數，其中γ為26.5 kN/m3，計算摩擦角φ為70°，彈性抗力系數為1 200 MPa/m，按照GAP約束襯砌全斷面進行約束，其計算模型及荷載分布如圖7所示，其荷載計算結果如表5所示，模擬計算結果分析如圖8～11所示。

同理，該斜井結構支護采用的初期支護+10 cm厚C35聚丙烯纖維噴射混凝土，對應的混凝土彎曲抗壓極限強度標準值Rw為28.6 MPa，型鋼拱架Rg為335 MPa，截面高度h為0.20 m，有效高度h0為0.15 m，計算寬度為1.0 m，偏心距e0=M/N，計算偏心距e=e0+（0.55h?0.05）、e′=e0?（0.55h?0.05）。結合《公路隧道設計規范》計算的襯砌截面安全系數列如表6所示。

根據以上計算結果，墻腳和拱腰的安全系數較小最小值為2.06，斜井襯砌結構的強度安全系數大于《公路隧道設計規范》（JTG 3370.1—2018）中表9.2.4.2中規定的最小強度安全系數。

綜上所示，通過對斜井襯砌結構計算，將斜井初期支護+C35聚丙烯纖維噴射混凝土視為整體進行內力計算，計算結果表明結構受力和安全系數能夠滿足規范要求，結構安全。考慮到斜井二襯的施工難度，故可建議取消云霧山隧道部分Ⅲ級圍巖段落的斜井二襯。

4.2 效益評價

4.2.1 社會效益

隧道斜井單層襯砌支護相比于復合型襯砌其施工簡單，其結構工藝有較大的改進，如復合型襯砌中的U型鋼支架以及鋼筋網都被代替，聚丙烯混凝土噴射完畢后可在隧道斜井表面快速形成一層較強的連續支撐力，有效預防圍巖脫落;在普通的噴射混凝土中摻加適量的聚丙烯纖維，可明顯提高混凝土的抗壓、抗折等性能，進而提高斜井的整體穩定性，實現隧道單層襯砌一次永久支護。同時單層襯砌的施作可與斜井掘進同步平行完成，整個施工過程中使用的施工機械設備數量較少，且較為輕便靈敏，降低了人員、設備的投入，間接降低了施工成本，另外在單層襯砌施工中無需使用二襯臺車，給相對狹小的斜井中創造了較大的工作面，縮短工期的同時節約工程造價[8]。

4.2.2 經濟效益

云霧山隧道斜井中襯砌結構變更為單層襯砌后，與原設計方案相比得到整體施工工序大大減少，且減少了土石開挖量，同時省去防水板等結構物，降低造價和成本，設計變更優化前后隧道斜井預算合價變化情況如表7所示。根據表中數據可得，原設計的工程總造價為3 734.98萬元，變更為單層襯砌后其工程總造價變為3 373.26萬元，總費用共節約了361.72萬元，其經濟效益顯著。

5 結語

該文圍繞隧道斜井單層襯砌應用進行展開，結合寧石高速云霧山隧道斜井結構作為依托，經過專家評審決定采用初期支護和聚丙烯纖維噴射混凝土的單層襯砌方式進行斜井襯砌設計，以增強隧道斜井結構的穩定性。主要采用有限元軟件MIDAS/GTS進行整體內力計算，以得出斜井襯砌結構的結構強度和安全系數，并結合施工技術要點和經濟效率控制來評價整體效益。研究結果得到：

（1）采用有限元軟件MIDAS/GTS進行整體內力計算，得出斜井襯砌結構的結構強度和安全系數均滿足規范設計要求，證實取消二襯施工、采用單層襯砌的設計方案具有可行性。

（2）隧道斜井單層襯砌支護相比于復合型襯砌其施工簡單，其結構工藝有較大的改進，可實現隧道單層襯砌一次永久支護。

（3）單層襯砌的施作可與斜井掘進同步平行完成，整個施工過程中使用的施工機械設備數量較少，且較為輕便靈敏，降低了人員、設備的投入，間接降低了施工成本，另外在單層襯砌施工中無需使用二襯臺車，給相對狹小的斜井中創造了較大的工作面。

（4）采用單層襯砌設計后斜井總的工程造價共節約了361.72萬元，具有較高的經濟效益，同時可縮短施工周期，提高隧道工程整體施工效率，具有較高的經濟效益。

參考文獻

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