公路隧道裝配式襯砌荷載分擔比研究

徐洪彬,李 鵬,譚 忠

（1.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司,四川 成都 610041；2.中冶賽迪工程技術股份有限公司,重慶 400013）

引言

國際隧協ITA 統計顯示,我國已成為全球隧道數量最多、建設規模最大、發展速度最快的國家。在我國公路隧道建設過程中新奧法得到廣泛應用,基于新奧法的復合式支護體系也得到了大量工程的驗證,然而現行規范中關于復合式襯砌的荷載分擔比例劃分仍存在不小爭議。根據項目組前期的研究工作[1-3],要在新奧法施工的公路隧道中設計和應用裝配式襯砌,明確選擇了裝配式工藝下襯砌結構的荷載分擔比例勢在必行。

本研究通過分析現場實測監測數據,結合數值仿真分析并開展大量文獻調研對山嶺公路裝配式隧道襯砌結構的結構荷載分擔比例展開研究,分析了在采用鉆爆法進行開挖施工時,單洞兩車道山嶺公路隧道的二次襯砌結構在不同圍巖地質等級等情況下的荷載分擔關系。

1 支護結構相互關系

1.1 裝配式二次襯砌荷載分擔比例的影響因素

新奧法理論指導下,鉆爆施工后需及時施作初期支護,初支具有一定柔性,能夠與圍巖共同變形、共同承載,起到發揮圍巖自我承載能力的作用。初支與二次襯砌之間主要傳遞徑向力,實現了類似疊合梁結構的承載模式。圍巖、初支與二次襯砌共同構成了抵抗圍巖變形的承載體系,明確具體的荷載分擔比例是指導結構設計以及現場施工的重要依據。

通過調研國內大量工程實例,山嶺公路隧道工程中裝配式襯砌結構的應用并不廣泛,且應用結構的受力模式與傳統現澆襯砌結構相差較大。根據現有山嶺公路隧道工程實際施工經驗,伴隨著掌子面開挖后,會發生圍巖應力重分布,釋放圍巖荷載的承載體與施工工藝相關度較高（即與襯砌支護結構施作時間、支護結構形式相關）。不同施工階段期,承載圍巖壓力的主體不同,圍巖、初支結構與二襯結構的荷載分擔系數也不相同。這是一個極為復雜的變化過程。通過調研,二襯結構的不同位置在建設周期內都承擔了一定比例的荷載。在實際施工、營運期間,圍巖、初期支護以及二襯的荷載分擔系數應根據實際工況具體分析。受襯砌條件等影響的同時,荷載分擔比對襯砌厚度與結構剛度有一定的影響,且施作時機和支護參數對結構的設計有一定的指導意義。二襯結構荷載分擔比對確定二襯厚度有指導意義。圍巖分級與二襯施作時間對荷載分擔比有較大影響。二襯施作時間也直接受到圍巖等級的影響。

本研究以山嶺公路隧道工程施作為出發點,選擇不同圍巖級別下,研究采用不同裝配時機（同步裝配、貫通裝配、滯后裝配）下、不同工況下,襯砌結構的荷載分擔比。

1.2 荷載分擔比的研究方法

目前,二襯荷載比的研究方法多通過實測層間接觸壓力并通過計算得到比例系數：通過在初支與圍巖間設置壓力盒,在初支與二襯間設置壓力盒,分別測得圍巖- 初支接觸壓力、初支- 二襯接觸壓力,完成測得一個或多個橫斷面的圍巖與襯砌結構的壓力數據后,將二襯荷載分擔比定義為初支二襯接觸壓力與圍巖初支接觸壓力的比值,用符號G 表示。為使取值更加精確,取多個測點的數值的平均值。

2 荷載分擔比研究

2.1 統計分析

查閱大量工程實例及文獻查閱[4-10]總結提出不同工況下的二次襯砌荷載分擔比。

表1 中工況均為屬于或接近深埋斷面、滯后裝配的情況。分析可知,在滯后裝配以及深埋斷面的工況條件下,二襯荷載分擔比值具有以下特征：

表1 二次襯砌荷載分擔比統計

（1） 當圍巖等級為Ⅲ級時,二襯荷載分擔比值在10%～30%。

（2） 當圍巖等級為Ⅳ級時,二襯荷載分擔比值在20%～50%。

（3） 當圍巖等級為Ⅴ級時,二襯荷載分擔比值在20%～80%。

由于實際工程現場難以進行變量控制細化分類,因此二襯荷載分擔比結果值較為離散,結論有一定偏差,且與規范有一定偏差。

2.2 工程實測分析

2.2.1 工程概況

以華麗高速公路某隧道工程為依托項目。隧道采用新奧法進行施工,隧道內輪廓設計采用三心圓斷面。一般情況下,圍巖等級為Ⅲ級時,應采用全斷面法施工；圍巖等級為Ⅳ級、Ⅴ級時,應采用臺階法。采用噴射混凝土的方式進行初支澆筑,待圍巖變形值趨于穩定后,進行二襯的澆筑。隧道支護設計參數見表2。

表2 隧道支護設計參數

分別在級別為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級的圍巖中選擇多組斷面布置測點埋設壓力盒以測得圍巖壓力。測點位置設置在拱頂、兩側拱腰及兩側邊墻共計單環斷面布置5個壓力測點。

2.2.2 工程應用效果分析與評價

（1） 實測值與經驗值對比 根據“公路隧道設計規范”提供的經驗公式,計算得到圍巖壓力數值。將計算得經驗值與實測圍巖壓力進行對比。

分析表3 可知,計算得經驗值均大于實測值,原因由以下幾點：① 圍巖承載后發生形變并分擔部分壓力；② 由于隧道開挖斷面的存在,圍巖壓力得到釋放。因此實測值并非圍巖壓力的全部數值,導致實測值小于經驗值。這也驗證了“公路隧道設計規范”經驗公式的適用。

表3 圍巖壓力統計

（2） 二襯荷載分擔比分析 以實測監控數據為依據,對二襯荷載分擔比展開研究。選取不同圍巖級別下,通過壓力盒采集到的具有代表性的3 組斷面數據作為標本進行分析。

由表4 可知,隧道二次襯砌的荷載分擔比例隨圍巖等級的增加而增大。

表4 實測隧道二次襯砌荷載分擔比統計

2.3 二次襯砌荷載分擔比例數值模擬

2.3.1 計算模型與參數

（1） 基本假設 本研究采用地層結構法展開分析。為便于建模,減少計算量,提出以下計算假定：圍巖本構選取莫爾- 庫倫準則,認為圍巖為均質體且各向同性；認為地下水處置得當,隧址區已無地下水；設定隧道形式為分離式,故僅建立單洞模型進行仿真分析。

（2） 計算模型 模型見圖1。隧道洞徑寬10.9 m,高7.05 m。為模擬襯砌與圍巖的相互作用,在襯砌與圍巖網格間設置接觸,同時方便在后處理中提取接觸壓力值。

圖1 有限元模型網格圖

計算工況主要考慮多種影響因素,如圍巖級別等。設置三種不同圍巖級別的工況。并按照公路隧道設計規范,按梯次設計力學參數。分析工況累計設置80 種。

2.3.2 計算結果分析

模擬得到不同工況下的二襯荷載分擔比例,分析結果見表5。

表5 二次襯砌荷載分擔比模擬分析結果

（1） 拱頂部位的二次襯砌荷載分擔要小于拱腰和邊墻位置的荷載分擔。

（2） 采用同步裝配的二次襯砌的荷載分擔比接近于1。因此應根據具體圍巖情況選取合適的裝配時機。

（3） 與淺埋工況下相比,深埋工況下,二襯荷載分擔比較小。

2.4 裝配式襯砌荷載分擔比建議值

本研究根據現場實測數據,加以廣泛的文獻調研等,提出不同圍巖級別、不同施工工藝下支護結構力學響應及襯砌的荷載分擔規律,現提出裝配式襯砌荷載分擔比建議值見表6。

表6 二次襯砌荷載分擔比建議值

3 結論

（1） 裝配式二次襯砌荷載分擔比的影響因素為圍巖級別、二襯施作時間、襯砌參數等。

（2） 確定了裝配式二次襯砌荷載分擔比的研究方法和計算公式。通過對比經驗值與實測值的大小,驗證現行規范經驗公式的合理適用。

（3） 總結提出裝配式襯砌荷載分擔比設計建議選用值。