隧道襯砌結構形式對應力與位移穩定性的影響研究

余泳寧

(廣西桂商實業投資有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

隧道作為交通工程中的關鍵樞紐設施[1-2]，其開挖施工時的安全穩定性在結構設計時須重點關注與研討。襯砌結構與隧道開挖施工密不可分，采用合理有效的襯砌形式有助于確保隧道安全施工[3-4]，因而，探討不同襯砌結構形式下的安全穩定性具有重要意義。鐘汶均、張云飛等[5-6]根據襯砌結構的適用性，研究了不同襯砌結構材料與隧道施工的安全性關系，探討了襯砌結構劣化與失效問題。也有一些學者采用仿真模擬手段研究了靜、動力作用下隧道襯砌結構的響應特征[7-8]，為隧道工程的襯砌方案設計提供了依據。由于襯砌方案的施工與隧道開挖密不可分，因而蘭升元、鄭濱斌等[9-10]探討了襯砌結構施工工藝，優化了襯砌施工與隧道開挖的工序，提出了精細化與信息化施工技術方案。本文基于岳圩口岸聯線公路漢邦隧道襯砌方案設計問題，針對性提出了四種不同襯砌結構形式，探討了各襯砌方案下的結構應力和位移差異特征，為評價最優襯砌設計方案提供了參考。

1 工程設計概況

1.1 工程概況

岳圩口岸聯線公路是廣西高速公路網中的重要一環，全路線雖僅長8.4 km，但需穿越多座隧道，設計行車速度為100 km/h，路面寬為26 m，橋隧比接近18%，是完善百色岳圩口岸的重要交通舉措。該聯線公路采用雙線四車道設計，全線共有4個隧道，且個別隧道需要穿越巖溶區，地形起伏及不良地質特征對聯線公路隧道施工帶來較大挑戰。全路線中相對高差最大為600 m，地形坡度為25°～45°。公路兩側坡道上采用植物生態護坡與漿砌石擋墻防滲加固措施，穿越巖溶隧道區段長度占全路線長度的1/4。為確保地下水及降雨條件對襯砌結構的影響最弱，需要分析隧道開挖斷面最佳襯砌設計形式，因而，工程設計部門重點考慮隧道襯砌設計應力與位移穩定性。全線公路隧道開挖土層以松散性壤土為主，覆蓋有第四系雜填土等，層次性較顯著，顆粒粒徑為0.075～1.6 mm。現場鉆孔表明基巖層為半風化灰巖，承壓強度較高，但局部受水力侵蝕影響，具有薄弱層，夾雜有破碎帶，發育有溶隙。地下水位為22.4 m，區間內水系主要分布在隧道基巖薄弱層中，降水導致水土流失較嚴重，土體固化程度較低。根據對聯線公路全線隧道斷面分析，考慮以K2+220～K3+425區段內漢邦隧道為分析對象。該隧道采用臺階法開挖，采用預應力錨桿作為超前支護結構，桿間距為1 m，開挖斷面采用剛柔性防水結合形式，斷面襯砌結構形式為重點探討對象。

1.2 襯砌結構形式

為探討不同襯砌結構形式對漢邦隧道的安全施工影響，本文基于工程排水現狀與設計要求，設計四種襯砌結構形式[11-12]，如下頁圖1所示。A類襯砌結構面蓋、底板均為整體同時澆筑，擋墻與背后土體為剛性連接；B類為高拱式襯砌結構，蓋板較薄，僅為A類蓋板厚度的2/3，底板為后澆帶式結構，擋墻與底板具有同受力同變形特征；C類拱高度是4種襯砌結構中最大的，其最大拱高度可根據隧道頂高程增大110%～150%，兩側排水渠與開挖斷面柔性連接，底板與排水渠為柔性連接，具有防滲作用；D類襯砌結構為箱型開挖斷面，排水設施也是采用箱型集排水，底板與拱座為柔性連接，蓋板厚度與A類襯砌結構基本一致。

(a)A類 (b)B類

(c)C類 (d)D類

按照漢邦隧道開挖施工圖，采用ANSYS仿真平臺建立隧道圍巖模型[13]，其高度按照結構荷載破碎規則進行校正，圍巖體采用受壓徑向微單元模擬，依據工程實際設定圍巖為Ⅴ級，計算影響深度設定為襯砌底板下15 m。所建立的隧道圍巖整體結構模型如圖2所示。

圖2 隧道圍巖整體結構模型圖

針對四種不同開挖襯砌結構形式，分別以圍巖隧道洞身4 m高度為研究對象，設定襯砌結構底部為彈性受力變形特征，依次建立四種襯砌結構模型，如圖3所示。所有襯砌結構斷面中均以C35混凝土材料參數進行計算，圍巖體物理力學參數以室內實測值設定，模型中底部為零自由度約束條件，設定模型中的X、Y、Z正向分別為隧道底板右肩、開挖掘進方向及結構豎直向上。基于上述不同襯砌結構模型應力、位移計算，分析漢邦隧道四種襯砌結構形式下的應力、位移特征差異，確定最優襯砌結構設計。

(a)A類 (b)B類

(c)C類 (d)D類

2 襯砌結構形式與受力特征

2.1 第一主應力特征

根據對四種不同襯砌結構形式的模型開展應力計算，獲得各襯砌結構模型第一主應力分布特征，如圖4所示。從圖4可看出，采用不同襯砌結構形式，隧道斷面上的最大拉應力分布及量值均有顯著差異。A、D類襯砌結構由于蓋板厚度基本一致，其襯砌結構上最大拉應力基本接近，分別為7.86 MPa和7.79 MPa，也是四種襯砌結構中拉應力量值最低的，其最大拉應力均位于蓋板結構上，不同的是A類襯砌結構的最大拉應力位于蓋板的外側，而D類襯砌結構的最大拉應力位于蓋板內側部位，原因或與拱座、蓋板間的剛、柔性連接特點有關。B、C類襯砌結構的最大拉應力分別為9.53 MPa和8.4 MPa，均出現在拱腳區域，這兩種襯砌結構拱高度較大，斷面上襯砌結構的封閉性較差，受力延展性較弱，特別是拱腳處的柔性連接方式導致該部位出現張拉應力集中，不利于整體襯砌結構抗拉效應。四種襯砌結構中蓋板部位處的拉應力最大，以C類最顯著，可達2.28～3.31 MPa，而A、D類蓋板部位拉應力分布區間較前者分別減少了9.4%～18.4%、39.6%～62.7%，底板結構處的拉應力以B類為最高。綜合四種襯砌結構第一主應力特征，認為B、C類襯砌結構易在拱腳處引起局部張拉裂隙，導致襯砌結構失穩，而A、D類襯砌結構雖張拉應力水平亦較大，但整體承拉、抗拉效果顯著，結構協同效應明顯。

(a)A類 (b)B類

(c)C類 (d)D類

2.2 第三主應力特征

為分析不同襯砌結構第三主應力特征，本文模擬計算獲得施工周期內襯砌結構拱頂特征部位處最大壓應力變化特征，如圖5所示。根據圖5可知，C類襯砌結構的拱頂部位壓應力水平最高，在施工周期內的分布為6.3～12 MPa，施工周期每遞進2 d，該襯砌結構拱頂最大壓應力平均增長8.6%。相比C類襯砌形式，B類襯砌結構拱頂壓應力在施工第12 d達到平穩狀態，最大壓應力達8.61 MPa，而在施工12 d前，壓應力隨施工進度穩定遞增，平均每2 d可增長7.8%，極易導致襯砌結構拱頂處出現不穩定狀況，威脅襯砌結構拱腳與底板的安全。A、D類襯砌結構壓應力水平較低，在施工周期內相比C類襯砌結構分別為差幅53.6%～73.1%、50.3%～71.4%，這兩種襯砌結構均僅在施工初期具有一定的壓應力增長，施工后期壓應力分別穩定在3.22 MPa和3.44 MPa，對拱頂、拱腳應力保護具有顯著效果[14]。分析認為，四種襯砌結構拱頂處最大壓應力雖均未超過結構材料安全允許值，但B、C類襯砌形式下拱頂壓應力變化不利于拱腳與底板結構安全性，需格外加固拱腳等部位，抗壓“性價比”較低。

圖5 拱頂處最大壓應力變化特征曲線圖

2.3 剪應力特征

襯砌形式差異性不僅體現在拉、壓應力特征上，對結構剪應力特征亦具有影響，本文根據襯砌應力計算，獲得XZ平面內襯砌結構剪應力分布特征，如圖6所示。從圖6可知，四種襯砌形式整體上剪應力分布具有一致性，拱頂內側的負剪應力分布區域均為一致，量值上也基本接近在6.5～6.7 MPa。另一方面，四種襯砌結構最大剪應力均分布在拱頂蓋板邊緣區域，B、C類襯砌形式最大剪應力分別為6.67 MPa和6.74 MPa，而A、D類襯砌結構最大剪應力較C類分別減少了2.9%和3.6%，即以A、D類高厚度蓋板下結構的抗剪效果最優，從高厚度蓋板與強連接底板的結構措施下控制剪應力分布。綜合四種襯砌結構的拉、壓及剪應力分布對比，可知A、D類高厚度蓋板與強連接形式對隧道應力分布重構具有重要作用，整體上具備承壓、抗拉與抗剪效應，有助于施工周期內隧道開挖的安全穩定性。

3 襯砌結構形式與位移特征

3.1 底部位移特征

位移特征乃是反映襯砌結構穩定性的重要參數，本文以襯砌底部結構位移特征為分析對象，獲得四種不同襯砌結構的底部結構豎向位移隨施工周期變化特征(見下頁圖7)。從圖7可知，四種襯砌結構形式下底部豎向位移隨施工周期均為遞增態勢，施工初期，A～D類襯砌結構底部豎向位移分別為2.63 mm、3.5 mm、3.62 mm和2.52 mm，而隨施工周期每增長2 d，相應的豎向位移分別平均增長2.5%、3.2%、3.7%和1.7%，即四種襯砌形式中以B、C類襯砌底部豎向位移增長最快，受施工周期影響敏感最大。同樣，在施工周期內B、C類襯砌底部結構豎向位移最高，A、D類襯砌底部結構位移較C類分別降低了25.7%～31.6%、30.4%～38.8%。由此可知，B、C類襯砌形式對底部結構位移發展控制較弱，而A、D類襯砌形式中由于受拱腳與底板連接性、設計厚度值影響，可減弱襯砌結構外荷載引起的位移，增強整體結構穩定性。

如下頁圖8所示為四種襯砌形式下底部結構水平位移分布特征。從圖8可知，底部結構水平位移特征最大值均出現在右側拱腳區域，但B、C類襯砌結構的水平位移量值較大，其底部結構最大水平位移分別為0.485 mm和3.943 mm，而A、D類襯砌結構最大水平位移分別為0.294 mm和0.657 mm。相比之下，A類襯砌底部結構水平位移控制最為理想，此依賴于該襯砌結構密閉式空間較小，整體協調性較佳，有助于減弱應力對結構的損害，故而位移值較低；而B、C類設計不合理，特別是C類位移量值過大，在開挖階段易造成襯砌結構失效。

3.2 圍巖位移特征

從襯砌結構基底圍巖位移分布可評價襯砌形式的合理性，如下頁圖9所示為計算獲得的各襯砌結構形式隧道基底圍巖位移分布特征。從圖中可看出，四種襯砌結構形式下基底圍巖位移分布均具有對稱特性，位移量值最大在兩側拱腳基底圍巖處，最大位移為C類襯砌結構，達8.497 mm，而A、D類襯砌結構最大位移相比前者分別減少了21.5%和21.9%，分析圍巖位移特征可知A、D類襯砌結構具有顯著優勢。從圍巖位移分布差異性可看出，位移由基底中部向兩側拱腳逐步遞增，D類襯砌結構在中部的位移控制性弱于A類，其位移分布為4.276～4.612 mm，而A類襯砌結構由于底板剛性連接拱腳，有助于削弱圍巖位移的擴展特點，對圍巖擾動后的位移穩定重構具有促進作用[15]。綜合四種襯砌結構應力、位移特征，可以認為A類高厚度蓋板與剛性連接方式底板設計的襯砌結構更利于隧道開挖施工穩定性，為最佳襯砌方案。

(a)A類 (b)B類

(c)C類 (d)D類

圖7 豎向位移隨施工周期變化特征曲線圖

(a)A類

(c)C類

(d)D類

4 結語

本文主要獲得以下幾點結論：

(1)A、D類襯砌結構的最大拉應力接近，分別為7.86 MPa和7.79 MPa，B、C類的襯砌結構拉應力最大；C類襯砌結構蓋板部位的拉應力最高，底板結構處的拉應力以B類為最大，A、D類襯砌結構整體抗拉效果顯著。

(2)C類襯砌拱頂的壓應力最高，施工周期每遞進2 d，其壓應力平均增長8.6%；A、D類襯砌結構的壓應力相比C類分別具有差幅為53.6%～73.1%、50.3%～71.4%；不同襯砌形式下的剪應力分布具有一致性，但最大剪應力以B、C類最大，A、D類的最大剪應力較C類分別減少了2.9%、3.6%；受高厚蓋板與底板連接方式影響，B、C類的抗拉、承壓與抗剪效果弱于A、D類。

(3)不同襯砌結構的底部豎向位移隨施工周期均為遞增，以B、C類結構增長最快，受施工周期影響最為敏感，A、D類襯砌底部豎向位移較C類分別降低了25.7%～31.6%、30.4%～38.8%；各襯砌方案中底部水平最大位移均位于右側拱腳，B、C類最大水平位移分別為0.485 mm、3.943 mm，A、D類襯砌整體協調性較佳，位移較低。

(4)基底圍巖位移分布具有對稱特性，位移量值最大的為C類襯砌結構，A、D類襯砌圍巖最大位移相比前者分別減少了21.5%和21.9%；圍巖中部位移控制中D類襯砌結構弱于A類。綜合考慮認為，A類高厚度蓋板與剛性連接底板設計襯砌方案最優。

(a)A類 (b)B類

(c)C類 (d)D類