軟弱圍巖段隧道襯砌結構安全驗算及處理方案

李輝

（廣州市鳳凰山隧道建設有限公司，廣東 廣州 510535）

隨著我國交通規劃的不斷實現，越來越多的山區修建了公路。公路路線中遇到山體障礙物時，修建隧道比直接挖除山體具有更多優勢，它具有節省人力、物力、能源，還能最大程度上保護自然環境。我國已是隧道大國，隧道建設技術已經取得了巨大發展。由于隧道前期勘察中對圍巖采用的是定距抽芯方法來判斷山體狀況，因此在對圍巖進行分級時存在一定誤差。施工中在遇到隧道圍巖較差且掌子面圍巖突變等客觀因素時，隧道圍巖沉降過大而導致二次襯砌的預留厚度不足的問題偶爾會出現。目前我國在隧道二次襯砌厚度不足情況下的受力分析已有較多研究，大多數采用ANSYS、MIDASGTS 等有限元軟件進行數值模擬計算，部分采用了實驗對比方法進行了受力對比分析。由于每條隧道所處圍巖埋深、地質條件等情況不同，因此判斷某隧道在具體厚度不足條件下的安全系數不能統一定論，需要具體隧道具體分析。當然在特殊圍巖條件下我們應該盡可能保證施工厚度達到要求，因此在隧道開挖施工時，需要根據掌子面實際變化情況來動態調整施工方法。尤其是在洞口段軟弱圍巖中施工時，更應該按照“短進尺、弱爆破、早噴錨、勤量測、緊封閉”的原則進行施工。

1 工程概況

廣州市鳳凰山高速公路工程全長14 公里，呈東西走向，起點位于黃埔區元貝村，終點在天河區龍洞村，橋隧比達到70%。該項目中某隧道位于中部，在隧道洞口段施工時前期一直順利，但是在洞內挖掘施工到西行方向KX+500 掌子面時，頂部突然有大量干性粉狀土體沿著拱頂位置瀉下。經過對緊鄰掌子面后方已施工完成的初期支護輪廓進行斷面測量，發現KX+493 至KX+498 范圍內的初期支護頂部有侵入二次襯砌空間現象，頂部最大侵入值為達到15Cm（原設計為60Cm）。經現場勘查，二次襯砌局部侵限區上方的地表是自然資源重點保護區，若在洞口軟弱圍巖區間段采用拆除隧道原初期支護再重新施工，則存在巨大的安全隱患，影響后果也非常嚴重。因此需要對初期支護侵限的原因進行分析，對隧道侵限區的二次襯砌進行結構安全性驗算，根據驗算結果對該區間段的襯砌采取相應的處理措施。

2 初期支護侵限原因分析

2.1 洞口段淺埋

根據《公路隧道設計規范》（JTG 3370.1-2018）（以下簡稱“設計規范”），判斷隧道是否淺埋可按下面公式計算：

式子中：Hp——深埋隧道的分界深度m；

hp——荷載等效高度m；hp=q/r

q ——深埋隧道的豎向均布壓力，kN/m2

γ——圍巖重度，kN/m3

圍巖豎向均布壓力按式子：

式中：S——圍巖的級別，如屬Ⅲ級，則S=3；

W——寬度影響系數，w=1+i（B-5）；

B——隧道寬度；

i——以B=5m 為基準，B 每增加或減少1m 時圍巖壓力的增減率；當B＜5 時，取i=0.2；當B＞5 時，取i=0.1；

根據圖紙，可知隧道圍巖級別為V 級，最大開挖跨度為17 米，i 取0.1，w 取2.2，按照上面公式計算可得，hp為15.84 米，因此該區間段的淺埋深埋臨界值2.5hp為39.6 米，該隧道區間段埋深為15m，故該區間段為淺埋。

淺埋情況下圍巖的承載拱不穩定，開挖施工操作不當極容易產出土體滑落。

2.2 洞口段圍巖軟弱且地質突變

初期支護侵限區距離洞門110 米，洞口段的山體為低山，山頂有樹林覆蓋。表層為殘坡積土，下部為全風化混合花崗巖，多為散體狀和硬土狀，透水性一般，遇水軟化崩解，易坍塌。顯示為低波速，洞口段經開挖顯示無明顯地下水。經地質勘查，隧道掌子面前方的圍巖由全風化混合花崗巖突變為干性無黏性的粉狀土體，第三方超前地質預報實施單位未能用地質雷達設備探測出該圍巖的突變情況，當施工單位開挖施工時掌子面上方的土體大量瀉出,導致已完成的初期支護上方圍巖出現臨空面，進而圍巖因受到嚴重擾動出現較大位移和應力重新分布，最終導致拱頂發生沉降。

3 二襯侵限區結構受力驗算

3.1 驗算原理

檢算方法是通過荷載結構法計算二襯結構受力，獲得二次襯砌的軸力和彎矩后，然后襯砌結構構件截面承載力設計值與實際受力值進行比較，可計算得出襯砌的安全系數，將計算的安全系數與設計規范規定的數值進行對比，如果計算所得的安全系數不小于設計規范規定值，則認為其安全性滿足規范要求。

3.2 二次襯砌內力計算

（1）外力荷載計算

由于隧道為淺埋，根據規范中垂直勻布壓力的計算公式可知：

q=γ H=15m*18kN/m3=270kN/m2。

根據規范中水平勻布壓力計算公式，圍巖計算摩擦角取45°，

可得e=49.2kN/m2。

（2）二次襯砌內力計算

根據規范規定并結合本項目實際情況和支護參數，泊松比μ 取0.35，圍巖容重r 取18kN/m3，圍巖彈性抗力系數取K 取150MPa/m，二襯承擔荷載百分比為70%。

本次計算均由基于通用有限元程序ANSYS 和面向對象設計語言Microsoft Visual Basic 開發的“隧道結構計算軟件”完成，計算模式為平面應變模式。計算中單位制均采用kN·m。以隧道二次襯砌拱底正中心編號為1，逆時針方向旋轉將全環二襯劃分為136 個單元。計算完成后各單元的軸力見圖1 和彎矩云圖見圖2。

圖1 二次襯砌軸力云圖 單位：KN

圖2 二次襯砌彎矩云圖 單位：KN★m

圖3 原設計二次襯砌安全系數云圖

3.3 襯砌結構構件截面承載力及安全系數計算

（1）隧道二次襯砌截面強度計算的參數取值

隧道縱向取1m，根據隧道規范中規定，HRB400鋼筋強度取Rg=400MPa；C30 混凝土的極限抗壓強度22.5MPa，彎曲抗壓為28.1MPa，極限抗拉強度為2.2MPa。

（2）隧道二次襯砌厚度不足處安全系數計算

隧道二次襯砌厚度不足的范圍是以拱頂為正中心，沿著橫向弧線向兩側延伸3 米，為便于計算，假定侵限區均侵限15 公分，即二襯計算厚度值為45 公分。拱頂厚度不足位置對應數值模型中的64-73 號單元，根據設計規范中關于鋼筋混凝土矩形截面中心及偏心受壓構件的抗壓和抗彎強度計算公式，可得每個計算模型單元對應的截面強度。隧道二次襯砌內力計算模型中每個截面的承載力設計值和實際受力值之比即為每個截面的安全系數，具體見表1。

表1 二次襯砌侵限區單元內力及安全系數

（3）隧道二次襯砌原設計襯砌厚度處安全系數計算

為驗算該隧道二次襯砌在原設計厚度情況下的安全系數，采用隧道結構計算軟件可得安全系數云圖，見圖2，得知安全系數均3.935 以上。

3.4 檢算結論

按實測拱頂二次襯砌厚度不足計算，抗彎安全系數最小值出現在拱頂中心位置，其值為3.11，大于《公路隧道設計規范》（JTG 3370.1-2018）規定的最小值2.4，二襯結構安全系數滿足規范要求。侵限區外的抗彎安全系數值均大于3.93，二襯結構安全系數滿足規范要求。

4 二次襯砌局部缺陷處理方案

鑒于對二次襯砌局部缺陷段的結構受力計算滿足規范要求，且施工不當會對上方的自然資源重點保護區產生較大破壞，因此將對該區間段采用補強的方式進一步提高結構安全性。對該初期支護侵限段從拱肩到拱頂打設50 注漿小導管，間距@150cm*150cm，長度4m，以對其背后受前方掌子面瀉土影響而擾動的圍巖進行固結；將該段襯砌受力環向鋼筋由間距20cm 加密為間距15cm；將原設計C30 的二次襯砌混凝土提高標號為C40，以進一步提高隧道圍巖和支護的承載力。該隧道于2016 年修建完成，經過營運期七年監控量測，隧道二次襯砌未出現異常沉降或者裂縫等病害，該處置方案可靠。

5 結語

通過對該隧道拱頂厚度局部不足進行數值模擬分析和驗算，顯示該隧道安全系數滿足規范。為進一步提高該隧道的安全系數，采用了初期支護后注漿加固和二次襯砌混凝土型號提高和鋼筋加密的方法進行處理，營運期顯示效果良好。由于隧道開挖施工是個風險比較大的作業，勘察設計單位應盡可能多進行地質取芯鉆探，提高地質圖繪制的準確。開挖施工前第三方監測單位要做好超前地質預報，為施工單位提供準確的圍巖情況預報。施工單位在隧道施工時要嚴格遵循“短進尺、弱爆破、早噴錨、勤量測、緊封閉”的施工原則，并根據掌子面實際情況動態調整開挖施工方法。只有參建各方均將自己的工作做到精細化，才能保證隧道施工時安全，隧道質量過硬。