超大跨徑隧道圍巖側壓力系數(shù)研究

樊一凡 曹貴銀 梁楊 劉宗韓 陳靜松

摘 要：隨著西南地區(qū)的大力開發(fā)，交通流量迅速增長，大跨度深埋隧道成為這些多山、構造復雜地區(qū)新的發(fā)展趨勢，而施工設計中關于圍巖壓力的重要參數(shù)——側壓力系數(shù)在現(xiàn)有規(guī)范中并沒有具體到不同的隧道跨徑，可供參考的工程資料也寥寥無幾，即使是原位測試也很難反應整個隧址區(qū)域的各階段應力情況。針對這一問題，本文研究了超大跨徑隧道在不同車道數(shù)與圍巖級別下的側壓力系數(shù)分布，首先結合規(guī)范界定三車道隧道為一般跨徑隧道，四、五車道隧道為超大跨徑；采用數(shù)值分析方法，分析了不同車道隧道分別為III——VI圍巖條件下的水平壓力和豎直壓力大小，處理實驗數(shù)據(jù)后求得側壓力系數(shù)分布，并且將數(shù)值模擬結果分別與規(guī)范值和實測值進行對比分析。當各隧道為深埋、雙側壁導坑法施工時，所得結論如下：（1）圍巖等級相同，圍巖側壓力系數(shù)隨著車道數(shù)的增加而減小，尤其是四車道向五車道變化時的差值明顯；車道數(shù)相同，圍巖側壓力系數(shù)隨著圍巖等級增大，且相鄰圍巖等級間的增幅均勻，僅IV級至V級圍巖的側壓力系數(shù)發(fā)生斷崖式下跌。（2）在相同圍巖條件下數(shù)值模擬所得各車道隧道側壓力系數(shù)明顯大于規(guī)范值；不同跨度的隧道圍巖等級越大，對于施工方法選擇以及側壓力系數(shù)取值越相近。（3）由于襯砌與側向圍巖貼合不密實，造成測得的水平應力不均勻，發(fā)生應力損失現(xiàn)象從而使理論值上下限均高于實測值，但整體符合程度好。

關鍵詞：超大跨徑隧道；側壓力系數(shù)；數(shù)值分析；圍巖壓力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.107

0 引言

我國已建成隧道多為三車道及以下車道數(shù)的中小跨徑隧道，難以滿足日益增長的交通量，各地多采用小凈距隧道擴容的方法解決這個問題，例如重慶華巖隧道和中梁山隧道擴容改造工程、沈海高速公路福建泉州至廈門段擴建工程大帽山擴挖隧道、漳龍高速公路后祠隧道擴建工程。

面對實際工程需要，新建隧道跨度在逐步遞增，這種扁平化的結構帶來的圍巖力學狀態(tài)變化對項目安全性至關重要。司鐵漢[1]等以廣東惠州牛湖山單洞三車道大跨徑隧道工程為依托，運用有限元手段研究了圍巖水平應力和垂直應力分布，認為該隧道應力分布不均勻，施工時應該加厚拱腳和邊墻襯砌的厚度，并且及時支護增強地基承載力以應對過大的位移產(chǎn)生。宮成兵[2]等采用工程類比法給出了龍頭山雙向分離式單洞四車道高速公路隧道的合理支護參數(shù)，在設計上提供了超大跨徑隧道的理論支撐。曲海鋒[3]在博士論文中詳細論述了當前荷載及圍巖壓力計算方法不適用于扁平特大跨徑公路隧道，由于缺乏建設這類隧道的經(jīng)驗，一味的加強襯砌和支護，不僅造成了巨大的浪費還可能達不到預期效果，從而提出了應用過程設計理念的思路。周云鵬[4]對比多種理論計算大斷面黃土公路隧道圍巖壓力后，提出了對太沙基理論的側壓力系數(shù)修正方法。李宇翔[5]給出了三車道隧道在CD法、CRD法、雙側壁導坑法施工條件下的合理導坑長度和大小等參數(shù)。于海龍[6]在碩士論文中基于NATM法采用“巖體一結構”模式重視圍巖與結構的共同作用，建立了四車道公路隧道圍巖穩(wěn)定基本判據(jù)。劉春[7]通過對隧道圍巖壓力的種類、影響因素的全面分析，基于數(shù)值建模計算，利用敏感度分析理論，得出側壓力系數(shù)和隧道埋置深度對深埋大斷面隧道圍巖應力特征的影響規(guī)律。

以上研究均是以圍巖壓力為核心，或是從水平應力和豎直應力兩方面分別討論，或是僅研究了某一特定跨度的隧道側壓力系數(shù)分布，存在不夠全面，應用范圍小的問題。本文給出了不同跨度、不同圍巖級別下的圍巖側壓力系數(shù)[8-10]這一體現(xiàn)水平應力和豎直應力相對大小綜合性指標。在巖土工程中，通常用側壓力系數(shù)乘以豎直應力得到水平應力，側壓力系數(shù)的得到有使用μ值計算的理論法、實地量測法和根據(jù)規(guī)范或工程資料取值的經(jīng)驗法三種方法，這些方法均有針對性不強，真實度低的問題，故本文提出具體到各級圍巖不同跨度的數(shù)值模擬實驗法來研究側壓力系數(shù)分布。針對每一種模型討論了圍巖的力學動態(tài)行為，給出合理的工法措施和設計意見，通過這一指標為后續(xù)工程項目提供參考類比資料。

1 超大跨徑隧道界定及實例

1.1 隧道跨徑的界定

目前對于隧道的跨度分類并不統(tǒng)一，《公路隧道施工技術細則》[11]按照開挖寬度B定義了大跨度隧道（14m

1.2 國內外超大跨徑隧道工程實例

國內已有部分公路大跨徑隧道有：貴州凱里市大閣山三車道隧道跨度21.04m、高度11.45m，廣州市龍頭山四車道隧道跨度21.47m、高度13.54m。國外較早發(fā)展超大跨徑隧道的國家有韓國鷹峰六車道跨度25.10m、高度8.60m，日本東名三車道隧道跨度23.00m、高度8.40m。

2 有限元模型及參數(shù)擬定

2.1 隧道設計參數(shù)

《公路隧道設計規(guī)范》中規(guī)定荷載等效高度hq=q/γ，q為豎向荷載，γ為巖石重度，IV～VI級圍巖的深淺埋劃分高度為HP=2.5hq，I～III級圍巖HP=2hq，各級圍巖按規(guī)范要求計算后取最大埋深臨界高度60m為埋深。設計隧道為深埋多車道單向通行一級公路隧道，根據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》設計所得建筑限界參數(shù)如表2.1所示。

2.2 隧道物理力學參數(shù)

針對I、II級圍巖力學性質好，較為完整堅硬的特點，重點對其他較差的圍巖進行研究，參考《公路隧道設計規(guī)范》將圍巖的參數(shù)平均值列于表2.2中。

2.3 模型的建立

本文以五車道隧道為例詳細說明建立2維模型及求解過程，其他車道做法相同。在無限大平面內按照地層結構法建立模型，并服從德魯克-普拉奇 （Drucker-Prager）屈服準則[13]，考慮洞室3-5倍開挖跨度范圍之外巖體不受施工影響，首先劃定一個寬和高均為115m的矩形區(qū)域，使研究的隧道置于其中，采用雙側壁導坑法開挖的洞室有限元模型如圖1所示。

在ANSYS中將平面劃分，共有770個節(jié)點，729個單元，使用PLANE42實體單元模擬圍巖及圍巖加固區(qū)，BEAM3單元模擬梁。邊界條件為底部施加豎向約束，兩側為水平約束，頂部為自由端。

雙側壁導坑法施工步序較多，對圍巖擾動次數(shù)多，但每次開挖的面積較小，擾動強度不大，卸荷小，數(shù)值模擬過程如表2.3所示。

3 側壓力系數(shù)分布與分析

3.1 數(shù)據(jù)處理與結果分析

以三車道IV級圍巖為例給出側壓力系數(shù)求解方法：建立如圖2所示坐標系，根據(jù)對稱性取一半隧道結構進行應力值的提取分析。

在圖3中畫出了節(jié)點沿Y軸方向的側壓力系數(shù)分布圖。

側壓力系數(shù)最大值為1.85，位于仰拱底部，自仰拱底部至拱腳側壓力系數(shù)值降至零點；拱腳至邊墻側壓力系數(shù)值又繼續(xù)增大，直至拱頂達到次峰值1.43。

綜合來看，仰拱至及拱腳處所受水平應力相對較大，襯砌環(huán)的應力分布非常不均勻，拱頂與拱腳側壓力系數(shù)差值將近2，可以給應力較小的拱腰和拱頂減少用量，在拱腳至拱腰部位加厚混凝土，盡早封閉成環(huán)。

在巖體力學中，側壓力系數(shù)是指水平壓應力與垂直壓應力之比，如此計算后得到側壓力系數(shù)分布如表3.1所示。

為使數(shù)據(jù)可視化，繪制出不同車道、不同圍巖等級下的側壓力系數(shù)分布，如圖4所示。

由上圖可知，當圍巖等級相同時，三車道圍巖側壓力系數(shù)介于四、五車道側壓力系數(shù)之間，四、五車道隧道側壓力系數(shù)依次遞增，尤其是四車道至五車道的增幅平均值明顯，可以達到0.12；當車道數(shù)相同時，三、五車道圍巖側壓力系數(shù)隨著圍巖等級的增加先減小后增大，且相鄰圍巖等級間的絕對差值均勻，僅III級至IV級圍巖的側壓力系數(shù)發(fā)生斷崖式下跌。四車道圍巖側壓力系數(shù)先增大后減小。

3.2 與規(guī)范側壓力系數(shù)表對比

《公路隧道設計規(guī)范》給出的側壓力系數(shù)分布如表3.2所示。該表的適用條件是H/B小于1.7，H為隧道開挖高度（m），B為隧道開挖寬度（m）、不產(chǎn)生顯著偏壓及膨脹力的一般圍巖，本文所建隧道模型均符合上述條件。

規(guī)范中的側壓力系數(shù)隨著圍巖等級的增加而增加，圍巖等級大意味著圍巖質量較差，節(jié)理和裂隙增多，更要重視開挖方法及支護措施。規(guī)范側壓力系數(shù)取平均值后與數(shù)值模擬對比見圖5。

規(guī)范僅考慮了圍巖等級，沒有具體到跨度，在相同圍巖條件下數(shù)值模擬所得各車道隧道側壓力系數(shù)明顯大于規(guī)范值，說明在大跨度隧道設計中，要結合數(shù)值模擬與類似工程資料多方面論證側壓力系數(shù)的取值，從而得到準確的水平應力進行襯砌的施作；同時也可以看出隨著圍巖等級增大，規(guī)范值的遞增速率很快地逼近了實驗值，重慶大學易立[8]在研究大跨度隧道的施工方法選擇時，也表明了相同條件下圍巖穩(wěn)定的敏感性隨著側壓力系數(shù)的增大而減小，故實際設計隧道時，不同跨度的隧道圍巖等級越大，對于施工方法選擇以及側壓力系數(shù)取值越相近。

3.3 理論計算值與實測值的對比

檢驗側壓力系數(shù)的另一種方法是現(xiàn)場量測圍巖壓力，童景盛[9]等通過現(xiàn)場量測具有不同地段各級圍巖的壓力，反演計算得到了各隧道側壓力系數(shù)的實測值，為了檢驗本文數(shù)值模擬所得理論值與實測值的符合程度，我們再次將數(shù)據(jù)處理，選取四、五車道的側壓力系數(shù)平均值，即只考慮圍巖等級的影響，將所得數(shù)值與實測值一同列于表3.3。

由表3.3可知，本文所建立數(shù)值模型得到的側壓力系數(shù)理論值分布在0.74～0.99，已有隧道的側壓力系數(shù)實測值分布在0.60～0.80，理論值上下限高于實測值，造成這種情況的原因來源于襯砌與側向圍巖貼合不密實，造成測得的水平應力有所折減，而為了近似，將整個水平力加權平均后造成實測側壓力系數(shù)偏小。

但由圖6給出的側壓力系數(shù)上下限百分比堆積圖可以看出二者符合程度較好，僅數(shù)值模型的下限值與實測值相差達到8%，其余三者之間最多不超過5%，說明與實際情況接近。

4 結論

通過分析多車道超大跨徑隧道在不同圍巖條件下的側壓力系數(shù)分布情況，以及與《公路隧道設計規(guī)范》給出的圍巖側壓力系數(shù)表和實測值對比，可得以下結論：

（1）三車道大跨徑隧道過渡至四車道超大隧道時側壓力系數(shù)大幅下跌，跌幅最大值為0.12，即III級圍巖條件下從0.91降至0.79；四、五車道超大跨徑隧道側壓力系數(shù)隨著圍巖質量變差而增加，意味著圍巖水平應力在變大。以上證明了本文在開始按照車道數(shù)劃分超大跨徑隧道的意義所在：隧道轉變?yōu)槌罂鐝綍r，隧道斷面扁平率增加，圍巖的力學特性也發(fā)生了巨大改變，其應力分布情況不同于一般跨徑隧道，圍巖側壓力系數(shù)可以隧圍巖等級的提高而增大，這一結論用于指導設計和施工，達到經(jīng)濟合理的目的。

（2）三車道隧道為大跨徑隧道，其結論不在本文深入考慮范圍內，我們僅將其作為特殊對照組進一步討論超大跨徑隧道的側壓力系數(shù)分布，可得：相同圍巖等級下，側壓力系數(shù)隨著車道數(shù)的增加而增加，說明了跨徑越大，水平壓力的相對值也越大，隧道自穩(wěn)能力也在下降，這一點既符合客觀認知，也從理論層面證實，對于這類隧道的開挖更要重視新奧法的靈活應用，落實少擾動，強支護、常監(jiān)測、分部開挖的工法。

（3）由于襯砌與側向圍巖貼合不密實，造成測得的水平應力損失，從而使理論值上下限均高于實測值，但整體符合程度好。

（4）在隧道跨徑和圍巖等級宏觀變化之外，可以分析單個超大跨徑的圍巖側壓力系數(shù)分布情況，由圖3可知：隧道仰拱底部及拱腳處側壓力系數(shù)最大，襯砌環(huán)的應力分布非常不均勻，拱頂與拱腳應力側壓力系數(shù)差值足有1.85，這意味著可以有針對性地給應力較小的拱腰和拱頂減少用量，在應力大的拱腳至拱腰部位加厚混凝土，而且為盡早封閉成環(huán)，仰拱的施作不僅是必要的還要嚴格保證工藝，使其與隧道襯砌聯(lián)合發(fā)揮支護承載作用，解決了超大跨徑隧道施工中存在的一味多用混凝土和支護的不科學施工問題。

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作者簡介：樊一凡（1996-），男，內蒙古烏蘭察布人，本科在讀，主要從事隧道及地下工程及地下結構抗震等方面的研究。