米倉(cāng)山隧道聯(lián)絡(luò)風(fēng)道支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

張 睿，陶力銘，江俊杰，鄧如勇

（1.四川川交路橋有限責(zé)任公司，四川 德陽(yáng) 618300；2.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

0 引 言

米倉(cāng)山隧道處于國(guó)家高速公路網(wǎng)G69銀川至百色高速公路四川巴中至陜西漢中段，為左右行分離的特長(zhǎng)隧道，長(zhǎng)約13.8km；設(shè)計(jì)采用四區(qū)段通風(fēng)方案，地下風(fēng)機(jī)房開挖斷面大，聯(lián)絡(luò)通道具有長(zhǎng)度長(zhǎng)、坡度陡、斷面變化復(fù)雜等特點(diǎn)，且大斷面與交叉洞室較多，施工難度極大［1－7］。施工方在施工過程中發(fā)現(xiàn)，按原有的設(shè)計(jì)方案，即風(fēng)道采用喇叭口形開口，洞身開挖、二襯全部采用變截面施作，將大大增加施工難度，降低施工速度。由于采用變截面以及風(fēng)道坡度問題，開挖施工和二襯施作都比較困難，需要單獨(dú)制作模板臺(tái)車。在現(xiàn)場(chǎng)施工中，根據(jù)豎井開挖揭示圍巖情況，豎井底部及聯(lián)絡(luò)道圍巖為較完整石英閃長(zhǎng)巖，呈巨塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)或塊狀整體結(jié)構(gòu)，圍巖各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到Ⅱ～Ⅲ級(jí)圍巖標(biāo)準(zhǔn)，好于風(fēng)道設(shè)計(jì)時(shí)Ⅳ級(jí)情況。在這樣的情況下，本文提出聯(lián)絡(luò)風(fēng)道取消二襯、采用噴錨支護(hù)作為永久支護(hù)的方案。

1 襯砌設(shè)計(jì)規(guī)范要求

《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70／2—2014）規(guī)定：公路隧道應(yīng)作襯砌，并根據(jù)隧道圍巖地質(zhì)條件、施工條件和使用要求可分別采用噴錨襯砌、整體式襯砌、復(fù)合式襯砌，具體要求如表1所示。高速公路、一級(jí)公路、二級(jí)公路的隧道應(yīng)采用復(fù)合式襯砌，三級(jí)以及三級(jí)以下公路隧道，在Ⅰ～Ⅲ級(jí)圍巖條件下隧道洞口段應(yīng)采用復(fù)合式襯砌或整體式襯砌，其他段可采用噴錨襯砌。隧道的襯砌設(shè)計(jì)應(yīng)充分發(fā)揮圍巖的自承能力。另外，襯砌還應(yīng)該具有足夠的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，保證隧道長(zhǎng)時(shí)間安全運(yùn)營(yíng)［8－10］。

表1 規(guī)范要求襯砌參數(shù)

本項(xiàng)目勘測(cè)階段認(rèn)為聯(lián)絡(luò)通道處在Ⅳ級(jí)圍巖中，初期設(shè)計(jì)采用復(fù)合式襯砌進(jìn)行施工，而實(shí)際開挖過程中發(fā)現(xiàn)此處圍巖級(jí)別為Ⅱ～Ⅲ級(jí)。根據(jù)公路隧道規(guī)范可知：復(fù)合式襯砌的二襯在Ⅰ～Ⅲ級(jí)圍巖中為安全儲(chǔ)備，按構(gòu)造要求設(shè)計(jì)；二次襯砌只在Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖中作為承載結(jié)構(gòu)，用地層結(jié)構(gòu)法計(jì)算內(nèi)力和變形；另外，參照規(guī)范中關(guān)于聯(lián)絡(luò)通道的襯砌參數(shù)，Ⅰ～Ⅲ級(jí)圍巖中二次襯砌厚度為20cm，即可將二次襯砌作為安全儲(chǔ)備。

2 取消二襯后的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型

本文針對(duì)變截面風(fēng)道二襯取消后襯砌結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行研究。首先采用有限元分析軟件Midas GTS建立三維模型，分析各隧道開挖過程中應(yīng)力的變化情況以及襯砌結(jié)構(gòu)受力情況［11－16］。模型三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如圖1所示，風(fēng)道模型網(wǎng)格如圖2所示。模型邊界采用自動(dòng)邊界，施加豎向重力加速度9.81m·s－2。限于計(jì)算機(jī)功能以及模型本身網(wǎng)格體量較大，本次數(shù)值計(jì)算隧道拱頂覆土厚度約取為100m。實(shí)際隧道埋深大約為450m，為實(shí)現(xiàn)初始地應(yīng)力的相似模擬，在隧頂表面施加表面壓力，壓力大小按350m覆土自重計(jì)，約為8 400kPa。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70／2—2014）對(duì)材料物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，采用修正摩爾-庫(kù)倫模型進(jìn)行計(jì)算。

圖1 數(shù)值模型網(wǎng)格

圖2 聯(lián)絡(luò)風(fēng)道三維結(jié)構(gòu)

2.2 計(jì)算結(jié)果

聯(lián)絡(luò)風(fēng)道共計(jì)有4條，本文以聯(lián)絡(luò)風(fēng)道1開挖支護(hù)為例進(jìn)行計(jì)算說明。聯(lián)絡(luò)風(fēng)道的開挖以地下風(fēng)機(jī)房為中線，同時(shí)向兩邊開挖，一次開挖聯(lián)絡(luò)風(fēng)道1的3個(gè)部分，如圖3所示。

圖3 聯(lián)絡(luò)風(fēng)道1開挖支護(hù)后圍巖位移的變化情況

從圖3可以看出，開挖至地下風(fēng)機(jī)房時(shí)，圍巖變形較之前有明顯增大，豎向拱頂沉降達(dá)到6.15 mm，仰拱隆起達(dá)到6.49mm。施作支護(hù)結(jié)構(gòu)后，圍巖變形略有增加，拱頂沉降增加6.18mm，仰拱隆起為6.48mm?？梢娛┳饕r砌結(jié)構(gòu)后，圍巖變形得到了有效控制。

聯(lián)絡(luò)風(fēng)道1開挖支護(hù)后襯砌結(jié)構(gòu)的變形情況如圖4所示。與地下風(fēng)機(jī)房的交接處位移變形較大，說明聯(lián)絡(luò)風(fēng)道施工對(duì)風(fēng)機(jī)房存在較大擾動(dòng)，同時(shí)由于該部分位置缺少支護(hù)結(jié)構(gòu)支撐，整體性較差，變形較大，應(yīng)力集中較為嚴(yán)重。實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)對(duì)柱支撐、設(shè)置變形縫等構(gòu)造措施進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

圖4 聯(lián)絡(luò)風(fēng)道1開挖支護(hù)后襯砌結(jié)構(gòu)三維變形

圖5 聯(lián)絡(luò)風(fēng)道1襯砌結(jié)構(gòu)在開挖后所受內(nèi)力

圖5 顯示了聯(lián)絡(luò)風(fēng)道1襯砌結(jié)構(gòu)在隧道開挖完成后所處應(yīng)力狀態(tài)，可以明顯看出，變截面聯(lián)絡(luò)風(fēng)道開挖施工后，作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的力較小。內(nèi)力較大的部位位于兩端和主隧道與地下風(fēng)機(jī)房交界的位置。從內(nèi)力數(shù)值看，靠近地下風(fēng)機(jī)房的截面承受最大彎矩處位于拱頂，彎矩值為0.30kN·m，軸力為5.25kN·m－1，計(jì)算偏心距為0.057 1m。由于偏心距小于初支厚度12cm，可考慮取消二襯。但由于實(shí)際施工過程中連接處一直是施工質(zhì)量不易控制的位置，必須加強(qiáng)初支與監(jiān)測(cè)，確保施工安全。對(duì)于小截面風(fēng)道，承受最大彎矩為0.15kN·m，軸力為2.84kN·m－1，計(jì)算得到的偏心距為0.053m。按設(shè)計(jì)該截面初支厚度為10cm，故從安全角度考慮，可考慮取消二襯，但必須增加初支厚度。同時(shí)，實(shí)際工程在施工時(shí)應(yīng)考慮采取一定的輔助施工措施對(duì)結(jié)構(gòu)物交界處進(jìn)行加強(qiáng)，同時(shí)優(yōu)化截面，減少喇叭口的長(zhǎng)度。

限于篇幅，其余各聯(lián)絡(luò)風(fēng)道依次開挖對(duì)圍巖及周圍建構(gòu)筑物的影響不再贅述。這里僅給出所有變截面風(fēng)道施工完成后圍巖三維整體變形，如圖6所示?？梢钥闯?，聯(lián)絡(luò)風(fēng)道1開挖后，與地下風(fēng)機(jī)房的交接處位移變形較大，意味著聯(lián)絡(luò)風(fēng)道施工對(duì)風(fēng)機(jī)房存在較大擾動(dòng)，同時(shí)由于該部分位置缺少支護(hù)結(jié)構(gòu)支撐，整體性較差，變形較大，應(yīng)力集中較為嚴(yán)重。實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)對(duì)柱支撐、設(shè)置變形縫等構(gòu)造措施進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，同時(shí)評(píng)估爆破振動(dòng)、車輛荷載等對(duì)結(jié)構(gòu)物變形和穩(wěn)定性的影響。

圖6 聯(lián)絡(luò)風(fēng)道開挖支護(hù)完成后的圍巖三維變形

提取典型截面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，見表2。可以看出，近地下風(fēng)機(jī)房的截面承受彎矩最大，最大彎矩出現(xiàn)在拱頂，聯(lián)絡(luò)風(fēng)道過渡斷面和小風(fēng)道斷面的偏心距比較接近矩形構(gòu)件的允許偏心距，因而變截面聯(lián)絡(luò)風(fēng)道可以考慮取消二襯的施工方法。但由于實(shí)際施工過程中連接處一直是施工質(zhì)量不易控制的位置，實(shí)際施工必須加強(qiáng)初支與監(jiān)測(cè)，確保施工安全。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，若取消二襯，過度斷面初支最小厚度應(yīng)為20cm，最小風(fēng)道斷面厚度最小應(yīng)該為18cm；但這個(gè)厚度是在加權(quán)平均剛度的基礎(chǔ)上計(jì)算得到的，沒有考慮實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中初支劣化等影響。所以在實(shí)際施工過程中，必須適當(dāng)提高初支噴射混凝土強(qiáng)度，同時(shí)增加初支噴射混凝土厚度。

表2 典型截面偏心距計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

本文調(diào)研了目前規(guī)范條例，以及國(guó)內(nèi)外相關(guān)工程隧道施工實(shí)例，發(fā)現(xiàn)在圍巖級(jí)別較好且滿足一定的前提條件，可以考慮取消二襯，用噴錨支護(hù)作為永久支護(hù)。通過建立三維數(shù)值計(jì)算模型對(duì)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道進(jìn)行模擬，計(jì)算了隧道開挖之后的圍巖位移、應(yīng)力變化以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況，綜合分析了該通風(fēng)系統(tǒng)取消二襯的可能性，為后一步進(jìn)行工程應(yīng)用提供理論支撐。最后得出結(jié)論：變截面聯(lián)絡(luò)風(fēng)道和小斷面風(fēng)道可考慮取消二襯，但如只進(jìn)行噴錨支護(hù)，需要對(duì)襯砌厚度進(jìn)行加強(qiáng)，并提高噴射混凝土強(qiáng)度。