深埋山嶺富水公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模擬分析

丁燕平，徐林生

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院山區(qū)橋隧工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，重慶市 400074；2.重慶路威土木工程設(shè)計(jì)有限公司)

隨著中國(guó)綜合交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)不斷發(fā)展，西南地區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)正在不斷加快，西南地區(qū)地形地貌條件復(fù)雜，地質(zhì)多變，在這種情況下修建山嶺隧道，不可避免地會(huì)遇到富水高水壓隧道。過去由于隧道多采取防、截、排、堵結(jié)合，“以排為主”思路，基本消除了作用在襯砌上的外水壓力，因此通常不考慮此種荷載，從而回避了“抗水壓隧道襯砌結(jié)構(gòu)”這一問題。近年來，由于環(huán)保要求提高，工程技術(shù)人員開始采取“以堵為主、限量排放”的治水理念，在此要求下，外水壓成為隧道結(jié)構(gòu)的一種主要永久荷載，但目前的公路隧道設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范中均未對(duì)抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)形式提出規(guī)定。工程設(shè)計(jì)人員往往采用增大襯砌厚度、增大配筋等措施來滿足一定水壓作用下的襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。但其設(shè)計(jì)不滿足“安全實(shí)用，質(zhì)量可靠，經(jīng)濟(jì)合理”的設(shè)計(jì)原則。姚俊峰、高新強(qiáng)等對(duì)單線鐵路小斷面隧道的襯砌抗水壓性能進(jìn)行了研究，隨著公路交通的發(fā)展，公路隧道同樣不可避免地遭遇富水地質(zhì)，襯砌結(jié)構(gòu)面臨抗水壓這一工程問題，但目前對(duì)公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)沒有深入分析，由于公路隧道斷面較鐵路隧道斷面形式與尺寸不同，抗?jié)B性能也不一樣，公路隧道設(shè)計(jì)往往不能直接運(yùn)用相關(guān)數(shù)據(jù)，因此需對(duì)外水壓作用下兩車道公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。該文對(duì)水壓作用下深埋公路隧道襯砌進(jìn)行研究，以設(shè)計(jì)適用于一定水壓下的深埋山嶺富水隧道的抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)形式。

1 外水壓確定

重慶南(川區(qū))兩(江新區(qū))高速公路春天門特長(zhǎng)隧道為雙洞分離式隧道，起點(diǎn)位于涪陵區(qū)新妙鎮(zhèn)岔河村，洞身段主要為巴南區(qū)雙河口鎮(zhèn)塘灣村，終點(diǎn)位于巴南區(qū)雙河口鎮(zhèn)太平村春天門。隧道穿越的豐盛場(chǎng)背斜為一富水構(gòu)造，隧道由南東翼進(jìn)入背斜，由北西翼穿出，穿越3個(gè)強(qiáng)賦水帶，且隧道段處于地下水位以下，在此條件下的隧道施工容易遭遇涌突水、突泥事故，同時(shí)可能造成地表塌陷、地下水疏干等次生環(huán)境問題。根據(jù)地勘資料分析，隧道單洞預(yù)測(cè)最大涌水量達(dá)64 669.40 m3/d，最大外水壓1.17 MPa。為保證春天門隧道結(jié)構(gòu)與運(yùn)營(yíng)安全，富水地區(qū)襯砌結(jié)構(gòu)需采用抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)隧道穿越段含水量及水壓不同，水壓分別采用0.3、0.6與1.0 MPa分段設(shè)計(jì)，該文按0.3 MPa水壓初步擬定襯砌結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)水壓(P)、作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的外水壓(P1)，采用折減系數(shù)法確定襯砌結(jié)構(gòu)形式，外水壓折減系數(shù)β分別采用0.2、0.4、0.6、0.8和1.0共5種工況，則作用在襯砌上的外水壓為：

P1=βP

(1)

2 抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)春天門隧道富水段工程特性，對(duì)設(shè)計(jì)抗水壓襯砌SK1形、一般隧道襯砌SY1形與圓形襯砌SY2形共3種襯砌形式進(jìn)行理論分析(圖1)。

圖1 隧道襯砌設(shè)計(jì)形式(單位：cm)

設(shè)計(jì)采用雙層配筋，SK1形襯砌環(huán)向主筋為C32(HRB400)，縱向間距為20 cm；縱向主筋為C20(HRB400)，環(huán)向間距為25 cm；箍筋為A12(HPB300)。

3 有限元模擬分析

3.1 有限元計(jì)算模型

有限元分析采用大型有限元軟件Ansys14.0進(jìn)行分析，分析過程中將外水壓視作作用在襯砌結(jié)構(gòu)表面的面力，這樣可將隧道水壓的計(jì)算模型簡(jiǎn)化為“荷載-結(jié)構(gòu)”模型。襯砌采用彈性梁?jiǎn)卧?Beam188)進(jìn)行模擬，隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用C30混凝土參數(shù)；圍巖采用線彈簧單元(Combin14)進(jìn)行模擬，彈簧參數(shù)參考地勘報(bào)告資料，彈性抗力系數(shù)k=1 200 MPa/m。

3.2 計(jì)算工況

根據(jù)設(shè)計(jì)襯砌結(jié)構(gòu)形式不同(圖1)，按照襯砌外水壓折減系數(shù)不同組合，計(jì)算分為45種工況，工況組合見表1。

表1 不同工況組合下的主要計(jì)算參數(shù)

3.3 邊界條件

春天門隧道富水段埋深為110～250 m，該段處于Ⅳ級(jí)圍巖段，隧道開挖凈跨B=13.5 m，圍巖重度γ=22.5 kN/m3，圍巖計(jì)算內(nèi)摩擦角φ=28°。根據(jù)JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》提出的深埋隧道圍巖壓力計(jì)算公式，采用襯砌結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)施加豎向力150 kN/m2、施加水平力30 kN/m2、重力加速度為9.8 m/s2，彈簧末端施加位移全約束、襯砌梁?jiǎn)卧鈧?cè)施加均布水壓力P1進(jìn)行計(jì)算。

3.4 模擬分析過程

“荷載-結(jié)構(gòu)法”計(jì)算分析襯砌結(jié)構(gòu)受力特征，對(duì)結(jié)構(gòu)施加外水壓荷載，計(jì)算后分析彈簧單元受力，通過生死單元控制，殺死所有受拉彈簧單元，重新施加外水壓并重新計(jì)算，直至所有生單元均為受壓狀態(tài)，結(jié)束計(jì)算，提取襯砌受力結(jié)果。

3.5 安全系數(shù)指標(biāo)

安全系數(shù)根據(jù)JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》求解，并按規(guī)范制定安全系數(shù)控制值，見表2。

表2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)

抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)按永久荷載+基本可變荷載組合控制。

3.6 計(jì)算結(jié)果分析

3.6.1β=0.6、d=70 cm工況結(jié)果分析

通過計(jì)算分析可知，相同襯砌結(jié)構(gòu)形式在不同外水壓工況下，襯砌結(jié)構(gòu)最大軸力、最大彎矩與安全系數(shù)的表現(xiàn)形式基本一致，在不同水壓下，軸力、彎矩與安全系數(shù)只表現(xiàn)為數(shù)值大小差異，因此，該文只給出折減系數(shù)β=0.6、襯砌厚度d=70 cm工況下3種襯砌形式的受力與安全系數(shù)云圖，見圖2～4。

(1)由圖2可知：3種隧道襯砌結(jié)構(gòu)形式所受軸力均為壓力，圓形襯砌SY2襯砌壓力最小，其最大軸力為1 850 kN，抗水壓襯砌SK1次之，最大軸力為2 260 kN，一般隧道襯砌SY1所受壓力最大，最大軸力為2 590 kN。其中SK1形襯砌與SY1形襯砌軸力最大值分布于邊墻與拱腳部位，而SY2形襯砌軸力最大值位于仰拱部位，3種襯砌形式軸力最小值均位于拱頂部位。其次，SK1形襯砌軸力最大值與最小值相差63 kN，SY1形襯砌軸力最大值與最小值相差67 kN，SY2形襯砌軸力最大值與最小值相差70 kN，軸力變化范圍相對(duì)較小，軸力部分較為均勻。

圖2 軸力圖(單位：N)

(2)由圖3可知：3種襯砌結(jié)構(gòu)形式在外水壓作用下均存在正負(fù)彎矩，表明襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)均存在受拉形式，圖中彎矩襯砌外側(cè)受拉為正，內(nèi)側(cè)受拉為負(fù)。SK1形襯砌最大負(fù)彎矩為521 kN·m、最大正彎矩為355 kN·m，SY1形襯砌最大負(fù)彎矩為413 kN·m、最大正彎矩為586 kN·m，SY2形襯砌最大負(fù)彎矩為371 kN·m、最大正彎矩為436 kN·m。3種襯砌結(jié)構(gòu)形式最大正彎矩位于襯砌拱腰處，但最大負(fù)彎矩位置表現(xiàn)不同，其中SK1形襯砌最大負(fù)彎矩主要集中在拱腳小圓弧與仰拱連接部位，SY1形襯砌最大負(fù)彎矩主要出現(xiàn)在仰拱與拱頂，而SY2形襯砌最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在仰拱與拱腰部位。

圖3 彎矩圖(單位：N·m)

(3)由圖4可知：SY2形襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)最大，其值為4.02；其次為SK1形襯砌，為2.54；SY1形襯砌最小安全系數(shù)為1.56。其中SK1形襯砌最小安全系數(shù)位于拱腳小圓弧與仰拱連接部位，與最大負(fù)彎矩位置相對(duì)應(yīng)；SY1形襯砌最小安全系數(shù)位于襯砌拱腰處，與最大正彎矩位置一致；而SY2形最小安全系數(shù)位于拱腰部位，與最大負(fù)彎矩相對(duì)應(yīng)。根據(jù)分析，安全系數(shù)均為混凝土受拉極限控制，因此安全系數(shù)控制值為2.4，根據(jù)表2控制指標(biāo)，SY1形襯砌工況下安全系數(shù)不滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 安全系數(shù)圖

(4)由圖2～4可知：在襯砌結(jié)構(gòu)跨徑相同(即襯砌上半圓半徑相同)情況下，截面受外力作用時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)受豎向軸向力和切向力與半徑及偏角相關(guān)，拱腳處曲率半徑減小，軸向力和切向力分力增大，受拉彎矩增大，使得SY1形襯砌彎矩在拱腳處最大，SY2形襯砌最小。

由此可知，在β=0.6、d=70 cm工況下，圓形SY1形襯砌受力相對(duì)較優(yōu)，但隧道界面最大，一般隧道SY1形襯砌安全系數(shù)不能滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)抗水壓SK1形襯砌在滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求下，能夠減小隧道截面面積。綜合軸力、彎矩及安全系數(shù)云圖分析可得，3種襯砌形式最不利位置一般位于拱腳或拱腰受力轉(zhuǎn)換位置，設(shè)計(jì)配筋需以該處為控制值校核。

3.6.2 不同折減系數(shù)各工況結(jié)果分析

根據(jù)折減系數(shù)不同，各工況下襯砌結(jié)構(gòu)受外水壓作用，對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力與安全系數(shù)影響明顯，圖5～7為各工況襯砌結(jié)構(gòu)最大軸力、最大彎矩與最小安全系數(shù)趨勢(shì)圖。

圖5 軸力趨勢(shì)圖

(1)由圖5可知：隧道襯砌最大軸力隨折減系數(shù)增大而增大，其中SY2形襯砌軸力最大值變化幅度較小，曲線較為平緩,β=1.0、d=80 cm時(shí)達(dá)到最大軸力，其值為2 210 kN，較SK1形式襯砌小700 kN，較SY1形襯砌小1 160 kN，說明圓形襯砌結(jié)構(gòu)增大襯砌厚度其軸力變化不明顯，增大襯砌厚度提高抗水壓能力不適用于圓形襯砌形式。SK1形襯砌與SY1形襯砌結(jié)構(gòu)軸力隨折減系數(shù)增加而顯著增大，這兩種襯砌所受軸力增大幅度隨折減系數(shù)增大幅度基本呈等比例關(guān)系。其中SK1形襯砌增大幅度最大者為d=80 cm工況，軸力由1 620 kN增大至2 910 kN，增大1 290 kN。SY1形襯砌增大幅度最大為d=70 cm工況，軸力由1 920 kN增大至3 250 kN，增大1 330 kN。

(2)由圖6可知：SK1形襯砌與SY2形襯砌所受彎矩變化較緩，但SY1形襯砌折減系數(shù)為0.2～0.8時(shí)彎矩變化較小，為0.8～1.0時(shí)，彎矩顯著增大，增大幅度為600～700 kN·m。而SK1形襯砌增大幅度為100 kN·m，SY2形襯砌增大幅度約為200 kN·m。分析認(rèn)為由于SY1形襯砌較為扁平，在水壓增大后，受拉彈簧單元消除較多，內(nèi)力重分布后，襯砌拱腰彎拉顯著增大。

圖6 彎矩趨勢(shì)圖

(3)由圖7可知：折減系數(shù)為0.2～0.6時(shí)安全系數(shù)減小較快，為0.6～1.0時(shí)減小較緩，其中當(dāng)β=0.6時(shí)，SY1形襯砌安全系數(shù)均在控制值(2.4)以下，SK1形襯砌中d=60 cm時(shí)也不能滿足規(guī)范要求。當(dāng)折減系數(shù)增大至β=0.8時(shí)，只有SY1形襯砌安全系數(shù)值在控制值之上，且d=60 cm時(shí)安全系數(shù)為2.43，接近控制值。當(dāng)折減系數(shù)增大至β=1.0時(shí)，所有襯砌安全系數(shù)均小于控制值。

圖7 安全系數(shù)趨勢(shì)圖

(4)根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)研究：隨著注漿圈厚度增大，水壓折減性能與滲水量逐漸降低，水壓減小，但厚度增大至一定量后外水壓及滲水量減小幅度降低，無限制增大注漿層厚度在實(shí)際工程中并不可取.根據(jù)圖5～7分析可知，在外水壓為0.3 MPa工況下，當(dāng)采用SK1形襯砌時(shí)，采取d=70 cm、β=0.6滿足結(jié)構(gòu)安全要求且最為經(jīng)濟(jì)；當(dāng)采用SY1形襯砌時(shí)，采取d=80 cm、β=0.6滿足結(jié)構(gòu)安全要求且最為經(jīng)濟(jì)；采用SY2形襯砌時(shí)，采取d=60 cm、β=0.6滿足結(jié)構(gòu)安全要求且最為經(jīng)濟(jì)。但采用SY2形襯砌開挖斷面較SK1形與SY1形襯砌大，而SY1形襯砌較SK1形與SY2形襯砌厚度大。綜合比較在外水壓為0.3 MPa工況下，采用SK1形襯砌，控制超前注漿加固區(qū)折減系數(shù)不大于0.6、d=70 cm。

4 結(jié)論與建議

(1)3種隧道襯砌結(jié)構(gòu)形式所受軸力均為壓力，圓形襯砌SY2形壓力最小，抗水壓襯砌SK1形次之，一般隧道襯砌SY1形所受壓力最大，其中SK1形襯砌與SY1形襯砌軸力最大值分布于邊墻與拱腳部位，而SY2形襯砌軸力最大值位于仰拱部位，3種襯砌形式在外荷載作用下，軸力最小值均位于拱頂部位。

(2)3種形式隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大軸力隨隧道折減系數(shù)增大而增大，其中SY2形襯砌軸力最大值變化幅度較小，曲線較為平緩，SK1形襯砌與SY1形襯砌結(jié)構(gòu)軸力隨折減系數(shù)增加而顯著增大。

(3)3種形式襯砌結(jié)構(gòu)正負(fù)壓力均存在，表現(xiàn)為襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)均存在受拉形式，3種形式襯砌結(jié)構(gòu)最大正彎矩位于襯砌拱腰處，但最大負(fù)彎矩位置表現(xiàn)不同，其中SK1形襯砌最大負(fù)彎矩主要集中在拱腳小圓弧與仰拱連接部位，SY1形襯砌最大負(fù)彎矩主要出現(xiàn)在仰拱與拱頂，而SY2形襯砌最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在仰拱與拱腰部位。

(4)SY2形襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最大，其次為SK1形襯砌，SY1形襯砌安全系數(shù)最小。其中SK1形襯砌最小安全系數(shù)位于拱腳小圓弧與仰拱連接部位，與最大負(fù)彎矩位置相對(duì)應(yīng)，SY1形襯砌最小安全系數(shù)位于襯砌拱腰處，與最大正彎矩位置相一致，而SY2形最小安全系數(shù)位于拱腰部位，同最大負(fù)彎矩相對(duì)應(yīng)。

(5)設(shè)計(jì)按照“安全實(shí)用，質(zhì)量可靠，經(jīng)濟(jì)合理”的原則在總水壓不大于0.3 MPa段，擬定采用SK1形襯砌，控制超前注漿加固區(qū)折減系數(shù)不大于0.6、d=70 cm，總水壓大于0.3 MPa段采用相應(yīng)增大襯砌截面厚度設(shè)計(jì)，富水段根據(jù)水壓進(jìn)行分段設(shè)計(jì)。