超大斷面隧道設計計算方法研究

陳福斌

（深圳市交通公用設施建設中心，廣東 深圳518000）

0 引 言

深圳市過境高速公路連接線工程（以下簡稱連接線隧道）地處梧桐山西，西起愛國路立交，東西貫穿東湖公園，位于深圳水庫下游，連接線隧道在塘排山東側與深圳東部過境高速蓮塘隧道相接。

隧道主線為3 車道，其中蓮塘主線分岔處3+2的車道實際相當于6 車道的設計大斷面，單洞跨度約30 m，其洞室跨度、單洞面積及設計施工難度均在國內在建隧道之首。

公路隧道中，隧道斷面可以劃分為標準斷面、大斷面、超大斷面等斷面形式[1]。日本的工程協(xié)會對隧道斷面大小的定義中，將開挖斷面120 m2以上斷面定義為超大斷面，而國際隧道協(xié)會則對100 m2以上斷面設定為超大斷面。國內超大斷面案例較少，現(xiàn)有實例包括白云山公路隧道，開挖斷面31.5 m×10.55 m，扁平率達0.333；烏孟山二號隧道，最大開挖寬度28.42，高度17.4 m，IV～V 級泥巖；曾家坪1號隧道進口，開挖寬度20.68 m，高度13.83 m，三線車站隧道。連接線隧道蓮塘分岔大跨段，單洞最大寬度29.87 m，高度18.97 m，其開挖斷面面積達440 m2，遠大于國際隧協(xié)的關于超大斷面的設計標準。如何準確、合理對超大斷面隧道工程進行經濟合理的設計，是整個工程的難點。

1 研究背景

目前關于超大斷面隧道的設計和研究方案在國內很少，可以拱借鑒參考的施工案例極少，相應的施工方法不成熟，設計和施工也沒有相關的規(guī)范可以依據。蔣樹屏等[3]研究了某高速公路八車道超大斷面，對于設計方案和施工步序進行了研究，根據工程類比總結了一套的施工方法。滕飛[4]對于東北地區(qū)軟塑性粘土地層的大斷面隧道提出來相關的施工技術工法。張全全[5]采用數值分析的方法對淺埋大斷面隧道圍巖的變形及是施工方法進行了優(yōu)化分析，確定了初襯設計的關鍵因素。本文在連接線隧道設計與施工過程中，針對隧道工程超大斷面關鍵節(jié)點，開展大斷面隧道結構關鍵技術研究，提出關鍵節(jié)點的設計方法和施工工法，研究施工擾動與控制措施，對連接線大斷面隧道的設計和施工具有重要的意義。

2 工程地質概況

根據地質詳勘報告，隧道蓮塘段大斷面區(qū)域，埋深為75 m，巖體較完整，以微風化巖層為主，屬弱透水地層，局部存在破碎帶，易形成地下水補給通道。上部覆蓋層為第四系（Q）及變質砂巖層（C1），圍巖類別具體如下：

④含碎石粉質黏土：褐紅、褐灰、褐黃色，不均勻含少量風化巖塊，可塑～硬塑狀態(tài)。

⑥1全風化變質砂巖：灰黃～褐黃色，不均勻夾少量中風化巖塊。

⑥2強風化變質砂巖：褐黃、褐灰色，原巖結構基本破壞，原巖礦物已基本風化成土狀，巖芯呈土夾砂狀或土夾塊狀。

⑥3中風化變質砂巖：灰白～淺灰色，裂隙發(fā)育，裂面多鐵質浸染，巖芯以碎塊～塊狀為主，少量短柱狀，巖石硅化顯著，巖質堅硬，錘擊聲稍啞、不易擊碎，合金鉆進困難，金剛石可鉆進。

受區(qū)域地質構造影響，圍巖根據地質勘探資料為Ⅲ級圍巖，根據規(guī)范推薦的圍巖參數取值，參數選取如下：黏聚力c=1.1 MPa，E=13 GPa，泊松比：0.27，內摩擦角45°，側壓力系數為0.44。

3 結構設計與計算

3.1 結構設計

隧道斷面內輪廓尺寸綜合考慮建筑限界、通風要求、設計合理性、施工便利及經濟性采用5 心圓斷面，開挖斷面跨度為29.87 m，高度18.97 m，見圖1。

圖1 大跨段復合式襯砌斷面設計圖（單位：mm）

隧道開挖后應同時施工初期支護，防止圍巖應力釋放導致變形過大引起坍塌。根據新奧法原理，隧道開挖后先產生一定的隨時間的變形，圍巖與初期支護達到收斂平衡，此后才施工二次襯砌，這樣對二次襯砌的荷載壓力的計算應主要是拱頂松散壓力，而非隧道開挖后形變壓力。設計時應根據不同圍巖情況預留不同的變形量，防止隧道圍巖變形過大影響隧道限界。

初期支護采用錨噴支護，即由噴射混凝土、錨桿、鋼筋網和鋼架支護形式組合使用。錨桿采用中空注漿錨桿錨桿。根據本隧道工程沿線所處圍巖工程地質和水文地質條件及地層巖性、結構和洞跨，在認真分析本隧道工程環(huán)境特點和難點及類似工程的基礎上，主要根據工程類比并經驗算復核得出支護參數，見表1。

表1 隧道復合襯砌設計參數表

3.2 荷載與二襯結構計算

地下開挖而沒有支護的洞室稱為毛洞。毛洞開挖后將引起局部地殼殘余應力的釋放和一定范圍內的巖土體應力重分布，應力重分布范圍內的巖土體稱為圍巖，此時毛洞圍巖的應力狀態(tài)稱為二次應力狀態(tài)，這種應力狀態(tài)受開挖方式（爆破、非爆破）和方法（全斷面法開挖、臺階法開挖等）的強烈影響，并且與巖土體的力學性能、初始應力及洞室斷面形狀等因素密切相關。

對于礦山法隧道，除了膨脹性地層外，圍巖壓力主要指變形壓力和松動壓力。變形壓力是由于洞室圍巖變形受到支護結構限制后，圍巖對支護形成的壓力。其大小決定于巖體的力學性質、巖體的初始地應力、洞室形狀、支護結構的剛度和支護時間等。松動壓力指由于開挖而松動或坍塌的巖體，以重力形式直接作用在支護結構上的壓力。俄國學者普氏（簡稱）于1907 年提出普氏理論，即自然平衡拱理論，認為在具有定粘結力的松散介質中開挖洞室后，其上方會形成一個拋物線形的自然平衡拱，而作用在支護結構上的圍巖壓力是自然平衡拱以內的松動巖體的重力。自然平衡拱上方的一部分巖體承受著上覆地層的全部重力，如同一個承載環(huán)一樣，并將荷載向兩側傳遞下去，這就是圍巖的拱效應。

對于圍巖較好的諸如II 級或III 級圍巖，隧道開挖后形變壓力便可短時間內釋放，由初期支護和圍巖自身承擔，而二次襯砌主要承擔松散壓力。傳統(tǒng)的松散壓力計算方法[6]有普式理論、泰沙基理論、經驗公式算法，均是基于新奧法原理考慮毛洞一次性開挖后，拱頂塑性區(qū)形成壓力拱，其拱下方松散土壓力可做設計的計算荷載。

按照《公路隧道設計規(guī)范》[7]中的經驗公式：

式中：h為松散拱高度；S為圍巖級別；w為寬度影響系數；B為隧道寬度(m)；i為B每增減1 m 時的圍巖壓力增減率，當B＜5 m 時i= 0.2 ，當B＞5 m 時i=0.1。

然而該公式符合小跨度隧道的荷載計算思路，對于超大跨度隧道設計是不適用額。采用這個規(guī)范公式計算大跨度隧道得到的松散土壓力過大，導致二襯內力較大，結構設計過于保守。因此如何確定計算荷載是超大斷面隧道的設計的重點。

從理論上講，對于同一圍巖，開挖后應力重分布的影響區(qū)與位移的影響區(qū)是一致的，采用應變指標可以作為判斷松散土壓力的依據。楊林德、丁文其等（2001、2003）成功應用了洞周圍巖徑向張應變值判斷洞室圍巖的穩(wěn)定性。根據曲海鋒（2007）的方法，其論文中圍巖（彈性模量為1.85 GPa）的極限拉應變值為0.5‰，可以用其方法計算出前文Ⅳ圍巖的極限拉應變值，即：

式中：E為彈性模量；R拉為巖石的單軸抗拉強度。該模型中的圍巖為III 圍巖，估算其單軸抗拉強度在6.0～7.0 MPa 之間。考慮到實際圍巖中巖體并非完整巖石，抗拉強度小于完整巖石的抗拉強度，因此要對單軸抗拉強度進行折減，取安全系數為2，那么該模型中彈性模量為13 GPa 的圍巖極限拉應變?yōu)?.27‰。

隧道開挖前，最大主應力矢量為豎直方向，開挖后巖體最大主應力方向發(fā)生偏轉，如隧道拱頂和拱底的最大主應力矢量由豎直向轉為水平向。建立二維有限元模型，巖體的本構模型采用摩爾—庫倫，對大跨度隧道開挖后毛洞的圍巖應力應變情況進行分析（見圖2～圖4）。

圖2 開挖后水平應力變化圖（單位：P a）

圖3 開挖后垂直應力變化圖（單位：P a）

根據該拉應變指標計算得出的壓力拱內邊界高度為7.54 m，即采用荷載結構法計算的松散土拱高度為7.54 m。

大跨段隧道二次襯砌的配筋和裂縫計算依據隧道正常使用階段的受力，因此，對大跨隧道進行荷載結構法計算，分析大跨隧道在正常使用階段，二次襯砌受力大小及最大彎矩和剪力部位。圖5 為荷載分布圖及種類。圖6～圖8 為隧道的軸力、彎矩及剪力分布圖。計算結果可知，最大彎矩為667.3 kN·m，最大剪力為679.5 kN，均處于隧道拱腳部位，該處軸力約為3847 kN，處于隧道底部仰拱處。

圖4 開挖后圍巖豎向拉應變云圖（單位：P a）

圖5 計算模型及荷載分布圖

圖6 隧道軸力分布圖

圖7 隧道彎矩分布圖

圖8 隧道剪力分布圖

3.3 地層結構法計算

設計采用雙側壁導坑法施工，由于隧道斷面較大，分多導坑施工有利于減小隧道跨徑，控制隧道變形。

按照相應的施工工法、工序和支護方式等，建立數值計算模型，見圖9。

圖9 大跨隧道施工地層有限元分析模型

圖10 和圖11 為隧道開挖完成后，圍巖的豎向變形和水平位移云圖，計算結果顯示，隧道開挖后拱頂最大變形量約6 cm，側墻最大水平變形量約1.6 cm，隧道能夠保證其整體穩(wěn)定性。

圖10 隧道豎向位移分布云圖

圖11 隧道水平位移分布云圖

由于巖體受開挖擾動，原先圍巖的三向應力平衡被打破，出現(xiàn)應力重分布現(xiàn)象，見圖12，垂直應力在隧道兩側邊墻部位發(fā)生應力集中，最大的垂直應力約3.31 MPa，約為原巖應力的2 倍，設計時該段施作了注漿錨桿，能夠有效提高該部位巖體的力學特性，同時，通過對巖體應變能的分析，該部位發(fā)生巖爆的可能性較小。

圖12 隧道垂直應力分布云圖

4 結 論

本文針對深圳市過境高速公路連接線工程蓮塘超大斷面隧道，采用理論分析和有限元數值模擬手段，研究大斷面隧道圍巖壓力的計算理論和設計方法。通過與現(xiàn)有的設計方法對比分析，總結大斷面隧道的圍巖壓力作用模式。

（1）提出了采用應變指標對于的隧道圍巖松散拱進行定量計算，通過二維有限元分析找到隧道松散拱的高度。該大跨度隧道荷載計算方法對于常規(guī)隧道的規(guī)范設計方法是行之有效的改進方法。

（2）根據應變指標下有限元計算的松散拱土壓力進行二維荷載結構法計算，考慮結構的尺寸和彈簧邊界條件，求出結構的內力用于結構配筋設計。

（3）通過三維地層有限元分析，考慮大跨度復雜的施工步序，研究了施工過程中隧道圍巖的應力應變規(guī)律。通過計算得出，通過導洞施工的方法有助于隧道的整體穩(wěn)定性，隧道的變形亦在可控制范圍內，對于局部拱腳隧道應力增加區(qū)域應采取相應加固措施。