隧道斜井單層襯砌應(yīng)用研究

黃川 程曉飛 王躍虎 白玉祥

摘要 為研究隧道斜井單層襯砌應(yīng)用，文章結(jié)合寧石高速云霧山隧道工程概況，針對隧道斜井采用初期支護加聚丙烯纖維噴射混凝土的單層襯砌方式進(jìn)行襯砌設(shè)計，并結(jié)合有限元軟件MIDAS/GTS來分析評價斜井結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性，預(yù)算出襯砌設(shè)計的工程總造價變化情況。研究結(jié)果表明，采用單層襯砌進(jìn)行隧道斜井支護可在保證原通風(fēng)排水作用和安全性的基礎(chǔ)上，縮短施工周期，降低施工成本，減少人員、設(shè)備的整體投入。

關(guān)鍵詞 高速公路;隧道斜井;單層襯砌

中圖分類號 U452.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）03-0096-07

0 引言

隨著我國高速公路建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，截止目前，全國高速公路總里程已穩(wěn)居世界首位，極大地推動了我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，同時也加大了各區(qū)域之間的交流和聯(lián)動。由于我國幅員遼闊，南北差異較大，在高速公路建設(shè)過程中往往會伴隨有橋梁、隧道、路基等工程，給公路建設(shè)帶來了較大的難度和挑戰(zhàn)。在隧道工程建設(shè)中，針對長隧道，為了提高隧道的施工安全，同時達(dá)到通風(fēng)排水的目的，通常會在隧道相應(yīng)軸線上貫通一條斜井通道，以增大隧道的施工作業(yè)面，隧道斜井內(nèi)部的施工步驟與隧道主線大致相同，均需要進(jìn)行必要的襯砌支護。然而，由于隧道斜井通常坡度較大，且施工難度高，同時會因圍巖巖性的變化而降低施工效率，因此，在條件允許的情況下可在斜井內(nèi)進(jìn)行單層襯砌施工，進(jìn)行初支后采用噴射混凝土進(jìn)行一次性永久支護[1]，在保證通風(fēng)排水不受影響情況下達(dá)到縮短工期、節(jié)約成本的目的。該文圍繞隧道斜井單層襯砌應(yīng)用進(jìn)行展開，針對云霧山隧道斜井實際圍巖特性，采用斜井初期支護+C35聚丙烯纖維噴射混凝土進(jìn)行襯砌設(shè)計，并采用有限元軟件來評價襯砌方案的安全性和可行性，且根據(jù)工程造價變化來評價襯砌設(shè)計的經(jīng)濟效益。

1 工程概況

寧陜至石泉高速公路云霧山斜井進(jìn)口位于安康市寧陜縣湯坪鎮(zhèn)，擬建線路云霧山隧道K17+500 m附近東側(cè)山體斜坡。斜井軸線走向與云霧山隧道基本一致，總體呈約186°走向，其自身坡度約為29%，斜井于線路約K18+380 m附近與云霧山隧道交匯，其起訖樁號為K0+000～K0+850 m，全長850 m，最大埋深約477 m。洞室圍巖主要巖性為全、強、中、微風(fēng)化鈣質(zhì)片巖及全、強風(fēng)化花崗巖。通過實地的超前地質(zhì)預(yù)報，勘察斜井掌子面揭露圍巖的巖性、完整性以及強度，對相應(yīng)地段的圍巖分級、施工開挖方法以及支護參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并對已完成開挖的地段進(jìn)行監(jiān)控量測，將斜井K0+063～K0+240段由斜井Ⅴ級圍巖變成Ⅲ級圍巖，K0+240～K0+790段的斜井Ⅲ級圍巖保持不變。原斜井設(shè)計為通排風(fēng)結(jié)構(gòu)，襯砌采用復(fù)合襯砌，前期施工中由于斜井傾斜角度較大，模筑混凝土的施工帶來很大困難，為此，擬采用單層襯砌形式進(jìn)行支護，其設(shè)計優(yōu)化具體為：斜井Ⅲ級圍巖段（K0+063～K0+240）已按變更設(shè)計完成初期支護的段落，表面再噴射一層8 cm厚C35聚丙烯纖維噴射混凝土進(jìn)行補強;斜井Ⅲ級圍巖段（K0+240～K0+790）已按原設(shè)計完成初期支護的段落，表面再噴射一層10 cm厚C35聚丙烯纖維噴射混凝土進(jìn)行補強。

由于上述兩段二襯尚未澆筑，未能及時施作，考慮采用初支維持不變，表面增噴一層混凝土的方式進(jìn)行支護加強處理，目前隧道單層襯砌常用到鋼纖維噴射混凝土[2]，而為了防止在混凝土噴射過程中堵塞管道，擬定換為C35聚丙烯纖維噴射混凝土，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。為驗證該隧道斜井單層襯砌應(yīng)用的可行性，現(xiàn)對其安全評價和經(jīng)濟效益進(jìn)行研究。

2 單層襯砌工程特性分析

公路隧道為一種永久性建筑物，為確保隧道工程能達(dá)到長期運營的目的，隧道內(nèi)應(yīng)做襯砌，且在進(jìn)行襯砌形式設(shè)計時應(yīng)充分考慮合理性和經(jīng)濟性。目前隧道襯砌形式主要為復(fù)合式襯砌和單層襯砌兩大類，其中單層襯砌（single shell lining）作為一種新型隧道支護體系，從20世紀(jì)70年代逐步發(fā)展起來，具有結(jié)構(gòu)受力合理、施工方便、造價較低等顯著特點。噴錨襯砌是單層襯砌的一種，單層襯砌可以是單層的，也可以是多層的，可以是模筑混凝土的，也可以是噴混凝土和噴纖維混凝土的，其組合形態(tài)具有多樣性，其承載機理為支護層與襯砌層的力學(xué)動態(tài)為一體，各層間能夠充分傳遞剪力，形成共同承載體系[3]。單層襯砌概念圖如圖1所示。與復(fù)合式襯砌相比，單層襯砌支護結(jié)構(gòu)力學(xué)特征存在較大差異，其各支護層之間由于未設(shè)置隔離層（如防水板、土工布）或涂有豁粘性能較好的防水涂料，層間具有很強的黏結(jié)力并可充分傳遞剪力，使得各支護層變形更具一體性[4]。另外，單層襯砌比復(fù)合式襯砌薄，能夠減少開挖量和襯砌圬工量，同時取消了防水板，換成耐水性很好的防水混凝土噴層，施工操作方便，可保證防水質(zhì)量。另外，單層襯砌施作時所使用的機械設(shè)備數(shù)量較少，可擴大施工作業(yè)面，創(chuàng)造更大的施工空間，簡化了施工機械安裝拆卸等作業(yè)，有利于縮短工期，并可節(jié)約施工成本。

3 隧道斜井結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評價技術(shù)研究

3.1 數(shù)值模擬計算方法設(shè)定

公路隧道屬于細(xì)長型結(jié)構(gòu)物，即隧道的橫斷面相對縱向的長度小很多，可以假定在圍巖荷載作用下，在其縱向沒有位移，只有橫向發(fā)生位移，所以隧道的力學(xué)分析可以采用平面應(yīng)變模型進(jìn)行展開[5]，計算分析決定采用MIDAS/GTS來完成。

由于隧道以及通風(fēng)斜井為地下結(jié)構(gòu)物，目前地下結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計計算方法有兩大類，即荷載結(jié)構(gòu)法和地層結(jié)構(gòu)法[6]，其中荷載結(jié)構(gòu)法著眼于地層的荷載作用，襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)能安全可靠地承受地層壓力等荷載，而地層壓力是按照圍巖分級或?qū)嵱霉絹泶_定的。采用荷載結(jié)構(gòu)法計算模型，計算方法簡單，工作量小，具有明確的安全系數(shù)評價方法，可以考慮到各種幾何形狀、圍巖和支護材料的非線性特性、開挖面空間效應(yīng)所形成的三維狀態(tài)以及地質(zhì)中的不連續(xù)面等[7]。結(jié)合云霧山隧道斜井的設(shè)計和檢測相關(guān)信息可得，進(jìn)行斜井結(jié)構(gòu)的安全評價和計算重點為驗算斜井未施作二襯時其結(jié)構(gòu)能否承擔(dān)全部圍巖荷載，采用荷載結(jié)構(gòu)法能更加快捷、有效、實際地對斜井結(jié)構(gòu)安全狀況進(jìn)行評價。

綜上所述，該次計算運用有限元軟件MIDAS/GTS來進(jìn)行數(shù)值模擬，并結(jié)合荷載結(jié)構(gòu)法來展開安全評價計算。根據(jù)隧址區(qū)具體地質(zhì)情況，為驗證斜井結(jié)構(gòu)的安全，按照最不利情況建立二組模型，采用荷載結(jié)構(gòu)法對通風(fēng)斜井XJ-Ⅲ-3襯砌斷面和通風(fēng)斜井XJ-Ⅲ-4襯砌斷面進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算。

3.2 有限元軟件實現(xiàn)

3.2.1 荷載結(jié)構(gòu)法的一般計算步驟

采用有限元軟件MIDAS/GTS進(jìn)行荷載結(jié)構(gòu)法計算隧道襯砌受力及變形狀況時，采用梁單元模擬襯砌，并采用彈簧單元模擬襯砌與圍巖間的相互作用，即地層彈簧。

3.2.2 荷載的確定

根據(jù)公路隧道設(shè)計規(guī)范附錄D，計算斜井結(jié)構(gòu)，初期支護外再施作8～10 cm厚C35聚丙烯纖維噴射混凝土承擔(dān)全部的圍巖荷載，以計算斜井結(jié)構(gòu)的安全狀況。

3.2.3 襯砌結(jié)構(gòu)模擬

根據(jù)隧道規(guī)范將噴射混凝土與鋼拱架視為整體進(jìn)行內(nèi)力計算，共同分析其承載能力，并按等效原則來折算支護結(jié)構(gòu)的彈性模量和重度。

3.3 分離式隧道結(jié)構(gòu)受力計算

3.3.1 隧道深淺埋劃分

按照隧道設(shè)計規(guī)范，并結(jié)合地質(zhì)條件、施工方法等因素綜合確定荷載等效高度。

3.3.2 淺埋隧道圍巖壓力計算

（1）埋深（H）小于或等于等效荷載高度hq：

隧道頂部垂直壓力：

q=γH （1）

式中：q—隧道垂直均布壓力（kN/m2）;γ—圍巖容重（kN/m3）;H—隧道埋深，指隧道頂部至地面的距離（m）。

作用在襯砌上的隧道兩側(cè)水平圍巖壓力為：

（2）

（3）

式中：e1、e2—隧道拱頂與底部的水平圍巖壓力;γ—圍巖容重（kN/m3）;H—隧道埋深，指隧道頂部至地面的距離（m）;h—隧道開挖深度（m）;φ—圍巖計算摩擦角（°）。

（2）埋深大于hq、小于Hp：

埋深大于hq小于等于Hp時，為便于計算，假定巖體中的破裂面是一條與水平成角的斜直線。EFGH巖體下沉，帶動兩側(cè)三棱巖體下沉?xí)r，又要受到未擾動巖體的阻力;斜直線AC或BD是假定破裂面，分析時考慮內(nèi)聚力C，并采用了計算摩擦角φ，另一滑面FH或EG則并非破裂面，因此，滑面阻力小于破裂面的阻力，若該滑面的摩擦角為θ，則θ值應(yīng)小于值φ，無實測資料時，θ可按附錄D表2采用。

（4）

式中：q淺—隧道垂直壓力（kN/m2）;γ—坑道上腹圍巖容重（kN/m3）;H—隧道埋深，指坑頂至地面的距離（m）;B—隧道寬度（m）;λ—側(cè)壓力系數(shù)。

（5）

（6）

式中：φ—圍巖計算摩擦角（°）;θ—滑面的摩擦角（°），按表1確定。

作用在襯砌上的隧道兩側(cè)水平圍巖壓力為：

（7）

（8）

式中：e1、e2—隧道拱頂與底部的水平圍巖壓力;γ—圍巖容重（kN/m3）;h—隧道開挖高度（m）;φ—圍巖計算摩擦角（°）。

3.3.3 深埋隧道圍巖壓力計算

根據(jù)隧道設(shè)計規(guī)范規(guī)定，深埋支護結(jié)構(gòu)承擔(dān)主要的荷載有圍巖松散壓力。

3.4 截面強度驗算

根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG 3370.1—2018） 規(guī)定，混凝土偏心受壓構(gòu)件按破壞階段進(jìn)行強度驗算。具體計算方法為根據(jù)材料的極限強度，計算出偏心受壓構(gòu)件的極限承載力N極限，與實際內(nèi)力相比較，得出截面的抗壓（或抗拉）強度安全系數(shù)，檢查其是否滿足《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG 3370.1—2018）的要求，即：

（9）

當(dāng)由抗壓強度控制，即e=M/N≤0.2h時：

（10）

式中：φ—構(gòu)件縱向系數(shù)，隧道襯砌取1;Ra—混凝土極限抗壓強度;α—軸力的偏心影響系數(shù)，按以下經(jīng)驗公式確定：

（11）

式中：b—截面寬度，取1 m;h—截面厚度。

當(dāng)由抗拉強度控制，即e=M/N≥0.2h時：

（12）

式中：Rl —混凝土極限抗拉強度。

值得注意的是，規(guī)范中抗拉控制驗算針對的是混凝土，由于設(shè)計上二次襯砌有時要采用模筑鋼筋混凝土，檢算中若由抗拉強度控制時，將不能采用上述公式進(jìn)行檢算，需考慮配筋情況，根據(jù)配筋計算其安全系數(shù)，并檢驗其是否滿足規(guī)范要求。對模筑鋼筋混凝土若由抗拉強度控制時，具體驗算方法如下：

對于對稱配筋的偏心受壓構(gòu)件先確定其為大偏心還是小偏心。

當(dāng)x≤0.55h0時，為大偏心受壓情況，安全系數(shù)由下式計算：

（13）

當(dāng)計算中考慮受壓鋼筋時，則混凝土受壓區(qū)高度應(yīng)符合x≥2a′，如不符合，則按下式計算：

（14）

當(dāng)x>0.55h0時，為小偏心受壓情況，安全系數(shù)由下式計算：

（15）

當(dāng)軸向力N作用于鋼筋A(yù)g的重心與鋼筋A(yù)g′的重心之間，應(yīng)采用下式計算安全系數(shù)：

（16）

其中：a′—混凝土保護層厚度;Rg—鋼筋的抗拉或抗壓計算強度標(biāo)準(zhǔn)值，取335 MPa;h0—截面的有效高度（m），h0=h?a′;Ag、Ag′—受拉或受壓區(qū)鋼筋的截面面積;RW—混凝土彎曲抗壓極限強度標(biāo)準(zhǔn)值，RW=1.25Ra;h—截面高度（m）;e、e′—鋼筋A(yù)g和Ag′的重心至軸向力作用的距離（m）;x—受壓區(qū)計算高度（m）。

4 隧道斜井結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果評價

4.1 安全評價

4.1.1 通風(fēng)斜井XJ-Ⅲ-3襯砌斷面結(jié)構(gòu)計算

首先選擇計算參數(shù)，其中γ為25 kN/m3，計算摩擦角φ為60°，彈性抗力系數(shù)為800 MPa/m，按照GAP約束襯砌全斷面進(jìn)行約束，其計算模型及荷載分布如圖2所示，其荷載計算結(jié)果如表3所示，模擬計算結(jié)果分析如圖3～8所示。

采用材料力學(xué)與結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法，在算得結(jié)構(gòu)內(nèi)力的基礎(chǔ)上，將斜井襯砌結(jié)構(gòu)按照鋼筋混凝土構(gòu)件計算其安全系數(shù)，同時結(jié)合隧道的變形等來綜合評價襯砌的支護效果。該斜井結(jié)構(gòu)支護采用的初期支護+8 cm厚C35聚丙烯纖維噴射混凝土，對應(yīng)的混凝土彎曲抗壓極限強度標(biāo)準(zhǔn)值RW為29.8 MPa，型鋼拱架Rg為335 MPa，截面高度h為0.30 m，有效高度h0為0.25 m，計算寬度為1.0 m，偏心距e0=M/N，計算偏心距e=e0+（0.55h?0.05）、e′=e0?（0.55h?0.05）。結(jié)合《公路隧道設(shè)計規(guī)范》計算的襯砌截面安全系數(shù)列如表4所示。

根據(jù)表4計算結(jié)果，墻腳和拱腰的安全系數(shù)較小最小值為2.04，斜井襯砌結(jié)構(gòu)的強度安全系數(shù)大于《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG 3370.1—2018）中表9.2.4.2中規(guī)定的最小強度安全系數(shù)。

4.1.2 通風(fēng)斜井XJ-Ⅲ-4襯砌斷面結(jié)構(gòu)計算

首先選擇計算參數(shù)，其中γ為26.5 kN/m3，計算摩擦角φ為70°，彈性抗力系數(shù)為1 200 MPa/m，按照GAP約束襯砌全斷面進(jìn)行約束，其計算模型及荷載分布如圖7所示，其荷載計算結(jié)果如表5所示，模擬計算結(jié)果分析如圖8～11所示。

同理，該斜井結(jié)構(gòu)支護采用的初期支護+10 cm厚C35聚丙烯纖維噴射混凝土，對應(yīng)的混凝土彎曲抗壓極限強度標(biāo)準(zhǔn)值Rw為28.6 MPa，型鋼拱架Rg為335 MPa，截面高度h為0.20 m，有效高度h0為0.15 m，計算寬度為1.0 m，偏心距e0=M/N，計算偏心距e=e0+（0.55h?0.05）、e′=e0?（0.55h?0.05）。結(jié)合《公路隧道設(shè)計規(guī)范》計算的襯砌截面安全系數(shù)列如表6所示。

根據(jù)以上計算結(jié)果，墻腳和拱腰的安全系數(shù)較小最小值為2.06，斜井襯砌結(jié)構(gòu)的強度安全系數(shù)大于《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG 3370.1—2018）中表9.2.4.2中規(guī)定的最小強度安全系數(shù)。

綜上所示，通過對斜井襯砌結(jié)構(gòu)計算，將斜井初期支護+C35聚丙烯纖維噴射混凝土視為整體進(jìn)行內(nèi)力計算，計算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)受力和安全系數(shù)能夠滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全。考慮到斜井二襯的施工難度，故可建議取消云霧山隧道部分Ⅲ級圍巖段落的斜井二襯。

4.2 效益評價

4.2.1 社會效益

隧道斜井單層襯砌支護相比于復(fù)合型襯砌其施工簡單，其結(jié)構(gòu)工藝有較大的改進(jìn)，如復(fù)合型襯砌中的U型鋼支架以及鋼筋網(wǎng)都被代替，聚丙烯混凝土噴射完畢后可在隧道斜井表面快速形成一層較強的連續(xù)支撐力，有效預(yù)防圍巖脫落;在普通的噴射混凝土中摻加適量的聚丙烯纖維，可明顯提高混凝土的抗壓、抗折等性能，進(jìn)而提高斜井的整體穩(wěn)定性，實現(xiàn)隧道單層襯砌一次永久支護。同時單層襯砌的施作可與斜井掘進(jìn)同步平行完成，整個施工過程中使用的施工機械設(shè)備數(shù)量較少，且較為輕便靈敏，降低了人員、設(shè)備的投入，間接降低了施工成本，另外在單層襯砌施工中無需使用二襯臺車，給相對狹小的斜井中創(chuàng)造了較大的工作面，縮短工期的同時節(jié)約工程造價[8]。

4.2.2 經(jīng)濟效益

云霧山隧道斜井中襯砌結(jié)構(gòu)變更為單層襯砌后，與原設(shè)計方案相比得到整體施工工序大大減少，且減少了土石開挖量，同時省去防水板等結(jié)構(gòu)物，降低造價和成本，設(shè)計變更優(yōu)化前后隧道斜井預(yù)算合價變化情況如表7所示。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可得，原設(shè)計的工程總造價為3 734.98萬元，變更為單層襯砌后其工程總造價變?yōu)? 373.26萬元，總費用共節(jié)約了361.72萬元，其經(jīng)濟效益顯著。

5 結(jié)語

該文圍繞隧道斜井單層襯砌應(yīng)用進(jìn)行展開，結(jié)合寧石高速云霧山隧道斜井結(jié)構(gòu)作為依托，經(jīng)過專家評審決定采用初期支護和聚丙烯纖維噴射混凝土的單層襯砌方式進(jìn)行斜井襯砌設(shè)計，以增強隧道斜井結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。主要采用有限元軟件MIDAS/GTS進(jìn)行整體內(nèi)力計算，以得出斜井襯砌結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強度和安全系數(shù)，并結(jié)合施工技術(shù)要點和經(jīng)濟效率控制來評價整體效益。研究結(jié)果得到：

（1）采用有限元軟件MIDAS/GTS進(jìn)行整體內(nèi)力計算，得出斜井襯砌結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強度和安全系數(shù)均滿足規(guī)范設(shè)計要求，證實取消二襯施工、采用單層襯砌的設(shè)計方案具有可行性。

（2）隧道斜井單層襯砌支護相比于復(fù)合型襯砌其施工簡單，其結(jié)構(gòu)工藝有較大的改進(jìn)，可實現(xiàn)隧道單層襯砌一次永久支護。

（3）單層襯砌的施作可與斜井掘進(jìn)同步平行完成，整個施工過程中使用的施工機械設(shè)備數(shù)量較少，且較為輕便靈敏，降低了人員、設(shè)備的投入，間接降低了施工成本，另外在單層襯砌施工中無需使用二襯臺車，給相對狹小的斜井中創(chuàng)造了較大的工作面。

（4）采用單層襯砌設(shè)計后斜井總的工程造價共節(jié)約了361.72萬元，具有較高的經(jīng)濟效益，同時可縮短施工周期，提高隧道工程整體施工效率，具有較高的經(jīng)濟效益。

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