巨跨洞室二次襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究

宋超業(yè)， 呂書清， 賀維國(guó)

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300131)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展需要，目前國(guó)內(nèi)外地下洞室正逐漸朝著巨型跨度發(fā)展。一般來(lái)說，地下洞室開挖跨度在 14～16 m 時(shí)為特大跨度； 開挖跨度大于16 m時(shí)為超大跨度，目前超大跨洞室主要集中在40 m以下； 跨度超過40 m的可稱作巨跨地下洞室。二次襯砌結(jié)構(gòu)作為巨跨洞室的最后一道支護(hù)體系，對(duì)洞室長(zhǎng)期穩(wěn)定具有重要意義。

《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]與《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]提出二次襯砌結(jié)構(gòu)宜采用荷載-結(jié)構(gòu)法，并給出了圍巖壓力計(jì)算公式及常規(guī)隧道斷面荷載分擔(dān)比例； 房倩等[3]認(rèn)為規(guī)范中采用松散體高度計(jì)算得到的二次襯砌荷載與實(shí)測(cè)荷載是不同的，二次襯砌結(jié)構(gòu)所受的荷載實(shí)際上是初期支護(hù)傳遞過來(lái)的圍巖形變壓力，而不是傳統(tǒng)意義上圍巖塌方產(chǎn)生的松動(dòng)壓力，并提出了以二次襯砌作為安全儲(chǔ)備的建議； 周建等[4]統(tǒng)計(jì)了31 座隧道120 個(gè)斷面的圍巖與初期支護(hù)及初期支護(hù)與二次襯砌間的接觸壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地提出了實(shí)測(cè)圍巖壓力和計(jì)算值的差異性，并提出了深埋復(fù)合式襯砌隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)分擔(dān)比； 肖強(qiáng)等[5]研究利用Flac軟件中的不平衡力來(lái)控制應(yīng)力釋放，并結(jié)合強(qiáng)度折減法提出二次襯砌設(shè)計(jì)需達(dá)到的安全系數(shù)； 李克先等[6]認(rèn)為在硬巖地層二次襯砌對(duì)控制車站整體及初期支護(hù)拱蓋變形的作用很小，可考慮優(yōu)化二次襯砌設(shè)計(jì)； 肖明清[7]提出將復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)作為一個(gè)由多層結(jié)構(gòu)組成的整體結(jié)構(gòu)看待，每層結(jié)構(gòu)的安全性均采用荷載-結(jié)構(gòu)法計(jì)算，然后計(jì)算整體結(jié)構(gòu)的總安全系數(shù)； 呂剛等[8]以八達(dá)嶺超大跨度隧道工程為背景提出二次襯砌作為受力儲(chǔ)備發(fā)揮作用，二次襯砌承載力等同于錨桿、錨索的抗拔力，通過采用荷載-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)； 王華寧等[9]采用復(fù)變函數(shù)方法和 Laplace 變換，推導(dǎo)了開挖和支護(hù)全施工過程任意時(shí)刻圍巖、襯砌的位移和應(yīng)力理論解，基于理論解并利用數(shù)據(jù)擬合方法給出襯砌支護(hù)壓力和圍巖壓力分擔(dān)比簡(jiǎn)便計(jì)算式。

綜上可知，現(xiàn)有研究中二次襯砌設(shè)計(jì)對(duì)象的跨度較常規(guī)(最大跨度以八達(dá)嶺長(zhǎng)城站為代表，單跨僅為32.7 m)，主要采用荷載-結(jié)構(gòu)法和地層-結(jié)構(gòu)法設(shè)計(jì)。隨著洞室跨度的增大，若仍采用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法，二次襯砌厚度將會(huì)很大，經(jīng)濟(jì)性差，且大體積混凝土澆筑質(zhì)量和施工安全也不易控制，但目前暫未有巨跨洞室二次襯砌設(shè)計(jì)的研究。為解決這一問題，本文以某巨跨(大于50 m)洞室為例，探討分析現(xiàn)有二次襯砌設(shè)計(jì)方法的局限性，提出巨跨洞室二次襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)二次襯砌結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行比照分析。

1 工程背景

某洞室跨度大于50 m，斷面高度為14～22 m，矢跨比小于0.25，洞室形態(tài)具有巨跨扁平特點(diǎn)，如圖1所示。洞室位于微風(fēng)化巖中，覆巖厚度較薄，覆跨比大部分小于1.5。

圖1 巨跨洞室斷面示意圖(單位： m)

洞室圍巖整體為Ⅲ級(jí)，局部為Ⅳ1級(jí)，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度為75～95 MPa，巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。洞身開挖范圍內(nèi)存在數(shù)十條裂隙及斷層發(fā)育帶，如圖2所示，層理結(jié)合較好，地下水不豐富。場(chǎng)區(qū)地應(yīng)力以水平地應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力SH=3.3～15.9 MPa，側(cè)壓力系數(shù)平均值k=2.7；最小水平主應(yīng)力SH=2.6～9.2 MPa，側(cè)壓力系數(shù)平均值k=1.7。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

圖2 巨跨洞室揭示裂隙分布圖

本工程采用橫向分塊，預(yù)留雙巖柱施工，斷面分5部開挖，開挖步序如圖3所示，初期支護(hù)主要采用鋼纖維噴射混凝土+砂漿錨桿+預(yù)應(yīng)力錨索。

圖3 巨跨洞室開挖步序示意圖

2 提出問題

考慮到本工程洞室的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和功能需求，開挖后需施作貼壁式二次襯砌結(jié)構(gòu)。通過對(duì)現(xiàn)有的荷載-結(jié)構(gòu)和地層-結(jié)構(gòu)2種主要的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析，認(rèn)為現(xiàn)有的二次襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法不適用于本工程。

2.1 荷載-結(jié)構(gòu)法的局限性

對(duì)于本工程而言，現(xiàn)有荷載-結(jié)構(gòu)法的主要問題是荷載取值不合理。目前，荷載取值主要采用經(jīng)驗(yàn)公式、理論公式及塑性區(qū)計(jì)算。

經(jīng)驗(yàn)公式主要以公路和鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中提出的圍巖壓力計(jì)算方法為代表，其圍巖壓力值是基于對(duì)400余座隧道施工塌方產(chǎn)生的松散體荷載統(tǒng)計(jì)得出的回歸分析值。由于樣本中的隧道跨度與本工程的相差巨大，因此由經(jīng)驗(yàn)公式得出的圍巖壓力值不適用于本工程。

理論公式主要是基于壓力拱理論提出的普氏公式。普氏理論對(duì)本工程的適用性有一定局限，主要表現(xiàn)在2個(gè)方面： 1)普氏理論適合的巖體形態(tài)偏向松散體，而巨跨洞室大多建在巖體堅(jiān)硬且完整性較好的區(qū)域，其巖體性質(zhì)和松散體相差較大。2)普氏拱輪廓曲線未考慮水平地應(yīng)力和施工工法的影響，而本工程是以水平應(yīng)力為主應(yīng)力，其對(duì)洞室穩(wěn)定性影響大； 本工程采用多導(dǎo)洞法施工，工法是成洞的關(guān)鍵因素，其對(duì)壓力拱的形成也有一定影響。此外，鄭穎人等[10]研究表明，壓力拱理論只在矩形或拱頂平緩、圍巖穩(wěn)定且埋深不大的隧洞中才能成立。因此，拱形隧洞不會(huì)形成壓力拱；圍巖強(qiáng)度太低，隧洞跨度太大，不會(huì)形成自穩(wěn)的壓力拱；圍巖穩(wěn)定性好，隧洞不會(huì)破壞，也不會(huì)形成壓力拱。

部分學(xué)者認(rèn)為，可將塑性區(qū)內(nèi)巖塊重度作為圍巖壓力，采用初期支護(hù)和二次襯砌共同承載。此種方法主要存在2方面問題： 1)塑性區(qū)適合均勻連續(xù)或者少量結(jié)構(gòu)面巖體，而本工程跨度大，地質(zhì)條件變化復(fù)雜，斷層、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面多，不連續(xù)性強(qiáng)，破壞方式主要以塊體局部坍塌破壞為主，與塑性區(qū)引起洞室破壞的特點(diǎn)有很大不同； 2)在工程應(yīng)用中，塑性區(qū)的計(jì)算方法多采用數(shù)值模擬，得到的結(jié)果和實(shí)際工程不可避免會(huì)有差異，如本工程通過數(shù)值計(jì)算顯示拱頂塑性區(qū)深度約為8 m，拱部塑性區(qū)貫通(如圖4所示)，但實(shí)際工程開挖完成后拱部穩(wěn)定，變形較小，且通過巖體內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未發(fā)現(xiàn)因塑性區(qū)帶來(lái)的松動(dòng)變形。這種差異對(duì)于常規(guī)跨度洞室的二次襯砌設(shè)計(jì)影響不大，但對(duì)于巨跨洞室的二次襯砌內(nèi)力影響較大，將導(dǎo)致其結(jié)果相對(duì)保守，對(duì)成本控制不利。

圖4 巨跨洞室塑性區(qū)計(jì)算云圖

另外，根據(jù)現(xiàn)有的圍巖壓力計(jì)算方法，采用MIDAS/GTS NX軟件進(jìn)行二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算。二次襯砌采用鋼筋混凝土，由于本工程洞室跨度巨大，即使考慮二次襯砌僅分擔(dān)一定比例的圍巖壓力，得出的結(jié)構(gòu)內(nèi)力也較大，所需二次襯砌結(jié)構(gòu)厚度如表2所示，工程經(jīng)濟(jì)性和施工可操作性差。

表2 圍巖壓力及二次襯砌厚度計(jì)算表

2.2 地層-結(jié)構(gòu)法的局限性

目前，采用地層-結(jié)構(gòu)法進(jìn)行二次襯砌研究的較多，但具體工程應(yīng)用少，主要是因?yàn)槠淇刹僮餍圆粡?qiáng)，尤其是計(jì)算所需的巖體物理力學(xué)參數(shù)和實(shí)際存在差距，導(dǎo)致計(jì)算所需的參數(shù)無(wú)法很好地確定。對(duì)于本工程而言，除上述問題外，現(xiàn)有的地層-結(jié)構(gòu)法還存在以下2個(gè)方面的局限： 1)巖體的物理及力學(xué)性能在不同的應(yīng)力狀態(tài)下是變化的，對(duì)于常規(guī)洞室，開挖過程的巖體性質(zhì)變化影響不大，但對(duì)于巨跨洞室，由于其尺寸效應(yīng)，應(yīng)力場(chǎng)變化明顯，因此由圍壓帶來(lái)的巖體物理力學(xué)參數(shù)變化不可忽視，但現(xiàn)有方法無(wú)法模擬出這種變化； 2)現(xiàn)階段主要通過在軟件中施加剩余不平衡力和調(diào)整應(yīng)力釋放系數(shù)[11]來(lái)模擬二次襯砌所承擔(dān)的荷載值，但巨跨洞室的應(yīng)力釋放包括整體應(yīng)力釋放和結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力釋放。對(duì)于軟巖洞室，應(yīng)力釋放緩慢，二次襯砌是承擔(dān)一定荷載的；但對(duì)于硬巖洞室，應(yīng)力釋放較快，開挖后洞室很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，不平衡力及殘余應(yīng)力在二次襯砌施工時(shí)已處于極低的狀態(tài)。巨跨洞室開挖不平衡力如圖5所示。施加二次襯砌時(shí)的應(yīng)力釋放系數(shù)和不平衡力較難確定，另外，對(duì)于結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力釋放過程和系數(shù)尚沒有定量研究，因此本工程采用地層-結(jié)構(gòu)法進(jìn)行二次襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為困難。

圖5 巨跨洞室開挖不平衡力圖

由以上分析可知，巨跨洞室二次襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)基于其破壞特點(diǎn)和穩(wěn)定機(jī)制進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 巨跨洞室二次襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析與計(jì)算

3.1 巨跨洞室二次襯砌作用機(jī)制研究

巨跨洞室的選址一般在硬巖地區(qū)，因其跨度巨大，開挖完成后應(yīng)力變化也更明顯，易發(fā)生巖石強(qiáng)度破壞引起的整體性失穩(wěn)[12-13];且巨跨洞室由于跨度大，開挖范圍內(nèi)地層連續(xù)性差，巖體缺陷效應(yīng)放大，洞室上方巖體被裂隙、斷層等結(jié)構(gòu)面切割，容易發(fā)生不穩(wěn)定塊體掉落引起的局部失穩(wěn)。因此，對(duì)于巨跨洞室貼壁式二次襯砌結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)思路也應(yīng)從洞室整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定出發(fā)。

本工程二次襯砌結(jié)構(gòu)施工前，變形速率已明顯下降，拱頂沉降速率小于0.1 mm/d，各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)也變化較小，洞室基本保持穩(wěn)定。但本工程體量巨大，洞室開挖極有可能引起區(qū)域應(yīng)力調(diào)整，這個(gè)調(diào)整過程發(fā)展比較緩慢，肉眼甚至儀器也難以監(jiān)測(cè)，由此發(fā)展形成的洞室變形為剩余變形，此部分變形將會(huì)由二次襯砌結(jié)構(gòu)承擔(dān)。另外，巨跨洞室上方的斷層、裂隙等結(jié)構(gòu)面在長(zhǎng)時(shí)間的水力侵蝕作用下，填充物流失，黏結(jié)力變小，結(jié)構(gòu)面被弱化，由此引起塊體下滑力增加，且洞室錨固支護(hù)體系隨時(shí)間變化會(huì)發(fā)生衰減，當(dāng)下滑力超過支護(hù)力時(shí)，易發(fā)生掉塊風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)只能依靠二次襯砌結(jié)構(gòu)來(lái)提供支護(hù)力才能保證塊體的穩(wěn)定。因此，巨跨洞室二次襯砌結(jié)構(gòu)的主要作用是承擔(dān)洞室剩余變形及不穩(wěn)定塊體荷載，其設(shè)計(jì)方法可將洞室的剩余變形作為二次襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)制位移，不穩(wěn)定塊體荷載作為外部荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。二次襯砌結(jié)構(gòu)作用機(jī)制如圖6所示。

圖6 巨跨洞室二次襯砌結(jié)構(gòu)作用機(jī)制示意圖

3.2 巨跨洞室二次襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本節(jié)結(jié)合工程實(shí)際情況對(duì)二次襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行論述。

3.2.1 洞室剩余變形計(jì)算

洞室剩余變形為極限沉降與既有沉降的差值，見式(1)。

f=fmax-fn

。

(1)

式中：f為洞室的剩余變形；fmax為洞室沉降的極限值，可通過對(duì)沉降監(jiān)測(cè)曲線進(jìn)行擬合，并計(jì)算擬合公式的極大收斂值得到(擬合函數(shù)選用見下文)；fn為二次襯砌施工前洞室既有沉降值。

二次襯砌施作時(shí)洞室已處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，剩余變形值較小，基于工程簡(jiǎn)便化應(yīng)用目的，計(jì)算方法不考慮襯砌結(jié)構(gòu)與巖體協(xié)調(diào)變形對(duì)剩余變形值的影響，結(jié)果是偏于安全的。

本工程每隔10 m選取計(jì)算斷面K0，K10，K20，K30,…，分別計(jì)算各斷面的剩余變形值，并選取最大剩余變形值進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

因本工程跨度巨大，同一斷面不同區(qū)域的位移存在一定差異，為更精確得出洞室剩余變形，將斷面劃分為A、B、C、D、E 5個(gè)區(qū)域。本工程側(cè)墻矮且收斂值小，此次計(jì)算暫不考慮側(cè)墻區(qū)域的剩余變形。將各個(gè)區(qū)域內(nèi)代表性測(cè)點(diǎn)a、b、c、d、e的剩余變形作為此區(qū)域的剩余變形，如圖7所示。

圖7 剩余變形計(jì)算分區(qū)及測(cè)點(diǎn)布置示意圖

本節(jié)僅對(duì)K0斷面測(cè)點(diǎn)的剩余變形計(jì)算過程進(jìn)行論述，該斷面各測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及擬合曲線如圖8所示。

(a) a點(diǎn)

由變形曲線可以看出，從洞室開挖完成到二次襯砌施作前,變形基本經(jīng)歷了初步穩(wěn)定—變形發(fā)展—最終收斂3個(gè)階段。本工程將連續(xù)1個(gè)月沉降速率小于0.1 mm/d且累計(jì)沉降小于0.4 mm/周定義為最終收斂階段。此標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合本工程特性和硬巖地層二次襯砌施作時(shí)機(jī)的工程經(jīng)驗(yàn)擬定，類似工程可做參考。為了能夠獲取更符合實(shí)際的沉降極大收斂值，本工程在剩余變形計(jì)算時(shí)采用的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)范圍應(yīng)進(jìn)入最終收斂階段不小于1個(gè)月。對(duì)于洞室處于初步穩(wěn)定和變形發(fā)展階段時(shí)施作二次襯砌的受力計(jì)算，本文暫不做研究。此外，二次襯砌施作時(shí)機(jī)與其受力有較大關(guān)系，二次襯砌施作越早所承受的形變壓力就越大；施作晚，則對(duì)工期不利?？紤]巨跨洞室跨度大，受力顯著，為盡量減少二次襯砌承受的形變壓力，本文建議此類洞室宜在變形進(jìn)入最終收斂階段后進(jìn)行二次襯砌施作。

基于巨跨洞室開挖后的3階段變形特征，可選用相應(yīng)的擬合函數(shù)。為滿足工程應(yīng)用需求，擬合函數(shù)的決定系數(shù)(R2)應(yīng)大于0.9。本工程選用曲線形態(tài)和變形特征相似的Logistic曲線，得到的決定系數(shù)均大于0.95。從擬合公式可得K0斷面a—e測(cè)點(diǎn)的極大收斂值依次為12.8、7.1、10.4、7.8、12.0 mm,根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知洞室二次襯砌施工前的既有沉降依次為12.0、6.7、9.7、7.4、10.9 mm，因此根據(jù)式(1)，可得出K0斷面各測(cè)點(diǎn)的剩余變形值依次為0.8、0.4、0.7、0.4、1.1 mm。根據(jù)此方法依次得到各斷面測(cè)點(diǎn)的剩余變形值,如表3所示。

3.2.2 不穩(wěn)定塊體荷載計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)有的研究成果[14-15]，一般建議塊體安全系數(shù)應(yīng)大于1.5。鑒于本工程跨度大、安全要求高且可借鑒工程經(jīng)驗(yàn)較少，將塊體的安全系數(shù)定為大于2.0，二次襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮安全系數(shù)≤2.0的塊體。此外，塊體破壞是本工程主要且容易發(fā)生的破壞形式，設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，可適當(dāng)預(yù)留安全儲(chǔ)備，且考慮到工程簡(jiǎn)便應(yīng)用，不穩(wěn)定塊體荷載計(jì)算時(shí)采取以下假定：

1)結(jié)構(gòu)面在長(zhǎng)時(shí)間的水力作用下可能出現(xiàn)弱化，因此不考慮結(jié)構(gòu)面的黏結(jié)力;

2)錨桿與錨索在復(fù)雜地質(zhì)條件下耐久性不易得到保證，二次襯砌設(shè)計(jì)不考慮錨桿與錨索的錨固力；

3)不考慮塊體周邊巖體圍壓的作用力。

基于上述假定，二次襯砌結(jié)構(gòu)承擔(dān)的不穩(wěn)定塊體荷載即為塊體自身的重度。通過建立塊體和二次襯砌結(jié)構(gòu)的實(shí)際模型，計(jì)算得到接觸面豎向壓力，取接觸面單位面積的最大壓力值為p，計(jì)算過程本文不再論述。若不穩(wěn)定塊體與二次襯砌的接觸面基本處于水平，且塊體重心的水平投影與接觸面形心基本重合，可采用以下算法進(jìn)行壓力值的簡(jiǎn)化計(jì)算：

p=F1/S

。

(2)

式中： p為作用于二次襯砌上的不穩(wěn)定塊體單位面積最大壓力值； F1為塊體的重度； S為塊體與二次襯砌結(jié)構(gòu)的作用面積。

本工程洞室周邊巖體結(jié)構(gòu)面分布如圖9所示。采用離散元3dec軟件對(duì)安全系數(shù)≤2.0的塊體進(jìn)行搜索，得到由裂隙L7、L10、L11及洞室開挖面共同切割形成的楔形體，如圖10所示。該楔形體位于洞頂上方，與二次襯砌的接觸面基本水平，塊體高約10m，長(zhǎng)、寬各約8m，體積約102m3，塊體形狀較規(guī)則，其重心與接觸面形心基本重合。

圖9 巨跨洞室周邊巖體結(jié)構(gòu)面分布圖

圖10 巨跨洞室楔形體示意圖(單位： m)

巖體容重r=25 kN/m3，可得不穩(wěn)定塊體重度F1=r×V=2 550 kN，接觸面面積S=27.2 m2，由式(2)可得p=93.75 kN/m2。

3.2.3 洞室二次襯砌結(jié)構(gòu)受力分析計(jì)算

采用MIDAS/GTS NX軟件進(jìn)行二次襯砌結(jié)構(gòu)受力分析計(jì)算。二次襯砌結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M，二次襯砌結(jié)構(gòu)外側(cè)用彈簧單元模擬地層抗力，僅考慮彈簧受壓作用，支座為鉸支，采用強(qiáng)制位移和梁?jiǎn)卧奢d選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)洞室的剩余變形和不穩(wěn)定塊體壓力輸入，計(jì)算模型如圖11和圖12所示。具體輸入如下：

圖11 巨跨洞室二次襯砌強(qiáng)制位移輸入示意圖(單位： mm)

圖12 巨跨洞室不穩(wěn)定塊體壓力輸入示意圖

1)二次襯砌結(jié)構(gòu)A、B、C、D、E 5個(gè)區(qū)域的強(qiáng)制位移值分別為4.6、2.0、6.4、2.9、5.3 mm，考慮二次襯砌結(jié)構(gòu)變形的連續(xù)性，相鄰區(qū)域接口附近的強(qiáng)制位移采用線性過渡；

2)不穩(wěn)定塊體壓力值為93.75 kN/m，作用位置為楔形體與二次襯砌結(jié)構(gòu)最大接觸寬度區(qū)域。

通過靜力計(jì)算可得到二次襯砌結(jié)構(gòu)受力分布及大小，對(duì)二次襯砌結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，將裂縫寬度限制為0.3 mm，可得拱部及邊墻的二次襯砌設(shè)計(jì)厚度分別為0.8、1.4 m，計(jì)算過程本文不具體闡述。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

該巨跨工程二次襯砌結(jié)構(gòu)采用本文方法設(shè)計(jì)，目前已成功運(yùn)營(yíng)，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)良好。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)及計(jì)算分析的準(zhǔn)確性,提取初期支護(hù)與二次襯砌結(jié)構(gòu)接觸壓力監(jiān)測(cè)數(shù)值。洞周接觸壓力測(cè)點(diǎn)布置如圖13所示，本文選取K20斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖13 洞周接觸壓力測(cè)點(diǎn)布置示意圖

將K20斷面各測(cè)點(diǎn)的接觸壓力與由3.2節(jié)得到的剩余變形值對(duì)比，如圖14所示。

圖14 二次襯砌承受圍壓與剩余變形對(duì)比分析圖

由上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，現(xiàn)階段二次襯砌結(jié)構(gòu)所承受圍巖壓力較小，最大僅為8.6 kPa。另外，通過對(duì)接觸壓力與洞室剩余變形比照分析可看出兩者一致性高，反映剩余變形計(jì)算方法的合理性。

5 結(jié)論和討論

本文針對(duì)常規(guī)二次襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法在巨跨洞室工程中的不足，提出了二次襯砌結(jié)構(gòu)承擔(dān)洞室剩余變形和塊體不穩(wěn)定荷載的設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合具體工程論述了計(jì)算過程，得到如下結(jié)論。

1)巨跨二次襯砌結(jié)構(gòu)承擔(dān)洞室剩余變形和不穩(wěn)定塊體荷載這一力學(xué)模型，是基于巨跨洞室整體和局部穩(wěn)定機(jī)制，并針對(duì)洞室結(jié)構(gòu)面切割薄弱部位重點(diǎn)設(shè)計(jì)的，方法安全合理。

2)本文得出的拱部及邊墻二次襯砌厚度分別為0.8、1.4 m，相較于常規(guī)設(shè)計(jì)方法，厚度減少27%～53%。

3)洞室剩余變形為極限沉降與既有沉降的差值，采用此方法得出的結(jié)果與二次襯砌結(jié)構(gòu)和噴射混凝土的接觸壓力具有較高的一致性。本文剩余變形計(jì)算未考慮二次襯砌結(jié)構(gòu)局部與整體協(xié)調(diào)變形關(guān)系以及二次襯砌結(jié)構(gòu)與巖體的協(xié)調(diào)變形關(guān)系，下一步可對(duì)此做進(jìn)一步研究。

4)本文采用的不穩(wěn)定塊體荷載計(jì)算方法未考慮結(jié)構(gòu)面黏結(jié)力、錨固拉力及周邊巖體圍壓作用，導(dǎo)致結(jié)果相對(duì)保守，后續(xù)可對(duì)此進(jìn)一步研究和優(yōu)化。

巨跨洞室的建設(shè)在我國(guó)還存在經(jīng)驗(yàn)不足、安全風(fēng)險(xiǎn)大等問題，本文探討的二次襯砌設(shè)計(jì)方法還需要在今后的實(shí)踐中不斷的摸索、積累和總結(jié)。