隧道襯砌結(jié)構(gòu)形式對應(yīng)力與位移穩(wěn)定性的影響研究

余泳寧

(廣西桂商實(shí)業(yè)投資有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

隧道作為交通工程中的關(guān)鍵樞紐設(shè)施[1-2]，其開挖施工時的安全穩(wěn)定性在結(jié)構(gòu)設(shè)計時須重點(diǎn)關(guān)注與研討。襯砌結(jié)構(gòu)與隧道開挖施工密不可分，采用合理有效的襯砌形式有助于確保隧道安全施工[3-4]，因而，探討不同襯砌結(jié)構(gòu)形式下的安全穩(wěn)定性具有重要意義。鐘汶均、張?jiān)骑w等[5-6]根據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)的適用性，研究了不同襯砌結(jié)構(gòu)材料與隧道施工的安全性關(guān)系，探討了襯砌結(jié)構(gòu)劣化與失效問題。也有一些學(xué)者采用仿真模擬手段研究了靜、動力作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特征[7-8]，為隧道工程的襯砌方案設(shè)計提供了依據(jù)。由于襯砌方案的施工與隧道開挖密不可分，因而蘭升元、鄭濱斌等[9-10]探討了襯砌結(jié)構(gòu)施工工藝，優(yōu)化了襯砌施工與隧道開挖的工序，提出了精細(xì)化與信息化施工技術(shù)方案。本文基于岳圩口岸聯(lián)線公路漢邦隧道襯砌方案設(shè)計問題，針對性提出了四種不同襯砌結(jié)構(gòu)形式，探討了各襯砌方案下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移差異特征，為評價最優(yōu)襯砌設(shè)計方案提供了參考。

1 工程設(shè)計概況

1.1 工程概況

岳圩口岸聯(lián)線公路是廣西高速公路網(wǎng)中的重要一環(huán)，全路線雖僅長8.4 km，但需穿越多座隧道，設(shè)計行車速度為100 km/h，路面寬為26 m，橋隧比接近18%，是完善百色岳圩口岸的重要交通舉措。該聯(lián)線公路采用雙線四車道設(shè)計，全線共有4個隧道，且個別隧道需要穿越巖溶區(qū)，地形起伏及不良地質(zhì)特征對聯(lián)線公路隧道施工帶來較大挑戰(zhàn)。全路線中相對高差最大為600 m，地形坡度為25°～45°。公路兩側(cè)坡道上采用植物生態(tài)護(hù)坡與漿砌石擋墻防滲加固措施，穿越巖溶隧道區(qū)段長度占全路線長度的1/4。為確保地下水及降雨條件對襯砌結(jié)構(gòu)的影響最弱，需要分析隧道開挖斷面最佳襯砌設(shè)計形式，因而，工程設(shè)計部門重點(diǎn)考慮隧道襯砌設(shè)計應(yīng)力與位移穩(wěn)定性。全線公路隧道開挖土層以松散性壤土為主，覆蓋有第四系雜填土等，層次性較顯著，顆粒粒徑為0.075～1.6 mm?，F(xiàn)場鉆孔表明基巖層為半風(fēng)化灰?guī)r，承壓強(qiáng)度較高，但局部受水力侵蝕影響，具有薄弱層，夾雜有破碎帶，發(fā)育有溶隙。地下水位為22.4 m，區(qū)間內(nèi)水系主要分布在隧道基巖薄弱層中，降水導(dǎo)致水土流失較嚴(yán)重，土體固化程度較低。根據(jù)對聯(lián)線公路全線隧道斷面分析，考慮以K2+220～K3+425區(qū)段內(nèi)漢邦隧道為分析對象。該隧道采用臺階法開挖，采用預(yù)應(yīng)力錨桿作為超前支護(hù)結(jié)構(gòu)，桿間距為1 m，開挖斷面采用剛?cè)嵝苑浪Y(jié)合形式，斷面襯砌結(jié)構(gòu)形式為重點(diǎn)探討對象。

1.2 襯砌結(jié)構(gòu)形式

為探討不同襯砌結(jié)構(gòu)形式對漢邦隧道的安全施工影響，本文基于工程排水現(xiàn)狀與設(shè)計要求，設(shè)計四種襯砌結(jié)構(gòu)形式[11-12]，如下頁圖1所示。A類襯砌結(jié)構(gòu)面蓋、底板均為整體同時澆筑，擋墻與背后土體為剛性連接；B類為高拱式襯砌結(jié)構(gòu)，蓋板較薄，僅為A類蓋板厚度的2/3，底板為后澆帶式結(jié)構(gòu)，擋墻與底板具有同受力同變形特征；C類拱高度是4種襯砌結(jié)構(gòu)中最大的，其最大拱高度可根據(jù)隧道頂高程增大110%～150%，兩側(cè)排水渠與開挖斷面柔性連接，底板與排水渠為柔性連接，具有防滲作用；D類襯砌結(jié)構(gòu)為箱型開挖斷面，排水設(shè)施也是采用箱型集排水，底板與拱座為柔性連接，蓋板厚度與A類襯砌結(jié)構(gòu)基本一致。

(a)A類 (b)B類

(c)C類 (d)D類

按照漢邦隧道開挖施工圖，采用ANSYS仿真平臺建立隧道圍巖模型[13]，其高度按照結(jié)構(gòu)荷載破碎規(guī)則進(jìn)行校正，圍巖體采用受壓徑向微單元模擬，依據(jù)工程實(shí)際設(shè)定圍巖為Ⅴ級，計算影響深度設(shè)定為襯砌底板下15 m。所建立的隧道圍巖整體結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 隧道圍巖整體結(jié)構(gòu)模型圖

針對四種不同開挖襯砌結(jié)構(gòu)形式，分別以圍巖隧道洞身4 m高度為研究對象，設(shè)定襯砌結(jié)構(gòu)底部為彈性受力變形特征，依次建立四種襯砌結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。所有襯砌結(jié)構(gòu)斷面中均以C35混凝土材料參數(shù)進(jìn)行計算，圍巖體物理力學(xué)參數(shù)以室內(nèi)實(shí)測值設(shè)定，模型中底部為零自由度約束條件，設(shè)定模型中的X、Y、Z正向分別為隧道底板右肩、開挖掘進(jìn)方向及結(jié)構(gòu)豎直向上?；谏鲜霾煌r砌結(jié)構(gòu)模型應(yīng)力、位移計算，分析漢邦隧道四種襯砌結(jié)構(gòu)形式下的應(yīng)力、位移特征差異，確定最優(yōu)襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計。

(a)A類 (b)B類

(c)C類 (d)D類

2 襯砌結(jié)構(gòu)形式與受力特征

2.1 第一主應(yīng)力特征

根據(jù)對四種不同襯砌結(jié)構(gòu)形式的模型開展應(yīng)力計算，獲得各襯砌結(jié)構(gòu)模型第一主應(yīng)力分布特征，如圖4所示。從圖4可看出，采用不同襯砌結(jié)構(gòu)形式，隧道斷面上的最大拉應(yīng)力分布及量值均有顯著差異。A、D類襯砌結(jié)構(gòu)由于蓋板厚度基本一致，其襯砌結(jié)構(gòu)上最大拉應(yīng)力基本接近，分別為7.86 MPa和7.79 MPa，也是四種襯砌結(jié)構(gòu)中拉應(yīng)力量值最低的，其最大拉應(yīng)力均位于蓋板結(jié)構(gòu)上，不同的是A類襯砌結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力位于蓋板的外側(cè)，而D類襯砌結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力位于蓋板內(nèi)側(cè)部位，原因或與拱座、蓋板間的剛、柔性連接特點(diǎn)有關(guān)。B、C類襯砌結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力分別為9.53 MPa和8.4 MPa，均出現(xiàn)在拱腳區(qū)域，這兩種襯砌結(jié)構(gòu)拱高度較大，斷面上襯砌結(jié)構(gòu)的封閉性較差，受力延展性較弱，特別是拱腳處的柔性連接方式導(dǎo)致該部位出現(xiàn)張拉應(yīng)力集中，不利于整體襯砌結(jié)構(gòu)抗拉效應(yīng)。四種襯砌結(jié)構(gòu)中蓋板部位處的拉應(yīng)力最大，以C類最顯著，可達(dá)2.28～3.31 MPa，而A、D類蓋板部位拉應(yīng)力分布區(qū)間較前者分別減少了9.4%～18.4%、39.6%～62.7%，底板結(jié)構(gòu)處的拉應(yīng)力以B類為最高。綜合四種襯砌結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力特征，認(rèn)為B、C類襯砌結(jié)構(gòu)易在拱腳處引起局部張拉裂隙，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，而A、D類襯砌結(jié)構(gòu)雖張拉應(yīng)力水平亦較大，但整體承拉、抗拉效果顯著，結(jié)構(gòu)協(xié)同效應(yīng)明顯。

(a)A類 (b)B類

(c)C類 (d)D類

2.2 第三主應(yīng)力特征

為分析不同襯砌結(jié)構(gòu)第三主應(yīng)力特征，本文模擬計算獲得施工周期內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)拱頂特征部位處最大壓應(yīng)力變化特征，如圖5所示。根據(jù)圖5可知，C類襯砌結(jié)構(gòu)的拱頂部位壓應(yīng)力水平最高，在施工周期內(nèi)的分布為6.3～12 MPa，施工周期每遞進(jìn)2 d，該襯砌結(jié)構(gòu)拱頂最大壓應(yīng)力平均增長8.6%。相比C類襯砌形式，B類襯砌結(jié)構(gòu)拱頂壓應(yīng)力在施工第12 d達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，最大壓應(yīng)力達(dá)8.61 MPa，而在施工12 d前，壓應(yīng)力隨施工進(jìn)度穩(wěn)定遞增，平均每2 d可增長7.8%，極易導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)拱頂處出現(xiàn)不穩(wěn)定狀況，威脅襯砌結(jié)構(gòu)拱腳與底板的安全。A、D類襯砌結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力水平較低，在施工周期內(nèi)相比C類襯砌結(jié)構(gòu)分別為差幅53.6%～73.1%、50.3%～71.4%，這兩種襯砌結(jié)構(gòu)均僅在施工初期具有一定的壓應(yīng)力增長，施工后期壓應(yīng)力分別穩(wěn)定在3.22 MPa和3.44 MPa，對拱頂、拱腳應(yīng)力保護(hù)具有顯著效果[14]。分析認(rèn)為，四種襯砌結(jié)構(gòu)拱頂處最大壓應(yīng)力雖均未超過結(jié)構(gòu)材料安全允許值，但B、C類襯砌形式下拱頂壓應(yīng)力變化不利于拱腳與底板結(jié)構(gòu)安全性，需格外加固拱腳等部位，抗壓“性價比”較低。

圖5 拱頂處最大壓應(yīng)力變化特征曲線圖

2.3 剪應(yīng)力特征

襯砌形式差異性不僅體現(xiàn)在拉、壓應(yīng)力特征上，對結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力特征亦具有影響，本文根據(jù)襯砌應(yīng)力計算，獲得XZ平面內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力分布特征，如圖6所示。從圖6可知，四種襯砌形式整體上剪應(yīng)力分布具有一致性，拱頂內(nèi)側(cè)的負(fù)剪應(yīng)力分布區(qū)域均為一致，量值上也基本接近在6.5～6.7 MPa。另一方面，四種襯砌結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力均分布在拱頂蓋板邊緣區(qū)域，B、C類襯砌形式最大剪應(yīng)力分別為6.67 MPa和6.74 MPa，而A、D類襯砌結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力較C類分別減少了2.9%和3.6%，即以A、D類高厚度蓋板下結(jié)構(gòu)的抗剪效果最優(yōu)，從高厚度蓋板與強(qiáng)連接底板的結(jié)構(gòu)措施下控制剪應(yīng)力分布。綜合四種襯砌結(jié)構(gòu)的拉、壓及剪應(yīng)力分布對比，可知A、D類高厚度蓋板與強(qiáng)連接形式對隧道應(yīng)力分布重構(gòu)具有重要作用，整體上具備承壓、抗拉與抗剪效應(yīng)，有助于施工周期內(nèi)隧道開挖的安全穩(wěn)定性。

3 襯砌結(jié)構(gòu)形式與位移特征

3.1 底部位移特征

位移特征乃是反映襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要參數(shù)，本文以襯砌底部結(jié)構(gòu)位移特征為分析對象，獲得四種不同襯砌結(jié)構(gòu)的底部結(jié)構(gòu)豎向位移隨施工周期變化特征(見下頁圖7)。從圖7可知，四種襯砌結(jié)構(gòu)形式下底部豎向位移隨施工周期均為遞增態(tài)勢，施工初期，A～D類襯砌結(jié)構(gòu)底部豎向位移分別為2.63 mm、3.5 mm、3.62 mm和2.52 mm，而隨施工周期每增長2 d，相應(yīng)的豎向位移分別平均增長2.5%、3.2%、3.7%和1.7%，即四種襯砌形式中以B、C類襯砌底部豎向位移增長最快，受施工周期影響敏感最大。同樣，在施工周期內(nèi)B、C類襯砌底部結(jié)構(gòu)豎向位移最高，A、D類襯砌底部結(jié)構(gòu)位移較C類分別降低了25.7%～31.6%、30.4%～38.8%。由此可知，B、C類襯砌形式對底部結(jié)構(gòu)位移發(fā)展控制較弱，而A、D類襯砌形式中由于受拱腳與底板連接性、設(shè)計厚度值影響，可減弱襯砌結(jié)構(gòu)外荷載引起的位移，增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

如下頁圖8所示為四種襯砌形式下底部結(jié)構(gòu)水平位移分布特征。從圖8可知，底部結(jié)構(gòu)水平位移特征最大值均出現(xiàn)在右側(cè)拱腳區(qū)域，但B、C類襯砌結(jié)構(gòu)的水平位移量值較大，其底部結(jié)構(gòu)最大水平位移分別為0.485 mm和3.943 mm，而A、D類襯砌結(jié)構(gòu)最大水平位移分別為0.294 mm和0.657 mm。相比之下，A類襯砌底部結(jié)構(gòu)水平位移控制最為理想，此依賴于該襯砌結(jié)構(gòu)密閉式空間較小，整體協(xié)調(diào)性較佳，有助于減弱應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的損害，故而位移值較低；而B、C類設(shè)計不合理，特別是C類位移量值過大，在開挖階段易造成襯砌結(jié)構(gòu)失效。

3.2 圍巖位移特征

從襯砌結(jié)構(gòu)基底圍巖位移分布可評價襯砌形式的合理性，如下頁圖9所示為計算獲得的各襯砌結(jié)構(gòu)形式隧道基底圍巖位移分布特征。從圖中可看出，四種襯砌結(jié)構(gòu)形式下基底圍巖位移分布均具有對稱特性，位移量值最大在兩側(cè)拱腳基底圍巖處，最大位移為C類襯砌結(jié)構(gòu)，達(dá)8.497 mm，而A、D類襯砌結(jié)構(gòu)最大位移相比前者分別減少了21.5%和21.9%，分析圍巖位移特征可知A、D類襯砌結(jié)構(gòu)具有顯著優(yōu)勢。從圍巖位移分布差異性可看出，位移由基底中部向兩側(cè)拱腳逐步遞增，D類襯砌結(jié)構(gòu)在中部的位移控制性弱于A類，其位移分布為4.276～4.612 mm，而A類襯砌結(jié)構(gòu)由于底板剛性連接拱腳，有助于削弱圍巖位移的擴(kuò)展特點(diǎn)，對圍巖擾動后的位移穩(wěn)定重構(gòu)具有促進(jìn)作用[15]。綜合四種襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移特征，可以認(rèn)為A類高厚度蓋板與剛性連接方式底板設(shè)計的襯砌結(jié)構(gòu)更利于隧道開挖施工穩(wěn)定性，為最佳襯砌方案。

(a)A類 (b)B類

(c)C類 (d)D類

圖7 豎向位移隨施工周期變化特征曲線圖

(a)A類

(c)C類

(d)D類

4 結(jié)語

本文主要獲得以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)A、D類襯砌結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力接近，分別為7.86 MPa和7.79 MPa，B、C類的襯砌結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力最大；C類襯砌結(jié)構(gòu)蓋板部位的拉應(yīng)力最高，底板結(jié)構(gòu)處的拉應(yīng)力以B類為最大，A、D類襯砌結(jié)構(gòu)整體抗拉效果顯著。

(2)C類襯砌拱頂?shù)膲簯?yīng)力最高，施工周期每遞進(jìn)2 d，其壓應(yīng)力平均增長8.6%；A、D類襯砌結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力相比C類分別具有差幅為53.6%～73.1%、50.3%～71.4%；不同襯砌形式下的剪應(yīng)力分布具有一致性，但最大剪應(yīng)力以B、C類最大，A、D類的最大剪應(yīng)力較C類分別減少了2.9%、3.6%；受高厚蓋板與底板連接方式影響，B、C類的抗拉、承壓與抗剪效果弱于A、D類。

(3)不同襯砌結(jié)構(gòu)的底部豎向位移隨施工周期均為遞增，以B、C類結(jié)構(gòu)增長最快，受施工周期影響最為敏感，A、D類襯砌底部豎向位移較C類分別降低了25.7%～31.6%、30.4%～38.8%；各襯砌方案中底部水平最大位移均位于右側(cè)拱腳，B、C類最大水平位移分別為0.485 mm、3.943 mm，A、D類襯砌整體協(xié)調(diào)性較佳，位移較低。

(4)基底圍巖位移分布具有對稱特性，位移量值最大的為C類襯砌結(jié)構(gòu)，A、D類襯砌圍巖最大位移相比前者分別減少了21.5%和21.9%；圍巖中部位移控制中D類襯砌結(jié)構(gòu)弱于A類。綜合考慮認(rèn)為，A類高厚度蓋板與剛性連接底板設(shè)計襯砌方案最優(yōu)。

(a)A類 (b)B類

(c)C類 (d)D類