马小虎
中国市政工程西北设计研究院有限公司 甘肃兰州 730000
摘要：随着城市规模的不断加深，市政快速路大断面隧道也在逐渐增多，如何选择合理的设计参数成为控制大断面隧道安全施工的重要指标。本文以铜仁市松桃至玉屏快速路项目中的地甲司隧道为例，利用荷载-结构法验算隧道结构设计参数，以地层-结构法模拟隧道开挖过程，综合阐释城市快速路大断面隧道的设计。研究结果表明：随着隧道开挖范围加大，洞周位移逐渐增加，拆除临时支撑后应及时施作二次衬砌，使支护能够得以封闭成环，有效控制围岩进一步变形；距拱顶位置的水平距离越远，地面沉降值越小，当超过三倍隧道净宽时，地面沉降已趋近于0；对于大断面隧道而言，有必要利用数值模拟方法模拟开挖施工过程，预测围岩变形，结合模拟结果改善隧道施工工法。
关键词：隧道；结构设计；施工工法；围岩变形
现代城市不仅要求能满足城市本身的发展，还需辐射周边郊区及其他县市，城市经济带及城市圈建设已成为评价一个现代城市发展的重要指标之一。对于大多数不具备修建轨道交通的城市而言，市政快速路则是连接城市及周边区域的最主要方式。我国幅员辽阔，山地城镇约占全国总数的一半[1]，随着日益加大的交通行车量，大断面隧道已成为建设市域路网中不可或缺的一部分。鉴于此，本文以铜仁市松桃至玉屏城际快速道路中地甲司隧道为例，采用Midas GTS NX岩土工程专用有限元分析软件，分别根据荷载-结构法及地层-结构法，验证围岩变形和各阶段支护受力，综合阐述城市快速路大断面隧道的设计。
1、工程背景
地甲司隧道位于整条城市快速路项目的起点端，松桃县活宝村至长坪郷地甲村之间，是本项目的控制性工程，隧道左右线平均长度为1730m，属长隧道。鉴于未来交通量考虑，隧道设计为单洞单向三车道隧道，净宽14m，净高5m，隧道开挖最大断面为158m2，隧道存在显著的低扁平率特征。研究和实践表明，这类城市因跨度较大，结构将承受较大的围岩压力，受力条件复杂[2]，有必要针对该隧道主要设计指标进行验算及施工工法验证分析。
2、地质概况
地甲司隧道工程区场地属剥蚀低山地貌，隧道轴线大致呈北东南西走向，穿越东南向的低山，地形起伏较大，进口处地面高程660~680m，出口处地面高程707~730m，隧道轴线最高点高程982m，相对高差约280~320m。地表植被较发育，覆盖层较薄。进口侧山坡自然坡度约20~30°，出口侧山坡自然坡度约20~35°。
隧址区上覆坡积粘性土；下伏寒武系耙榔组(∈1p) 页岩和清虚洞组(∈1q)灰岩及其风化层。隧址区主要岩土层从上到下依次可分为：碎石土（Q4al+pl）、坡积碎石土（Qdl）、中风化灰岩、微风化灰岩、强风化页岩、中风化页岩、微风化页岩。
3、结构设计
隧道设计R1=8.0m、R2＝5.5m的三心圆断面，内轮廓净空宽度14.820m、净空高度7.987m，支护形式选择为复合式衬砌形式。根据隧道全线纵断面围岩分布情况，并对各段荷载进行计算，可知V级围岩洞口浅埋段为该隧道因其所受荷载最大，为最不利截面，因此本文计算以V级围岩浅埋洞口段为算例，典型断面如图1所示。
V级围岩浅埋段支护参数设计为，初期支护：4m长A25中空注浆锚杆@100×50cm（环×纵），Ⅰ22b工字钢，28cm厚C25混凝土。临时支护：采用I18号工字钢架，20cm厚C25混凝土。二次衬砌设计为60cm厚C30防水钢筋混凝土（对称配筋，单侧配筋为C25@200mm）。
图1、V级围岩浅埋段典型断面
3.1荷载-结构法计算
根据《公路隧道设计规范》[3]、《公路隧道设计细则》[4]规定算法， V级围岩深浅埋分界深度Hp为38.4m，其所受荷载为，竖向最大均布荷载：q=486.4kN，拱顶侧向压力：e1=195.5 kN，仰拱底侧向压力：：e1=195.5 kN。根据《规范》[3]及《细则》[4]，V级围岩段，二次衬砌承担荷载比为60%~80%，鉴于本设计中，初期支护参数已相对较强，故二次衬砌承担荷载比建议采取为70%。
计算所得的二次衬砌轴力、弯矩图如下图2所示。经验算，二次衬砌最小安全系数为2.4，满足相关规定。
（a）二次衬砌轴力图 （b）二次衬砌弯矩图
图2、二次衬砌内力图
3.2地层-结构法计算
地下工程的理论研究中存在荷载-结构模式和共同作用模式（地层-结构法）。前者是长期以来工程界的主导方法，但它将围岩和支护结构截然割裂开来，无法真正描述施工中的围岩力学效应，包括隧道周边收敛和地表及地中位移[5]。鉴于荷载-结构法只能验算二次衬砌受力状况，而对于大断面隧道分部开挖过程中的围岩变形没有明确反应，对于施工工法也没有指导和参考意义。因此有必要利用有限元对隧道分部开挖过程进行模拟。
3.2.1模型建立
围岩本构模型采用M-C准则，整个模型宽度取为120m，高度取为75m。选取计算断面的地层分布情况从上到下依次为碎石土层、强风化炭质页岩层、中风化炭质页岩层。采用平面应变单元模拟土体，锚杆用植入式桁架单元进行模拟，初支钢架与初喷混凝土均采用梁单元模拟，二次衬砌采用梁单元模拟，模型网格划分方式采用德布劳内网格划分方法，模型建立如图3所示。
图3、开挖模拟模型图
3.2.2材料参数
根据实际地勘报告，各层围岩物理力学参数如下表1所示。支护结构的物理力学参数如下表2所示，其中锚杆弹性模量按文献[5]所述，取为钢材弹模的80%。
表1 土的物理力学参数
3.2.3开挖步骤
V级围岩浅埋段开挖工法设计为CRD法（十字中隔墙法），开挖步骤为：
（1）左侧洞上半断面开挖，施作左侧洞初期支护及临时支护
（2）右侧洞上半断面开挖，施作右侧洞初期支护和临时支护
（3）左侧洞下半断面开挖，施作左侧洞仰拱初期支护和临时支护
（4）右侧洞下半断面开挖，施作右侧洞仰拱初期支护
（5）浇筑仰拱二次衬砌，分段拆除临时支撑，浇筑仰拱回填混凝土及拱墙二次衬砌
3.2.4计算及结果分析
计算依据《细则》[4]中对复合式衬砌各级支护所承担比的相关规定进行开挖支护过程模拟，模拟开挖过程参照3.2.3节所述。支护完成后的水平向及竖向位移云图如图4。由图4可知，隧道施工完毕后，水平向位移收敛值为12.1mm，拱顶下沉28.3mm，仰拱底部隆起15.5mm，水平向相对收敛值为0.09%，满足《规范》规定的V级围岩埋深小于50m时的水平向允许收敛值。考虑到隧道上覆超过35m的碎石土层，其拱顶下沉值不大，表明超前支护预注浆加固地层及锚杆打设效果明显。
（a）水平向位移图 （b）竖向位移图
图6 监测点随开挖支护推进时的竖向位移值
由图6可知，随着开挖范围加大，竖向位移也在逐渐加大，当拆除临时支撑，围岩应力完全得以释放后，竖向位移明显加大。因此在施工过程中，拆除临时支撑后应及时施作二衬，使得支护可以封闭成环，有效控制围岩变形。
4结论
1）由本文分析可知，设计方案对于本隧道是安全可行的。经荷载-结构法验算，二次衬砌厚度及配筋方案满足相关规范规定，且通过施工开挖模拟，隧道超前支护、初期支护参数及CRD工法对于控制围岩变形，经验算分析，隧道拱顶下沉及水平收敛均满足要求。
2）随着隧道开挖范围加大，洞周位移逐渐增加，同时，在施工中应注意，拆除临时支撑后应及时施作二次衬砌，使支护能够得以封闭成环，有效控制围岩进一步变形。
3）距拱顶位置的水平距离越远，地面沉降值越小，当超过三倍隧道净宽时，地面沉降已趋近于0mm。
4）对于大断面隧道而言，有必要利用数值模拟方法模拟开挖施工过程，预测围岩变形，结合模拟结果改善隧道施工工法。
参考文献:
[1]李和平. 山地城市规划的哲学思辩[J]. 城市规划, 1998(3):52-53.
[2]袁勇, 王胜辉. 超大断面低扁平率公路隧洞先成预应力结构新型支护体系数值模拟[J]. 岩土力学, 2008, 29(1):240-244.
[3]重庆交通科研设计院.公路隧道设计规范:JTG D70-2004[S].北京:人民交通出版社，2004.
[4]中交第二公路勘察设计研究院有限公司. 公路隧道设计细则:JTG/T D70-2010[S]. 人民交通出版社, 2010.
何川, 林刚, 汪会帮.
论文作者:马小虎
论文发表刊物:《防护工程》2018年第18期
论文发表时间:2018/11/7
标签：隧道论文; 围岩论文; 断面论文; 荷载论文; 位移论文; 结构论文; 拱顶论文; 《防护工程》2018年第18期论文;