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摘要：随着公路建设的发展，隧道包桥结构也经常用到。在开挖隧道的过程中，扩大面衬砌对在隧道稳定性控制中，发挥着极为重要的作用。所以，在设计隧道结构中，需要认真分析这种衬砌结构的力学特性。基于此，本文以某隧道工程为例，就隧包桥特殊结构，分析了断面衬砌扩大结构受力特性，仅供参考。
关键词：隧道开挖；衬砌；共同作用；受力特性
现阶段，中国平原地区的交通大多发展成熟，中国逐渐将发展交通的重点转向山区等区域。在山体地形等因素的影响下，便需要采用大量的桥隧相连结构，从而相应的施工技术提出的要求也越来越高。目前，随着高速公路快速深入发展至山岭重丘区，桥隧相连的现实问题便变成一个不可回避的重大问题，成了现代高速公路的一种景观特色。但当地形地质十分复杂、存在诸多线位控制因素、地形异常陡峭等的工程项目当中，还需要选用桥梁伸进隧道的隧包桥施工方案，以防洞口部位的大挖大开，而引发洞口具有较高的边、仰坡，最终降低桥台稳定等问题。这样便很有必要研究其中重要的衬砌结构受力情况。
一、某隧道工程地质
在隧道出口处，具有陡峭的地形和较好的围岩。在地形的局限下，通过隧道内伸入桥梁的方案，能在减小挖方量的同时，将边、仰坡高度同步降低，这对环保十分有利。在隧址区有间夹河谷川地，进口位于某江支沟洪积扇上，有大量的角砾、洪积碎石堆积在坡脚，上部零星出露基岩，原坡度为20°～30°，植被零星分布在坡面；出口基岩陡坎，原坡度为65°左右，地层岩性多为灰岩且单一。裂隙发育出现在灰岩节理，岩体破碎，围岩一般无法自稳。在开挖隧道时，容易导致掌子面、侧壁出现掉块，围岩属于Ⅴ级级别。为了结构的安全性，根据工程地质条件，创建有限元模型，来对支护结构受力计算进行模拟，并分析了围岩的一些变化特点，从而确定CRD施工法的可行性。在隧道出口，有6.3ｍ左右的埋深，洞内高11.1ｍ，最大跨度是15.1ｍ，隧道为浅埋大跨偏压类。
二、创建计算模型
基于圣·维南原理，在模型左、右、下侧各取52.0ｍ，并按实际边界来处理上侧边界。以位移边界条件为边界条件：约束两侧的水平、底部竖直位移，且地表属于自由面。为了确保计算的精度与效率，在划分有限元网格时，细密划分隧道和其四周围岩网格，稀疏划分边界网格，还将隧道内伸入的桥台荷载简化成填充C15混凝土片石。因为隧道埋深并不深，所以在模拟中未考虑应力场，只分析了自重应力场。在二维平面模型对隧道施工进行模拟时，为了防止开挖隧道后，形成的变形压力在支护结构上一次性加载，并为了开挖隧道的时空效应，则可以通过围岩释放荷载系数来达到，且取0.5、0.25、0.25，这是指开挖隧道后荷载释放50％，完成初支后荷载释放25％，完成二衬后荷载最终释放25％。
三、分析支护结构初期受力特性
1、分析完成施工后支护的初期受力
从初支内力图的分析，可知初支压应力最大是1.54MPa，且位于左拱肩处，拉应力最大是0.6MPa，且位于右拱脚；剪应力最大是0.15MPa，且位于右拱脚；弯矩最大是17.2kN·m，且位于右拱肩和右拱脚处。就整个初期支护，隧道靠山侧的拱脚与拱肩部最为不利，但具体值却并不大，支护初期结构经济可靠安全。
由最终初支变形位移图，可知在开挖隧道后的地形与围岩卸荷的影响下，右侧拱顶及其边墙均发生较大的变形，且收敛向隧道内侧，而隧道左侧却具有较小的边墙收敛；同样，在开挖后回弹的作用下，拱底隆起，故在施工过程当中，要重点监控量测初支结构拱顶底。
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2、分析最终临时支撑的受力
由最终临时支撑的内力图，可知临时支撑在受压，且压应力最大是25.5MPa，位于底部中隔墙处，相较于中隔墙压应力，临时两道仰拱具有较小的轴向压应力。通过临时仰拱受力，还显示隧道竖向沉降比水平收敛大。在支护初期相交的地方和中隔墙顶端，有剪应力及弯矩。因为初期支护会与中隔墙作用，所以会引发应力集中，且剪应力和弯矩的最大值分别是14.2MP和21.4kN·m。
3、分析二次衬砌受力
因为二次衬砌是V级围岩隧道的承载结构，所以需要通过地层结构模型，来，分析计算二次衬砌的受力及其变形。由二次衬砌内力图，可知二衬仰拱在开挖卸荷后会隆起回弹，并有拉应力出现，且拉应力最大是84.0kPa，但在边墙两侧，在上方荷载作用下，最大压应力（149.7kPa）出现；同样，剪应力与弯矩在内侧靠山拱脚处发生应力集中，且剪应力和弯矩的最大值是23.1kPa和10.5kN·m左右，分析内力最终数值可知，二次衬砌具有较小的受力，且结构安全性高。
4、分析开挖隧道后围岩应力
由开挖完隧道后的第一、第三主应力变化等值线图中的第一主应力等值线图，可知从隧道左边拱顶和右边拱肩开始，拉应力一直发展至边墙左侧。隧道只有拱肩围岩左侧受压，其他部位都受拉，虽然数值仅有0.018MPa，但随变形发展后，拉应力趋向贯通形态。所以施工中应关注以上位置高，并尽可能通过短进尺和弱爆破等，来保护围岩，以防围岩最后失稳而引发滑移。
而第三主应力等值线图显示，在开挖完隧道支护后，在隧道埋深影响下，围岩没有对称分布第三主应力，且在右侧隧道拱脚，有应力集中。尽管埋深并不深，但其压应力最大值却高达0.89MPa。这种偏压促使隧道两侧的压应力区显著不对称，所以在设计衬砌结构时，应综合考虑支护结构可以抵抗偏压而导致的变形不均匀问题。
5、分析塑性区
由围岩塑性区图，可知因为隧道偏压而导致拱脚右侧的地方有应力集中现象，且拱脚处衬砌并不足够顺畅和圆滑，因此，在右侧隧道拱脚周围，有围岩塑性区出现，且这种塑性区范围最大是3.1m左右。鉴于此，在设计时，建议综合考虑在拱脚处，增加3.5m长的锁脚锚杆，以便改善围岩的整体力学性能，或把右拱脚设计成为大拱脚，以便将结构拥有的承载能力增强，同时在CRD施工过程中，还应尤其关注拱脚右侧位置。
四、结语
综上所述，通过对隧包桥衬砌结构扩大断面受力特性的分析，有助于结构安全风险的有效地降低和开挖跨度及其面积的减小，其安全性和经济性的优势都十分明显。文中分析表明：就浅埋偏压大跨隧道来说，CRD施工法可行。通过模型分析优化设计和这种施工方法，能在有效控制因开挖隧道而给四周环境带来影响的同时，让支护结构保持合理的受力和较小的变形。
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论文作者:黄文华
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第21期
论文发表时间:2019/5/10
标签：隧道论文; 应力论文; 围岩论文; 结构论文; 受力论文; 偏压论文; 弯矩论文; 《建筑细部》2018年第21期论文;