張川軍

（中國鐵建大橋工程局第五工程有限公司，四川成都610500）

1 工程概況

鎮(zhèn)原隧道位于慶陽市鎮(zhèn)原縣東南側段家山及南川一帶，隧道穿行黃土塬，進口布設于茹河右岸段家山村黃土山梁，進洞口位于盤連溝內，交通不便；出口位于南川鄉(xiāng)下溝左側山梁，緊鄰鄉(xiāng)道，交通便利。本隧道右線長度為4119m，左線長度為4135m，隧道為左右分離式雙洞特長隧道，設計時速80km/h，分離最小間距為12.75m，汽車荷載等級采用公路-I級。隧道進洞口為端墻式洞門，未設置明洞；隧道出口采用削竹式洞門，設置明洞左幅15m，右幅24m。隧道為黃土性質的土質隧道，最大埋深238m，圍巖級別為Ⅳ、Ⅴ級圍巖占70%。隧道進口處土體主體為離石黃土，含水量大，表層較為疏松，埋深淺，自穩(wěn)性差，開挖極易坍塌。出口處均為中更新統(tǒng)下部較密實黃土，土體較為干燥，埋深淺，其自穩(wěn)性差，開挖極易坍塌。

2 隧道支護結構內力計算

隧道支護結構的受力完全取決于其與圍巖的關系，新奧法提出了充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，讓圍巖承擔圍巖壓力。而目前圍巖壓力的計算仍采用經(jīng)驗公式法，這也是我國《公路隧道設計規(guī)范》(JTG D70-2004)[1]所推薦的方法。在對隧道支護結構受力特征分析的過程中，首先，應據(jù)實判別出隧道實際埋深與理論埋深的相互關系，針對隧道設計斷面做出的深淺埋的合理判斷；然后，根據(jù)經(jīng)驗公式完成隧道圍巖壓力的合理計算；最終，計算出隧道襯砌結構典型斷面處每一截面的強度安全系數(shù)，依此判斷隧道結構的安全性。眾所周知，隧道洞口段多為淺埋段，其支護結構的可靠性便備受關注了，它將直接影響整個隧道工程的施工安全。

2.1 隧道深淺埋判別

按照荷載等效高度值，并結合地質條件、施工方法等因素綜合判定。深淺埋分界值具體計算公式為下式(1)。

式中：Hp——深淺埋隧道分界深度；

hq——荷載等效高度，hq=q/γ=0.45×2s-1× ω；

q——深埋隧道豎向均布壓力，kN/m2；

γ——圍巖容重。

ω——寬度影響系數(shù)，即：ω=1+i( )B-5；

i——洞室寬度B每增減1m時的圍巖壓力增減率：當B＜5m時，取i＝0.2，當B＞5m時取i＝0.1。

在礦山法施工的條件下，Ⅰ-Ⅲ級圍巖取2，Ⅳ-Ⅵ級圍巖取2.5。當隧道實際埋深(H)大于或等于Hp時為深埋，小于Hp時為淺埋。

2.2 隧道淺埋段圍巖松動壓力計算

由于山體地形特點，隧道洞口段大部分屬于淺埋或超淺埋，實踐表明，當隧道埋深不大時，開挖擾動的影響將波及至地表，無法形成“天然拱”，故此，隧道圍巖松動壓力的計算不能一概而論。在《公路隧道設計規(guī)范》(JTG D70-2004)[1]中關于隧道淺埋段圍巖松動壓力具體如下：

(1)埋深（H）小于或等于等效荷載高度hq(超淺埋段)。

①豎向壓力q：

式中:q——勻布布豎向壓力，kN/m2；

γ——隧道上覆圍巖容重，kN/m3；

H——隧道埋深，隧道拱頂至地面的距離，m。

②側向壓力e，按勻布考慮時，其值為：

式中:e——側向勻布壓力，kN/m2；

γ——隧道上覆圍巖容重，kN/m3；

H——隧道埋深，隧道拱頂至地面的距離，m；

Hi——隧道高度，m；

Φ——圍巖計算摩擦角，(o)，可查有關規(guī)范。

(2)埋深(H)大于hq且小于或等于分界深度Hp(一般淺埋段)。從松散介質極限平衡的角度，對隧道施工過程中巖體運動的情況進行深入分析，隧道開挖后若不及時支護或施工時支護下沉，會引起洞頂上覆巖體的下沉與移動，而且它的移動受到兩側其他巖體的擠壓，反過來又帶動了兩側部分巖體的下滑，形成2個破裂面。故此，研究洞頂上方覆蓋巖體的平衡條件，即可知：圍巖松動壓力=(滑動巖體重力—滑面上的阻力)/洞跨，即下式(4)，下式(5)為水平均布荷載計算公式。

式中：λ——側壓力系數(shù)，即：

β——側壓力系數(shù)，即：

θ——破裂角；

其它符號含義同上。

2.3 支護結構內力計算[3]

本文采用荷載—結構模型進行計算，并借助了彈性鏈桿計算簡圖，如圖1。根據(jù)圖1和有限單元法理論，首先，將襯砌劃分若干個單元，求得襯砌各單元中的各個高斯點的應力分量(σx,σy,τxy)后，對于等厚襯砌(對于非等厚襯砌作為近似計算)先計算通過2個高斯點G1(x1,y1)、G2(x2,y2)的襯砌截面與豎直面的夾角：

再計算在所論截面上2個高斯點上的法向應力σn：

圖1 彈性鏈桿計算簡圖

式中 。

然后，計算所論截面內、外邊緣上的法向應力：

最后，計算作用在所論截面上的彎矩M和軸力N：

式中：b、d——所論截面的寬度和厚度，且b=1.0m。

剪力為剪應力與截面積的乘積。

隧道襯砌結構內力的計算是將結構力學[3]知識和彈性鏈桿計算模型[4]相結合，最終形成了荷載—結構模型，這個模型也就是我國最常用的隧道襯砌結構計算模型。

3 隧道支護結構計算實例

3.1 隧道支護參數(shù)與物理力學指標

為更好地研究隧道洞口淺埋段支護結構的力學特性，本文以鎮(zhèn)原隧道V淺埋段襯砌結構為背景，來研究分析淺埋段隧道襯砌結構的力學變化特征。圖2為鎮(zhèn)原隧道洞口段V級圍巖襯砌結構設計圖，襯砌厚度50cm,采用C30模筑混凝土,圖3為鎮(zhèn)原隧道襯砌結構的單元劃分圖。由規(guī)范和設計資料查得鎮(zhèn)原隧道支護材料的物理力學指標，并匯總表1中。根據(jù)圖1和彈性鏈桿有限元知識及隧道襯砌結構內力計算FORTRAN程序的要求[3-4]，現(xiàn)將鎮(zhèn)原隧道V級圍巖淺埋段中某一斷面處襯砌結構的每個截面的相關信息列于表2中。

3.2 隧道圍巖壓力與結構受力計算

3.2.1 隧道圍巖壓力計算

圖2 V級圍巖淺埋段襯砌結構設計尺寸圖(單位：cm)

圖3 二襯結構單元劃分圖

表1 二次襯砌物理力學參數(shù)

表2 二次襯砌計算輸入數(shù)據(jù)

依據(jù)2.1和2.2節(jié)內容，本文選取鎮(zhèn)原隧道進洞口淺埋段里程樁號為右K43+214斷面作為研究對象，由設計圖可知該斷面實際埋深7m，具體計算如下：

由上述計算可知，實際埋深H(7m)明顯小于等效荷載高度hq，即H＜hq,因此，鎮(zhèn)原隧道的右K43+214斷面為超淺埋斷面，故應按照隧道超淺埋的圍巖壓力計算公式進行本斷面的隧道圍巖壓力值的計算，具體計算如下：

（1）豎向壓力q：

（2）側向壓力e，按勻布考慮時，其值為：

3.2.2 隧道結構受力計算

將襯砌結構所受荷載列于表1中可最終組成二次襯砌結構內力計算參數(shù)，即表3。以表1、表2和表3中的數(shù)據(jù)，借助隧道襯砌結構作用效應計算程序[4]進行系統(tǒng)計算和分析，本文最終計算得出了鎮(zhèn)原隧道二襯支護結構作用效應，并將其結果匯總于鎮(zhèn)原隧道二襯結構內力計算結果表中，即表4。同時，根據(jù)相關數(shù)值結果繪制了其受力特性分布圖，即圖4和圖5。

表3 二次襯砌結構內力計算參數(shù)

表4 鎮(zhèn)原隧道二襯結構內力計算結果表

4 隧道結構安全強度驗算實例

目前我國鐵、公路隧道設計規(guī)范[5，1]規(guī)定，隧道襯砌和明洞按破壞階段檢算構件截面強度。即根據(jù)混凝土和石砌材料的極限強度，計算出偏心受壓構件的極限承載能力，與構件實際內力相比較，計算截面的抗壓（或抗拉）強度安全系數(shù)K。檢查是否滿足規(guī)范所要求的數(shù)值，即下式(10)：

圖4 二襯結構軸力圖（單位：kN）

圖5 初期支護彎矩圖（單位：kN·m）

式中：Njx——截面的極限承載能力，kN；

N——截面的實際內力（軸向力），kN；

Kgf——規(guī)范所規(guī)定的強度安全系數(shù)。

襯砌的任一截面均應滿足鐵、公路隧道設計規(guī)范[5，1]強度安全系數(shù)要求，否則必須修改襯砌形狀和尺寸，重新計算，直到滿足要求為止。本文以表3中的計算結果為基礎，利用公式(10)檢算了鎮(zhèn)原隧道右K43+214斷面處襯砌各截面強度安全系數(shù)，詳見表5。

表5 右K43+214斷面襯砌結構截面強度安全檢算表

由圖4和圖5可看出，鎮(zhèn)原隧道的襯砌結構在拱部范圍較邊墻部位受力大，襯砌結構在拱頂有明顯受彎跡象，呈現(xiàn)出襯砌脫離區(qū)，兩側拱肩有著明顯向圍巖擠壓的跡象，呈現(xiàn)出襯砌抗力區(qū)，但應注意到，這完全符合隧道襯砌的變形理論，但應該注意，這個抗力區(qū)并非覆蓋了整個邊墻。從表4可知，鎮(zhèn)原隧道右K43+214斷面處拱部范圍內的襯砌截面強度安全系數(shù)雖較小，但仍然是符合設計要求的、安全可靠的。為了保證隧道的施工安全，有必要在進行隧道施工過程中，加強隧道安全預警工作。

5 結論

通過前面的分析得到了鎮(zhèn)原公路隧道V級超淺埋段襯砌結構內力數(shù)值解和內力特性分布。在荷載對稱、結構對稱的情況下，本文通過計算結果和內力特性分布圖等總結了兩車道高速公路隧道襯砌支護結構的受力特點及其安全可靠性。具體得出以下幾點結論：

（1）對于雙車道公路隧道來說，其拱部范圍較邊墻部位受力要大，襯砌結構在拱頂有明顯受彎跡象，呈現(xiàn)出襯砌脫離區(qū)，兩側拱肩有著明顯向圍巖擠壓的跡象，呈現(xiàn)出襯砌抗力區(qū)；

（2）從雙車道公路隧道襯砌結構受力分析來看，襯砌結構的抗力區(qū)并非覆蓋整個隧道邊墻區(qū)域；

（3）由結構受力分布特性可知，隧道的塑性變形區(qū)將較為集中，且分布于拱腰到拱腳區(qū)域內；

（4）由隧道截面強度安全系數(shù)可看出，雙車道公路隧道拱部的安全系數(shù)相對較小，應在施工過程中引起足夠重視。