陳福斌

（深圳市交通公用設(shè)施建設(shè)中心，廣東 深圳518000）

0 引 言

深圳市過境高速公路連接線工程（以下簡稱連接線隧道）地處梧桐山西，西起愛國路立交，東西貫穿東湖公園，位于深圳水庫下游，連接線隧道在塘排山東側(cè)與深圳東部過境高速蓮塘隧道相接。

隧道主線為3 車道，其中蓮塘主線分岔處3+2的車道實際相當(dāng)于6 車道的設(shè)計大斷面，單洞跨度約30 m，其洞室跨度、單洞面積及設(shè)計施工難度均在國內(nèi)在建隧道之首。

公路隧道中，隧道斷面可以劃分為標準斷面、大斷面、超大斷面等斷面形式[1]。日本的工程協(xié)會對隧道斷面大小的定義中，將開挖斷面120 m2以上斷面定義為超大斷面，而國際隧道協(xié)會則對100 m2以上斷面設(shè)定為超大斷面。國內(nèi)超大斷面案例較少，現(xiàn)有實例包括白云山公路隧道，開挖斷面31.5 m×10.55 m，扁平率達0.333；烏孟山二號隧道，最大開挖寬度28.42，高度17.4 m，IV～V 級泥巖；曾家坪1號隧道進口，開挖寬度20.68 m，高度13.83 m，三線車站隧道。連接線隧道蓮塘分岔大跨段，單洞最大寬度29.87 m，高度18.97 m，其開挖斷面面積達440 m2，遠大于國際隧協(xié)的關(guān)于超大斷面的設(shè)計標準。如何準確、合理對超大斷面隧道工程進行經(jīng)濟合理的設(shè)計，是整個工程的難點。

1 研究背景

目前關(guān)于超大斷面隧道的設(shè)計和研究方案在國內(nèi)很少，可以拱借鑒參考的施工案例極少，相應(yīng)的施工方法不成熟，設(shè)計和施工也沒有相關(guān)的規(guī)范可以依據(jù)。蔣樹屏等[3]研究了某高速公路八車道超大斷面，對于設(shè)計方案和施工步序進行了研究，根據(jù)工程類比總結(jié)了一套的施工方法。滕飛[4]對于東北地區(qū)軟塑性粘土地層的大斷面隧道提出來相關(guān)的施工技術(shù)工法。張全全[5]采用數(shù)值分析的方法對淺埋大斷面隧道圍巖的變形及是施工方法進行了優(yōu)化分析，確定了初襯設(shè)計的關(guān)鍵因素。本文在連接線隧道設(shè)計與施工過程中，針對隧道工程超大斷面關(guān)鍵節(jié)點，開展大斷面隧道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究，提出關(guān)鍵節(jié)點的設(shè)計方法和施工工法，研究施工擾動與控制措施，對連接線大斷面隧道的設(shè)計和施工具有重要的意義。

2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)地質(zhì)詳勘報告，隧道蓮塘段大斷面區(qū)域，埋深為75 m，巖體較完整，以微風(fēng)化巖層為主，屬弱透水地層，局部存在破碎帶，易形成地下水補給通道。上部覆蓋層為第四系（Q）及變質(zhì)砂巖層（C1），圍巖類別具體如下：

④含碎石粉質(zhì)黏土：褐紅、褐灰、褐黃色，不均勻含少量風(fēng)化巖塊，可塑～硬塑狀態(tài)。

⑥1全風(fēng)化變質(zhì)砂巖：灰黃～褐黃色，不均勻夾少量中風(fēng)化巖塊。

⑥2強風(fēng)化變質(zhì)砂巖：褐黃、褐灰色，原巖結(jié)構(gòu)基本破壞，原巖礦物已基本風(fēng)化成土狀，巖芯呈土夾砂狀或土夾塊狀。

⑥3中風(fēng)化變質(zhì)砂巖：灰白～淺灰色，裂隙發(fā)育，裂面多鐵質(zhì)浸染，巖芯以碎塊～塊狀為主，少量短柱狀，巖石硅化顯著，巖質(zhì)堅硬，錘擊聲稍啞、不易擊碎，合金鉆進困難，金剛石可鉆進。

受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，圍巖根據(jù)地質(zhì)勘探資料為Ⅲ級圍巖，根據(jù)規(guī)范推薦的圍巖參數(shù)取值，參數(shù)選取如下：黏聚力c=1.1 MPa，E=13 GPa，泊松比：0.27，內(nèi)摩擦角45°，側(cè)壓力系數(shù)為0.44。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

隧道斷面內(nèi)輪廓尺寸綜合考慮建筑限界、通風(fēng)要求、設(shè)計合理性、施工便利及經(jīng)濟性采用5 心圓斷面，開挖斷面跨度為29.87 m，高度18.97 m，見圖1。

圖1 大跨段復(fù)合式襯砌斷面設(shè)計圖（單位：mm）

隧道開挖后應(yīng)同時施工初期支護，防止圍巖應(yīng)力釋放導(dǎo)致變形過大引起坍塌。根據(jù)新奧法原理，隧道開挖后先產(chǎn)生一定的隨時間的變形，圍巖與初期支護達到收斂平衡，此后才施工二次襯砌，這樣對二次襯砌的荷載壓力的計算應(yīng)主要是拱頂松散壓力，而非隧道開挖后形變壓力。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)不同圍巖情況預(yù)留不同的變形量，防止隧道圍巖變形過大影響隧道限界。

初期支護采用錨噴支護，即由噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼架支護形式組合使用。錨桿采用中空注漿錨桿錨桿。根據(jù)本隧道工程沿線所處圍巖工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件及地層巖性、結(jié)構(gòu)和洞跨，在認真分析本隧道工程環(huán)境特點和難點及類似工程的基礎(chǔ)上，主要根據(jù)工程類比并經(jīng)驗算復(fù)核得出支護參數(shù)，見表1。

表1 隧道復(fù)合襯砌設(shè)計參數(shù)表

3.2 荷載與二襯結(jié)構(gòu)計算

地下開挖而沒有支護的洞室稱為毛洞。毛洞開挖后將引起局部地殼殘余應(yīng)力的釋放和一定范圍內(nèi)的巖土體應(yīng)力重分布，應(yīng)力重分布范圍內(nèi)的巖土體稱為圍巖，此時毛洞圍巖的應(yīng)力狀態(tài)稱為二次應(yīng)力狀態(tài)，這種應(yīng)力狀態(tài)受開挖方式（爆破、非爆破）和方法（全斷面法開挖、臺階法開挖等）的強烈影響，并且與巖土體的力學(xué)性能、初始應(yīng)力及洞室斷面形狀等因素密切相關(guān)。

對于礦山法隧道，除了膨脹性地層外，圍巖壓力主要指變形壓力和松動壓力。變形壓力是由于洞室圍巖變形受到支護結(jié)構(gòu)限制后，圍巖對支護形成的壓力。其大小決定于巖體的力學(xué)性質(zhì)、巖體的初始地應(yīng)力、洞室形狀、支護結(jié)構(gòu)的剛度和支護時間等。松動壓力指由于開挖而松動或坍塌的巖體，以重力形式直接作用在支護結(jié)構(gòu)上的壓力。俄國學(xué)者普氏（簡稱）于1907 年提出普氏理論，即自然平衡拱理論，認為在具有定粘結(jié)力的松散介質(zhì)中開挖洞室后，其上方會形成一個拋物線形的自然平衡拱，而作用在支護結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力是自然平衡拱以內(nèi)的松動巖體的重力。自然平衡拱上方的一部分巖體承受著上覆地層的全部重力，如同一個承載環(huán)一樣，并將荷載向兩側(cè)傳遞下去，這就是圍巖的拱效應(yīng)。

對于圍巖較好的諸如II 級或III 級圍巖，隧道開挖后形變壓力便可短時間內(nèi)釋放，由初期支護和圍巖自身承擔(dān)，而二次襯砌主要承擔(dān)松散壓力。傳統(tǒng)的松散壓力計算方法[6]有普式理論、泰沙基理論、經(jīng)驗公式算法，均是基于新奧法原理考慮毛洞一次性開挖后，拱頂塑性區(qū)形成壓力拱，其拱下方松散土壓力可做設(shè)計的計算荷載。

按照《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[7]中的經(jīng)驗公式：

式中：h為松散拱高度；S為圍巖級別；w為寬度影響系數(shù)；B為隧道寬度(m)；i為B每增減1 m 時的圍巖壓力增減率，當(dāng)B＜5 m 時i= 0.2 ，當(dāng)B＞5 m 時i=0.1。

然而該公式符合小跨度隧道的荷載計算思路，對于超大跨度隧道設(shè)計是不適用額。采用這個規(guī)范公式計算大跨度隧道得到的松散土壓力過大，導(dǎo)致二襯內(nèi)力較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計過于保守。因此如何確定計算荷載是超大斷面隧道的設(shè)計的重點。

從理論上講，對于同一圍巖，開挖后應(yīng)力重分布的影響區(qū)與位移的影響區(qū)是一致的，采用應(yīng)變指標可以作為判斷松散土壓力的依據(jù)。楊林德、丁文其等（2001、2003）成功應(yīng)用了洞周圍巖徑向張應(yīng)變值判斷洞室圍巖的穩(wěn)定性。根據(jù)曲海鋒（2007）的方法，其論文中圍巖（彈性模量為1.85 GPa）的極限拉應(yīng)變值為0.5‰，可以用其方法計算出前文Ⅳ圍巖的極限拉應(yīng)變值，即：

式中：E為彈性模量；R拉為巖石的單軸抗拉強度。該模型中的圍巖為III 圍巖，估算其單軸抗拉強度在6.0～7.0 MPa 之間。考慮到實際圍巖中巖體并非完整巖石，抗拉強度小于完整巖石的抗拉強度，因此要對單軸抗拉強度進行折減，取安全系數(shù)為2，那么該模型中彈性模量為13 GPa 的圍巖極限拉應(yīng)變?yōu)?.27‰。

隧道開挖前，最大主應(yīng)力矢量為豎直方向，開挖后巖體最大主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如隧道拱頂和拱底的最大主應(yīng)力矢量由豎直向轉(zhuǎn)為水平向。建立二維有限元模型，巖體的本構(gòu)模型采用摩爾—庫倫，對大跨度隧道開挖后毛洞的圍巖應(yīng)力應(yīng)變情況進行分析（見圖2～圖4）。

圖2 開挖后水平應(yīng)力變化圖（單位：P a）

圖3 開挖后垂直應(yīng)力變化圖（單位：P a）

根據(jù)該拉應(yīng)變指標計算得出的壓力拱內(nèi)邊界高度為7.54 m，即采用荷載結(jié)構(gòu)法計算的松散土拱高度為7.54 m。

大跨段隧道二次襯砌的配筋和裂縫計算依據(jù)隧道正常使用階段的受力，因此，對大跨隧道進行荷載結(jié)構(gòu)法計算，分析大跨隧道在正常使用階段，二次襯砌受力大小及最大彎矩和剪力部位。圖5 為荷載分布圖及種類。圖6～圖8 為隧道的軸力、彎矩及剪力分布圖。計算結(jié)果可知，最大彎矩為667.3 kN·m，最大剪力為679.5 kN，均處于隧道拱腳部位，該處軸力約為3847 kN，處于隧道底部仰拱處。

圖4 開挖后圍巖豎向拉應(yīng)變云圖（單位：P a）

圖5 計算模型及荷載分布圖

圖6 隧道軸力分布圖

圖7 隧道彎矩分布圖

圖8 隧道剪力分布圖

3.3 地層結(jié)構(gòu)法計算

設(shè)計采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，由于隧道斷面較大，分多導(dǎo)坑施工有利于減小隧道跨徑，控制隧道變形。

按照相應(yīng)的施工工法、工序和支護方式等，建立數(shù)值計算模型，見圖9。

圖9 大跨隧道施工地層有限元分析模型

圖10 和圖11 為隧道開挖完成后，圍巖的豎向變形和水平位移云圖，計算結(jié)果顯示，隧道開挖后拱頂最大變形量約6 cm，側(cè)墻最大水平變形量約1.6 cm，隧道能夠保證其整體穩(wěn)定性。

圖10 隧道豎向位移分布云圖

圖11 隧道水平位移分布云圖

由于巖體受開挖擾動，原先圍巖的三向應(yīng)力平衡被打破，出現(xiàn)應(yīng)力重分布現(xiàn)象，見圖12，垂直應(yīng)力在隧道兩側(cè)邊墻部位發(fā)生應(yīng)力集中，最大的垂直應(yīng)力約3.31 MPa，約為原巖應(yīng)力的2 倍，設(shè)計時該段施作了注漿錨桿，能夠有效提高該部位巖體的力學(xué)特性，同時，通過對巖體應(yīng)變能的分析，該部位發(fā)生巖爆的可能性較小。

圖12 隧道垂直應(yīng)力分布云圖

4 結(jié) 論

本文針對深圳市過境高速公路連接線工程蓮塘超大斷面隧道，采用理論分析和有限元數(shù)值模擬手段，研究大斷面隧道圍巖壓力的計算理論和設(shè)計方法。通過與現(xiàn)有的設(shè)計方法對比分析，總結(jié)大斷面隧道的圍巖壓力作用模式。

（1）提出了采用應(yīng)變指標對于的隧道圍巖松散拱進行定量計算，通過二維有限元分析找到隧道松散拱的高度。該大跨度隧道荷載計算方法對于常規(guī)隧道的規(guī)范設(shè)計方法是行之有效的改進方法。

（2）根據(jù)應(yīng)變指標下有限元計算的松散拱土壓力進行二維荷載結(jié)構(gòu)法計算，考慮結(jié)構(gòu)的尺寸和彈簧邊界條件，求出結(jié)構(gòu)的內(nèi)力用于結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計。

（3）通過三維地層有限元分析，考慮大跨度復(fù)雜的施工步序，研究了施工過程中隧道圍巖的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。通過計算得出，通過導(dǎo)洞施工的方法有助于隧道的整體穩(wěn)定性，隧道的變形亦在可控制范圍內(nèi)，對于局部拱腳隧道應(yīng)力增加區(qū)域應(yīng)采取相應(yīng)加固措施。