黑山寺公路隧道衬砌结构的优化设计

１６８　西部探矿工程　２０１４年第１２期　黑山寺公路隧道衬砌结构的优化设计　韩伟辉　（中国铁建大桥工程局集团有限公司，天津３００３０８）　摘要：基于传统安全系数经验法，以黑山寺公路隧道衬砌结构为依托工程，进行了隧道衬砌结构的　数值模拟计算与作用效应对比，分析得出了隧道衬砌不同截面上的作用效应，并根据隧道衬砌单元　安全系数和规范要求进行衬砌结构厚度比选和优化，提出了合理的衬砌结构厚度，为黑山寺公路隧　道结构设计提供理论支持。　关键词：隧道；衬砌结构；优选设计；数值模拟；安全系数　中图分类号：Ｕ４５３文献标识码：Ａ文章编号：１００４—５７１６（２０１４）１２—０１６８—０３　我国目前的隧道结构设计一般均采用复合式衬砌，　限强度计算衬砌偏心受压极限承载力极限，将极限承　对于复合式衬砌的设计，在较坚固的地层中，衬砌仅作　载力与数值计算内力进行对比，即可得出衬砌不同截　为安全储备，因此要求其厚度达到施工允许的最小厚　面上的抗压（或抗拉）强度安全系数。即：　度。但就钻爆法而言，受各种施工因素等的影响，隧道　Ｎ极限／Ⅳ≥Ｋ规　（１）　衬砌厚度变异性很大。据有关资料显示，二次衬砌各截　式中：Ｎ极　——偏心受压构件的极限承载力；　面的厚度能全部满足设计要求的仅占隧道总量的５０％　＾卜一隧道衬砌结构中典型单元截面上数值计算　左右。隧道衬砌厚度的欠缺造成了隧道结构安全储备　内力；以《公路隧道设计规范》为依据确定的衬砌结构　能力的降低，影响隧道的使用寿命，危及通行车辆和人　安全系数Ｋ规。　员的安全。因此，探讨隧道衬砌厚度对隧道结构可靠性　当由抗压强度控制，即ｅ＝Ｍ／Ｎ＜０１２ｈ时：　和安全性的影响，评价衬砌结构的安全性成为隧道工程　限＝ｑｈａＲ　ｂｈ　（２）　领域当前的研究热点问题　－。　。相关文献　Ｊ也研究了衬　式中：　——构件纵向系数，隧道衬砌取１；　砌厚度变化与隧道强度安全系数的相关关系和衬砌厚　Ｒ　——混凝土极限抗压强度；　度变化对衬砌内力和衬砌强度安全系数的影响。但无　——轴力的偏心影响系数，按式（２）确定；　论是定性的描述或是定量的评价都需要结合工程实际　——截面宽度，取ｌｍ；　——进一步的探讨和研究。本文以黑山寺隧道衬砌设计为　截面厚度。　应用背景，通过数值模拟试验，研究了本隧道典型断面　当由抗拉强度控制，即ｅ＝Ｍ／Ｎ＞Ｏ．２ｈ时：　衬砌结构厚度变化对隧道稳定性态的影响，探讨了衬砌　限：　（３）　厚度与隧道结构变形、作用效应的相关关系；在以上研　一　究基础上，应用传统系数法，对黑山寺隧道衬砌结构的　式中：　——构件纵向系数，隧道衬砌取１；　安全陛进行了评价，优化并确定了隧道衬砌安全厚度。　Ｒ．——混凝土极限抗拉强度；　１隧道衬砌设计原理　６——截面宽度，取ｌｍ；　为分析衬砌厚度变化对隧道结构安全性的影响，　——截面厚度。　对隧道施工进行数值仿真分析，计算隧道支护结构内　２隧道衬砌结构优选算例　力，根据内力分析衬砌结构的安全系数，对衬砌的安全　２．１实例工程及建模　性能进行检验。隧道衬砌安全性计算以《公路隧道设　国道２１０线延安一子长黑山寺隧道全长４３１ｍ，　计规范》　为依据，按衬砌混凝土偏心受压构件的破坏　最大开挖跨度１２．５４ｍ，开挖高度９．０７ｍ，开挖面积　阶段进行强度验算。分析时根据衬砌混凝土材料的极　１０１ｍ　。隧道区域地处黄土高原腹地，属陕北高原沟壑　收稿日期：２０１４—０５—０５修回日期：２０１４—０５—０８　作者简介：韩伟辉（１９８０一），男（汉族），吉林长春人，Ｔ程师，现从事线路Ｔ程现场施Ｔ管理Ｔ作。　２０１４年第１２期　西部探矿工程　１６９　区。隧道区段属于侵蚀地貌；暖热带半干旱大陆季风气　候，冬春长、夏秋短、温差大。隧道区域地质构造单元处　于鄂尔多斯台向斜中部偏东，构造简单，地层稳定。　隧道围岩的主要工程地质：新黄土分布于隧道进　出口段，为重力堆积及残积形成的次生黄土，灰黄色，　岩性为粉质粘土，垂直节理较发育，结构较疏松，含较　多孑Ｌ洞，强度较低。老黄土下部为褐黄、橙黄色粉粘土　壤或钙质结核层，土质均匀，致密，结构完整，整体性较　强，该层属微压缩不失陷，强度高，含水量较大，在其顶　部有一姜石层为含水层，强度较低。水文地质特征：隧　道穿越区表面经流条件较好，且侵蚀切割较强烈，多处　洞穴利于排水。隧道区域地下水的基本类型为第四纪　图１算例隧道数值分析模型　系松散孔隙潜水，其分布受梁峁在形的控制，该地区地　个模型探讨其变化规律。数值计算模型如图ｌ所示。ｘ　下水主要赋予隧道穿越的老黄土下部地层，隧道围岩　轴为隧道宽度方向，ｙ轴为深度方向；有限元模型水平方　具有土质含水性较弱，给水性差等特点。该围岩含水　向（ｘ方向）左右宽度各为５０ｍ，Ｙ方向下边界为５０ｍ，上　陛虽然很差，但却普遍存在，已形成统一的潜水面，含　边界取到地表，为６８ｍ。模型采用ＡＮＳＹＳ软件中的４节　水层均属潜水类型，隧道洞身均在含水层以下。　点平面单元Ｐｌａｎｅ４５模拟围岩以及围岩加固区（其中围岩　算例选取Ⅳ级所在断面进行分析。有限元模拟计算　加固区用来模拟锚杆作用区与初期支护）；用梁单元　恨据实际隧道衬砌厚度变化和不足情况、隧道围岩类型　Ｂｅａｍ３模拟二次衬砌。数值试验参数取值见表ｌ。根据　以及埋深大小等因素，建立模拟隧道空间开挖的二维有　地质勘察资料，算例隧址地应力场以自重应力场为主。　艰元模型进行分析。计算中衬砌厚度取４０ｃｍ、４５ｃｍ两　２．２衬砌作用效应分析　表ｌ模型参数选取表　分析不同衬砌厚度引起的支护结构内力的变化，并　的最不利部位均出现在隧道拱脚处，隧道的破坏将由　计算完成了衬砌厚度为４０ｃｍ、４５ｃｍ两种情况时的支护结　拱脚开始，进而使衬砌结构整体性丧失，导致隧道最终　构弯矩、轴力和剪力等结构作用效应，并进行了数据整理、　失稳。因此，分析中隧道支护结构的拱脚部位将是设　，；子析和对比，其数值计算结果的分析和比较归纳如下：　计和施工中的关键控制部位。　（１）隧道衬砌的最大正、负弯矩均发生在拱脚附近，仰　在数值分析基础上，对隧道衬砌结构典型断面采　拱有明显隆起趋势，且随着衬砌厚度增大弯矩值也逐渐增　用式（１）一式（３）进行安全系数计算。随着衬砌厚度增　：ｑ口，衬砌厚度为５０ｃｍ时正、负弯矩达到最大，此时最大正　加，衬砌强度安全系数呈非线性趋势增长。就安全系　：萼矩数值为２９７５４０Ｎ・ｍ，最大负弯矩为一２９４ｆｉ３０Ｎ・ＩＴＩ。　数数值而言，因隧道衬砌的拱脚和拱腰部位是结构应　（２）隧道衬砌拱顶、拱腰和拱脚轴力多为压力，拱　力集中部位，因此也是安全系数的危险区。以隧道结　０ｉｉ中部及仰拱中部出现较小的拉力区。衬砌最大受压　构强度安全系数２．０为标准，当衬砌厚度增加到４０ｃｍ　轴力集中在两侧边墙处，且随着衬砌厚度增大最大轴　以后，衬砌关键部位强度安全系数均已满足要求，达到　力值也逐渐增加，衬砌厚度为５０ｃｍ时最大轴力达到最　了规范规定的２．０。但在这以后，增加衬砌的厚度，隧　：赶，最大值出现在仰拱中部。　道衬砌边墙和拱脚部位强度安全系数提高不明显。因　（３）衬砌的最大正、负剪力均发生在拱脚附近，拱　此，对黑山寺隧道Ⅳ级围岩而言，当衬砌结构厚度超过　脚附近明显受剪，其它各部位剪力均不大。　４０ｃｍ后，企图通过增加衬砌厚度来提高隧道结构安全　数值分析结果分析同样表明，隧道衬砌结构破坏　（下转第１７２页）　１７２　西部探矿工程　２０１４年第１２期　面上设拱顶沉降观测点１个，围岩收敛变形观测（水平）　线３条，分别布置在拱脚、边墙中部、边墙底部，观测点　而引起隧道塌方，损失将会更大，得不偿失。施工中可以　通过试验确定合理的、相对保守些的支护参数，做到宁强　勿弱。膨胀岩土隧道的围岩收敛变形和拱顶下沉量比一　般岩层中要大得多，因此，预留的变形量要大一些，也要　通过试验确定合理的预留变形量，做到宁大勿小。　③加强施工管理，有序组织施工。各工序之间要　连续、紧凑，要缩短各工序之间的距离和作业时间，从　弧形导坑开挖到拱墙衬砌封闭成环之间的时间不要超　过２０ｄ，长度不要超过３５ｍ。　４结束语　（线）要在开挖后的１２ｈ以内布设。按设计要求的频率　观测，绘制出拱顶沉降图和围岩收敛变形图，据此掌握　围岩变形规律，确定拱墙衬砌浇筑时间，动态指导施　工。当拱顶下沉和水平收敛速率达到５ｍｍ／ｄ或位移　累计达到ｌＯＯｍｍ时，要停止施工，在上报业主和监理　的同时，尽快对隧道加强支护，加密监测频率，并按参　建四方研究、确定的处理方法进行加固处理。　（８）施工中必须重视的几个问题：　①避水问题。由于膨胀岩土具有遇水快速膨胀、岩　在膨胀岩土地区修建隧道，必须选择适合的开挖方　体软化的杼ｌ生，所以，施工中必须重视避水问题。一是要　严格防止地表水渗入隧道。要疏通地表水沟和雨水排水　设施，确保隧道上方没有积水。发现地面有裂缝要马上　用水泥土堵塞，地表做成流水坡，快速排除地表水，尽量　减少地表水的渗漏。二是要根据隧道内地下水赋存情　况，采取堵、泻、导、排等措施，将地下水和施工用水抽排　出去，保证工作面没有积水。三是加强施工用水管理，严　格控制施工用水（如初支和二衬的混凝土养护采用喷雾　法，选用较强的支护参数，有序组织施工，将整个施工工　序控制在最短的时间内，尽量减少围岩的暴露时间，坚持　仰拱先行，二衬尽早成环，才能确保隧道的施工安全。施　工中还必须加强监控量测工作，发现围岩变形迅速增大　时，先加强支护，立即查找原因，采取措施，把发生事故的　可能消灭在萌芽中。百色三号膨胀岩土隧道遵循上述的　施工原则和施工控制要点，保证了安全和质量，有效阻止　了初支变形和二衬开裂，施工经验可供同类工程参考。　参考文献：　的方法），防止掌子面被水浸泡。四是开挖以后，尽快初　喷混凝土封闭围岩岩面，尽量减少围岩含水量的变化。　②选择合理的支护参数，预留足够的变形量。超前　支护和初期支护都必须加强，支护参数要宁强勿弱。虽　然支护参数太强会提高工程造价，但若因支护参数太弱　ｅ０　一　一　一鹳　，鹋　ｅ，啦　０　，鹳　一　ｃ一∞　０　一　０　…ＴＢ　１０７５３—２０１０高速铁路隧道工程施工质量验收标准［ｓ］　北京：中国铁道出版社，２０１０．　【２］ＴＢ　１０３０４—２００９铁路隧道工程施工安全技术规程【ｓ］．北京　中国铁道出版社，２００９．　（上接第１６９页）　衬砌结构厚度超过４０ｃｍ后，企图通过增加衬砌厚度来　提高隧道结构安全性是不经济的，建议黑山寺隧道Ⅳ　级围岩段隧道衬砌结构以４０ｃｍ为宜。　参考文献：　性是不经济的。鉴于以上分析原因，建议黑山寺隧道　Ⅳ级围岩段隧道衬砌结构以４０ｃｍ为宜。　３结论　钻爆法施工的山岭隧道因受施工等各种因素的影　响，隧道衬砌厚度变异性大，以《公路隧道设计规范》为　依据，基于衬砌强度安全系数的概念，按衬砌混凝土偏　心受压构件的破坏阶段进行强度验算。对黑山寺隧道　衬砌结构优选分析的结果表明：　（１）隧道衬砌结构破坏的最不利部位均出现在隧　道拱脚和拱顶处，隧道的破坏将由拱脚开始，进而使衬　砌结构整体性丧失，导致隧道最终失稳。就安全系数　数值而言，因隧道衬砌的拱脚和拱腰部位是结构应力　集中部位，因此也是安全系数的危险区。　（２）以隧道结构强度安全系数２．０为标准，当衬砌　厚度增加到４０ｃｍ以后，衬砌关键部位强度安全系数均　已满足要求，因此对黑山寺公路隧道Ⅳ级围岩而言，当　［１】高波，蔺安林，赵万强．隧道衬砌结构可靠指标计算方法的研　究ＩＪ１．西南交通大学学报，１９９６，３ｌ（６）：５８３—５８９．　［２】ＧＡＯ　Ｂｏ，ＬＩＮ　Ａｎ—ｌｉｎ，ＺＨＡＯ　Ｗａｎ—ｑｉａｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｃｏｍｐｕ—　ｔａｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　Ｉｎｄｅｘ　ｏｆ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｌｉｎｉｎｇ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，１９９６，３１（６）：５８３—　５８９．　【３］刘庭金，朱合华，丁文其．某高速公路隧道二次衬砌安全性　分析ｌＪ１＿岩石力学与工程学报，２００４，２３（１）：７５—７８．　［４］ＪＴＧ　Ｄ７０－２００４公路隧道设计规范【ｓ】．北京．人民交通出版　社，２００４．　『５１李宁军，刘彤，曹彩芹．公路隧道衬砌加固计算分析［Ｊ］．西安　建筑科技大学学报：自然科学版，２００４，３６（１）：９７－８１．　［６】夏永旭，王永东．隧道结构力学计算【Ｍ］．北京：人民交通出版　社．２００４．