大跨度浅埋隧道二次衬砌结构静力分析

王立光 曾梦秋

(武汉工程大学，湖北武汉 430073)

0 引言

改革开放以来，我国公路隧道建设事业迅猛发展，而且，随着西部大开发战略的逐步实施，我国高速公路建设又进入了一个新的大发展时期［1］。隧道的开挖跨度在不断变大，大跨度浅埋隧道由于上覆盖层薄，围岩稳定性很差，衬砌受力比较复杂，尤其二次衬砌承担较大荷载，在这种情况下，二次衬砌设计的是否合理不仅关系到隧道施工过程的安全，而且对后期隧道运营管理也有很大影响。

1 工程概况

广乐高速公路某隧道设计为双向六车道，时速120 km/h。该左线长565 m，右线长640 m。该隧道穿越地段上覆粉质粘土及全强风化岩体，土体松散，强度及稳定性极差，分布厚度3 m～20 m。YK97+515～ZK98+040段隧道穿越围岩为全～强风化砂岩夹中风化灰岩，砂页岩风化强烈，岩质软弱，裂隙极发育，强度及稳定性差;灰岩岩质较硬，隐伏岩溶发育，岩溶强烈发育。整体围岩岩体破碎，强度分布不均匀，灰岩层岩溶强烈发育。YK98+040～ZK98+165段隧道穿越岩体主要为砂页岩及煤层互层，主要为全～强风化岩，呈土状或半岩半土状，结构松散，强度及稳定性差，施工开挖易坍塌及侧壁失稳。整个隧道围岩均划为Ⅴ级。设计采用两种衬砌:S5a与S5b，其中S5a衬砌的开挖跨径达17.95 m，高达12.2 m，开挖面积为174.9 m2，断面的扁平率为 0.68。

2 围岩压力计算

根据隧道地勘报告，隧道上覆围岩主要为粘土和全～强风化灰岩，岩体松散、自稳性差，其物理力学参数如表1所示。

表1 围岩物理力学参数表

根据《公路隧道设计规范》计算可以得知等效荷载高度为hq=16.524 m，文中浅埋隧道分界 Hp为［2］:

根据浅埋隧道的荷载计算方法，对于特定的围岩级别，隧道埋深接近浅埋隧道的分界高度时，隧道结构承担的荷载最大。计算按最不利情况考虑，即选取埋深为浅埋隧道的分界高度的隧道结构作为分析的对象。当隧道埋深为Hp时，隧道开挖后，由于洞顶的下沉及下沉岩柱两侧存在摩擦力，使顶部岩土卸载，两侧岩体加载［3］。计算的围岩的破裂角及侧压力系数如表2所示。

表2 围岩破裂角及侧压力系数表

根据规范公式可求得垂直压力q和水平均布侧压力e:

其中，H为隧道埋深，m;h为隧道高度，m;l为侧压力系数;g为围岩重度，kN/m3。

该隧道为三车道隧道，此处确定二次衬砌承担60%的土压力［4］。

3 二次衬砌内力计算

计算采取荷载—结构模型，运用ANSYS10.0，沿隧道纵向取1 m衬砌长度作为分析的对象。用二维梁单元(Beam3)模拟二衬，二次衬砌厚0.6 m。用二维杆单元(Link10)模拟围岩对衬砌的约束效果，设置Link10只受压不受拉(gap单元)。取围岩的弹性抗力K=150 MPa/m。

二次衬砌的力学参数如表3所示。

经计算，二次衬砌的内力分布如图1～图3所示。

根据《公路隧道设计规范》的规定，混凝土偏心受压构件按破坏阶段进行强度验算。由于篇幅有限，本次只选取了具有代表性的单元进行分析，各单元的内力值及安全系数如表4所示。

表3 衬砌力学参数表

图1 轴力分布图（单位：N）

图2 弯矩分布图（单位：N·m）

图3 剪力分布图（单位：N）

表4 典型单元内力值及安全系数表

由计算可知，二次衬砌拱顶、拱肩处受拉控制，其安全系数较小，分别为0.5和0.8，小于规范要求的3.6的安全系数。由于断面扁平率小，拱顶与拱肩截面的弯矩较大，而轴力相对较小，使得该处单元受轴力的偏心距大，受拉区的混凝土首先破坏。墙脚与仰拱处受压控制，安全系数为4.3和4.1，可满足规范要求的2.4的安全系数。

选取拱顶单元45进行应力分析，忽略剪力对截面正应力的影响，截面的外侧边缘正应力计算如下:

正应力远大于C25混凝土的轴心抗拉设计值ft=1 270 kPa，需配筋以提高截面的承载能力。对拱顶单元45进行配筋计算:截面大偏心受压，受压区高度x=187.2 mm，相对受压区高度e=0.34，需采用对称配筋As=As′=1 955 mm2;拱肩单元60为截面大偏心受压，受压区高度x=245 mm，相对受压区高度e=0.45，采用对称配筋 As=As′=936 mm2＜ rmin，bh=1 200 mm2，故采用构造配筋;单元75与单元81截面为小偏心受压，只需构造配筋As=As′=1 200 mm2。S5a 衬砌采用 5Φ25，As=As′=2 454 mm2，二次衬砌结构是安全可靠的［6］。

4 结语

在大跨度浅埋隧道中，由于初期支护施工质量的离散性，二次衬砌的作用就显得更为重要。该隧道现已完成了浅埋段的施工，从现场施工情况来看，二次衬砌结构是安全可靠的，可以承受现阶段的围岩荷载和施工荷载。本文按照《公路隧道设计规范》的相关要求，对该隧道浅埋段二次衬砌进行了检算，结果表明设计的截面尺寸和配筋率是安全合理的。从上述计算中可以得出如下结论:

1)该隧道断面的扁平率为0.68，隧道拱顶的弯矩最大，且偏心距最大。截面的外侧边缘拉应力大大超过了混凝土抗拉设计强度，这证明大跨度小扁平率的浅埋隧道应重点关注拱顶部位。这也从侧面验证了浅埋隧道的破坏一般从拱顶开始。同时拱肩处的负弯矩较大，也应重点关注。

2)二次衬砌结构大部分的截面为受压控制，且安全系数一般较大，均能满足规范的要求，采用构造配筋即可。

3)由于二次衬砌一般在初期支护变形稳定后施作，本隧道所处的围岩并无显著的流变特性，一般也不会有很大的残余变形。故本文按照规范考虑二次衬砌分担60%的土压力稍显偏大，可以将二次衬砌的荷载分担比例适当降低。

［1］ 夏宝祥，程崇国.三车道大断面公路隧道研究现状综述［J］.地下空间，2002(12):67-68.

［2］ 交通部.公路隧道设计规范［S］.

［3］ 王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论［M］.合肥:安徽教育出版社，2004.

［4］ 交通部.公路隧道设计细则［S］.

［5］ 王建宇.隧道设计中数值方法的思考［A］.2008年全国隧道监控量测和反分析专题研讨会议论文［C］.2008.

［6］ 住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范［S］.