某二级路上跨既有隧道的衬砌结构稳定性探讨

谭世君

(湘西土家族苗族自治州交通规划勘察设计院，湖南 吉首　416000)



某二级路上跨既有隧道的衬砌结构稳定性探讨

谭世君

(湘西土家族苗族自治州交通规划勘察设计院，湖南 吉首416000)

某二级路上跨既有高速公路白山隧道，上跨区域内隧道埋深浅且围岩较差，隧道顶部二级路车辆荷载对隧道结构不利。分别采用地层结构法、荷载结构法对隧道衬砌进行计算，得出隧道衬砌的应力、安全系数，结果表明隧道衬砌应力在安全范围之内，衬砌安全系数也比规范值大，说明隧道衬砌结构是稳定的，对类似工程有一定的借鉴意义。

；上跨；隧道；衬砌；稳定性

1　工程概况

某二级公路设计速度为30 km/h，路基宽度为7.5 m。二级公路K8+900～K8+945段上跨某高速公路白山隧道，白山隧道于2010年通车。白山隧道按双向四车道高速公路连拱隧道设计，隧道建筑限界按设计速度80 km/h确定。上跨段隧道埋深3.6 m，围岩以强风化白云岩为主，见地质纵断面图1、图2。隧道顶部公路荷载为公路-Ⅱ级车道荷载，由于该段隧道埋深较浅且围岩较差，隧道顶部车辆荷载对隧道结构不利。本文分别采用地层结构法、荷载结构法对隧道衬砌进行计算，得出隧道衬砌的应力、安全系数，并与规范值进行对比，以此评价隧道结构的稳定性。

图1　地质纵断面

图2　现场照片

2　既有隧道衬砌设计

隧道建筑限界见图3，该段围岩为Ⅴ级，采用了S5a衬砌，见图4所示。

隧道衬砌要承受围岩及上方公路车辆荷载，这对隧道结构不利，甚至会影响高速公路的正常运营，因此有必要对隧道衬砌进行稳定性分析。

图3　建筑限界(单位；cm)

图4　S5a衬砌(尺寸单位；cm)

3　隧道衬砌结构稳定性分析

3.1隧道衬砌应力分析

采用地层结构法计算，并考虑结构自重，根据隧道规范，在Ⅳ级围岩中荷载释放系数可以考虑为：围岩及初期支护承担45%，二次衬砌承担55%。隧道埋深按3.7 m考虑，车辆荷载按公路-Ⅱ级车道荷载考虑，均布荷载标准值q=7.9 kN/m，集中荷载标准值P=220 kN。

3.1.1计算模型及参数

采用midas数值计算软件对隧道进行计算，围岩为强风化白云岩。计算中二次衬砌、初期支护采用实体单元模拟，本构关系为弹性；围岩采用实体单元进行模拟，本构关系为摩尔-库伦。

围岩参数按隧道地质资料进行取值，衬砌结构参数采用等效原则换算，具体材料参数见表1所示。

表1 材料参数表材料单元类型模型类型弹性模量E/MPa泊松比v容重γ/(kN·m-3)容重(饱和)/(kN·m-3)粘聚力c/MPa摩擦角ϕ/(°)二次衬砌实体单元弹性320000.226———强风化白云岩实体单元摩尔库伦50000.3522230.340初期支护实体单元弹性230000.224———中隔墙实体单元弹性310000.225———

计算模型：埋深为3.7 m：计算模型宽65 m，高29 m，见图5所示，边界条件为左右固定、底部固定。

3.1.2计算结果及评价

通过计算得出隧道衬砌的初期支护及二次衬砌、中隔墙的竖向应力值，见图6～图8所示。

从图6中可以看出，初期支护最大应力发生在拱墙正侧部，为压应力，最大值为0.93 MPa，初期支护为C20喷射混凝土结构，根据隧道规范，C20喷射混凝土弯曲受压及偏心受压容许应力为7.8 MPa；从图7、图8中可以看出，二次衬砌最大压应力发生在拱脚内侧，为2.3 MPa，中隔墙最大压应力发生在墙体中部，为0.998 MPa，二次衬砌及中隔墙均为C25钢筋混凝土结构，根据规范，C25混凝土弯曲受压及偏心受压容许应力为9.6MPa。衬砌最大应力值见表2所示。

图5　计算模型

图6　初期支护竖向应力

图7　二次衬砌竖向应力

图8　中隔墙竖向应力

表2 衬砌竖向应力隧道埋深/m材料最大应力/MPa发生的位置容许应力/MPa3.7初期支护(C20喷射混凝土)0.93拱墙正侧部7.8二次衬砌(C25混凝土)2.3拱脚内侧9.6中隔墙(C25混凝土)0.998墙体中部9.6

从表2中可以看出，隧道衬砌最大应力值均比容许应力要小，因此隧道衬砌结构是安全的。

3.2二次衬砌安全系数

采用荷载结构法对隧道二次衬砌进行计算，得出衬砌弯矩、轴力，根据隧道规范公式求出衬砌结构每个单元的安全系数，并与规范值进行对比，以此评价衬砌结构的稳定性，见以下公式：

式中：K为计算所得安全系数；K规为规范值安全系数，达到极限抗压强度的安全系数为2.4；φ为构件纵向系数，隧道衬砌取1；Ra为混凝土极限抗压强度，取19 MPa；α为轴力的偏心影响系数，按经验公式α=1-1.5 e/h确定；b为截面宽度，取1 m；h为截面厚度，由于二次衬砌的厚度为50 cm，因此，h取0.5 m。

3.2.1计算参数

汽车荷载等级：公路-Ⅱ级；覆土情况：覆土高度根据实际计算断面确定；覆土饱和重度γ0：22 kN/m3；土压力计算参数：竖向压力p0=γH；侧压力：e=p0δ；侧压力系数：δ=tan2(45°-Φ/2)=0.217 2；土的加权平均内摩擦角：Φ=40°；基底反力系数：结构底板位于白云岩中，取平均值20 MPa。

荷载组合：对于隧道结构上可能同时出现的荷载，按承载能力和满足正常使用要求的检验分别进行组合，并按最不利组合进行设计。按承载能力要求验算时采用荷载基本组合，恒载组合系数为1.35，基本可变荷载组合系数为1.4。隧道埋深按3.7 m考虑，车辆荷载按公路-Ⅱ级车道荷载考虑，均布荷载标准值q=7.9 kN/m，集中荷载标准值P=220 kN。

3.2.2计算模型

计算模型及边界条件见图9所示。

图9　计算模型及边界条件

通过计算可以得出各单元的弯矩及轴力图，见图10、图11所示。

图10　单元弯矩

通过计算可以得出衬砌结构单元的安全系数，为了节约篇幅只列出拱脚关键单元安全系数，见表3所示。

图11　单元轴力

从表3中可以看出，拱脚关键节点的安全系数均大于2.4，其它单元的安全系数也均大于2.4，表明衬砌结构在安全范围之内。

表3 拱脚关键单元安全系数单元编号弯矩/(kN·m)轴力/kNe0.2h/mN极限/kN安全系数14041-145.3-3800.3821-1397.53.6714042-143.8-386.10.3721-1114.612.8814063-145.3-365.90.3971-1817.444.96

4　结论及建议

采用地层结构法对隧道衬砌应力进行验算，衬砌最大应力值均小于规范容许应力值；对二次衬砌单元进行安全系数验算，安全系数均大于2.4，满足规范要求。衬砌应力、安全系数的结果均表明隧道衬砌是安全的。在隧道上方二级公路施工过程中，建议如下；①在道路两头布置交通标志，限速通行；②确保道路左侧防撞护栏的稳定，防止车子侧翻，保证高速公路正常行车安全；③加强路基边沟排水；④定期对白山隧道进行健康监控。

[1]仇文革.地下工程近接施工力学原理与对策研究[D].成都：西南交通大学，2003.

[2]张玉军，刘谊平.上下行隧道立交处围岩稳定性的有限元计算[J].岩土力学，2002，23(7)：511-515.

2016-03-24

谭世君(1983-)，男，工程师，主要从事公路施工与设计方面的工作。

；1008-844X(2016)03-0177-04

；U 455.91

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