米仓山隧道联络风道支护设计优化

张 睿，陶力铭，江俊杰，邓如勇

（1.四川川交路桥有限责任公司，四川 德阳 618300；2.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031）

0 引 言

米仓山隧道处于国家高速公路网G69银川至百色高速公路四川巴中至陕西汉中段，为左右行分离的特长隧道，长约13.8km；设计采用四区段通风方案，地下风机房开挖断面大，联络通道具有长度长、坡度陡、断面变化复杂等特点，且大断面与交叉洞室较多，施工难度极大［1－7］。施工方在施工过程中发现，按原有的设计方案，即风道采用喇叭口形开口，洞身开挖、二衬全部采用变截面施作，将大大增加施工难度，降低施工速度。由于采用变截面以及风道坡度问题，开挖施工和二衬施作都比较困难，需要单独制作模板台车。在现场施工中，根据竖井开挖揭示围岩情况，竖井底部及联络道围岩为较完整石英闪长岩，呈巨块状镶嵌结构或块状整体结构，围岩各项参数达到Ⅱ～Ⅲ级围岩标准，好于风道设计时Ⅳ级情况。在这样的情况下，本文提出联络风道取消二衬、采用喷锚支护作为永久支护的方案。

1 衬砌设计规范要求

《公路隧道设计规范》（JTG D70／2—2014）规定：公路隧道应作衬砌，并根据隧道围岩地质条件、施工条件和使用要求可分别采用喷锚衬砌、整体式衬砌、复合式衬砌，具体要求如表1所示。高速公路、一级公路、二级公路的隧道应采用复合式衬砌，三级以及三级以下公路隧道，在Ⅰ～Ⅲ级围岩条件下隧道洞口段应采用复合式衬砌或整体式衬砌，其他段可采用喷锚衬砌。隧道的衬砌设计应充分发挥围岩的自承能力。另外，衬砌还应该具有足够的强度及稳定性，保证隧道长时间安全运营［8－10］。

表1 规范要求衬砌参数

本项目勘测阶段认为联络通道处在Ⅳ级围岩中，初期设计采用复合式衬砌进行施工，而实际开挖过程中发现此处围岩级别为Ⅱ～Ⅲ级。根据公路隧道规范可知：复合式衬砌的二衬在Ⅰ～Ⅲ级围岩中为安全储备，按构造要求设计；二次衬砌只在Ⅳ、Ⅴ级围岩中作为承载结构，用地层结构法计算内力和变形；另外，参照规范中关于联络通道的衬砌参数，Ⅰ～Ⅲ级围岩中二次衬砌厚度为20cm，即可将二次衬砌作为安全储备。

2 取消二衬后的数值模拟

2.1 数值模型

本文针对变截面风道二衬取消后衬砌结构的受力情况进行研究。首先采用有限元分析软件Midas GTS建立三维模型，分析各隧道开挖过程中应力的变化情况以及衬砌结构受力情况［11－16］。模型三维结构网格如图1所示，风道模型网格如图2所示。模型边界采用自动边界，施加竖向重力加速度9.81m·s－2。限于计算机功能以及模型本身网格体量较大，本次数值计算隧道拱顶覆土厚度约取为100m。实际隧道埋深大约为450m，为实现初始地应力的相似模拟，在隧顶表面施加表面压力，压力大小按350m覆土自重计，约为8 400kPa。根据《公路隧道设计规范》（JTG D70／2—2014）对材料物理力学参数进行设置，采用修正摩尔-库伦模型进行计算。

图1 数值模型网格

图2 联络风道三维结构

2.2 计算结果

联络风道共计有4条，本文以联络风道1开挖支护为例进行计算说明。联络风道的开挖以地下风机房为中线，同时向两边开挖，一次开挖联络风道1的3个部分，如图3所示。

图3 联络风道1开挖支护后围岩位移的变化情况

从图3可以看出，开挖至地下风机房时，围岩变形较之前有明显增大，竖向拱顶沉降达到6.15 mm，仰拱隆起达到6.49mm。施作支护结构后，围岩变形略有增加，拱顶沉降增加6.18mm，仰拱隆起为6.48mm。可见施作衬砌结构后，围岩变形得到了有效控制。

联络风道1开挖支护后衬砌结构的变形情况如图4所示。与地下风机房的交接处位移变形较大，说明联络风道施工对风机房存在较大扰动，同时由于该部分位置缺少支护结构支撑，整体性较差，变形较大，应力集中较为严重。实际施工时，应对柱支撑、设置变形缝等构造措施进行专项设计。

图4 联络风道1开挖支护后衬砌结构三维变形

图5 联络风道1衬砌结构在开挖后所受内力

图5 显示了联络风道1衬砌结构在隧道开挖完成后所处应力状态，可以明显看出，变截面联络风道开挖施工后，作用在衬砌结构上的力较小。内力较大的部位位于两端和主隧道与地下风机房交界的位置。从内力数值看，靠近地下风机房的截面承受最大弯矩处位于拱顶，弯矩值为0.30kN·m，轴力为5.25kN·m－1，计算偏心距为0.057 1m。由于偏心距小于初支厚度12cm，可考虑取消二衬。但由于实际施工过程中连接处一直是施工质量不易控制的位置，必须加强初支与监测，确保施工安全。对于小截面风道，承受最大弯矩为0.15kN·m，轴力为2.84kN·m－1，计算得到的偏心距为0.053m。按设计该截面初支厚度为10cm，故从安全角度考虑，可考虑取消二衬，但必须增加初支厚度。同时，实际工程在施工时应考虑采取一定的辅助施工措施对结构物交界处进行加强，同时优化截面，减少喇叭口的长度。

限于篇幅，其余各联络风道依次开挖对围岩及周围建构筑物的影响不再赘述。这里仅给出所有变截面风道施工完成后围岩三维整体变形，如图6所示。可以看出，联络风道1开挖后，与地下风机房的交接处位移变形较大，意味着联络风道施工对风机房存在较大扰动，同时由于该部分位置缺少支护结构支撑，整体性较差，变形较大，应力集中较为严重。实际施工时，应对柱支撑、设置变形缝等构造措施进行专项设计，同时评估爆破振动、车辆荷载等对结构物变形和稳定性的影响。

图6 联络风道开挖支护完成后的围岩三维变形

提取典型截面内力计算结果，见表2。可以看出，近地下风机房的截面承受弯矩最大，最大弯矩出现在拱顶，联络风道过渡断面和小风道断面的偏心距比较接近矩形构件的允许偏心距，因而变截面联络风道可以考虑取消二衬的施工方法。但由于实际施工过程中连接处一直是施工质量不易控制的位置，实际施工必须加强初支与监测，确保施工安全。根据计算结果，若取消二衬，过度断面初支最小厚度应为20cm，最小风道断面厚度最小应该为18cm；但这个厚度是在加权平均刚度的基础上计算得到的，没有考虑实际运营过程中初支劣化等影响。所以在实际施工过程中，必须适当提高初支喷射混凝土强度，同时增加初支喷射混凝土厚度。

表2 典型截面偏心距计算结果

3 结 语

本文调研了目前规范条例，以及国内外相关工程隧道施工实例，发现在围岩级别较好且满足一定的前提条件，可以考虑取消二衬，用喷锚支护作为永久支护。通过建立三维数值计算模型对联络风道进行模拟，计算了隧道开挖之后的围岩位移、应力变化以及支护结构的受力情况，综合分析了该通风系统取消二衬的可能性，为后一步进行工程应用提供理论支撑。最后得出结论：变截面联络风道和小断面风道可考虑取消二衬，但如只进行喷锚支护，需要对衬砌厚度进行加强，并提高喷射混凝土强度。