通透肋式连拱隧道结构分析与工程应用

尤 吉，余 飞

(1. 安徽交通控股集团有限公司，安徽 合肥 230088； 2. 中国科学院 武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071)

0 引 言

在当前高速公路生产建设活动中，对生态保护的要求日趋严格。因此，山区高速公路设计方案的考虑除需综合比较分析地形、地质、造价等多种因素外，生态设计显得尤为重要[1]。对于傍山线路设计方案的选择，浅埋傍山隧道方案与深挖路堑方案相比，因其较低的高切坡施工风险及较小的植被破坏性，在设计中被广泛采用。然而，浅埋傍山隧道因其洞顶覆盖层薄、洞身承受显著偏压荷载，洞室开挖影响范围波及到地表，很容易造成隧道塌方或大面积植被破坏[2-6]。肋式拱梁隧道由拱顶山坡横向管棚支护体系和肋式拱梁结构有机组成，最大程度地避免了山体的切削和植被破坏，整体结构简洁美观，节能环保，具有很好的推广应用价值[7]。笔者以南山隧道为工程背景，在肋式拱梁隧道的基础上提出了一种通透肋式连拱新式环保型傍山隧道结构。该结构与肋式拱梁隧道结构相比，适应了大跨度及双线通行隧道需求[8]，在对洞顶山坡变形进行主动控制的条件下，采用连拱肋式衬砌形成封闭的承载圈，保证了隧道结构安全稳定，最大程度地避免了山坡开挖，可实现工程安全建设以及与自然环境的协调。

1 南山通透肋式连拱隧道建设方案

1.1 工程背景

南山隧道位于国家高速公路网中G35(济广高速)上池州市东至县南山林场，东至县为国际旅游文化示范区，素有“尧舜之乡”的美誉。全县生态环境优良，湿地面积为2.24万公顷，占县域面积的41.54%，享有“湿地之城”的美誉。南山崇山峻岭，小丘绵延，金属矿产地主要有花山锑金矿、黄柏金矿、花山铁矿等，其冶金白云岩、建筑石料用白云岩资源储量较大[9]。当地气候属亚热带季风性气候，具有雨热同期、雨量充沛、气候温和湿润、春秋较短、冬夏较长的特征。南山植被茂密，野生动物资源丰富，有扇尾沙雏、金翅鹤等珍稀鸟类达二十多种。当地植茶历史悠久，茶文化丰富多彩，是安徽皖南的主要茶区，其中“千两朱兰茶”和“祁门红茶”远销国外，植茶经济是当地居民主要经济来源。

南山隧道穿越的山体地形陡峭，植被茂密，路线傍山而行。如采用传统的路堑或棚洞方案，将不可避免地大规模破坏山体，给当地茶植经济带来较大损失。如采用普通隧道方案，由于洞顶覆盖层薄、围岩类别低，洞身承受显著偏压荷载，洞室开挖容易发生塌顶露空，且支护和后期维护费用较高[10]。为满足当地政府“最大程度保护环境，最小程度破坏山体”的建设要求，提出了通透肋式连拱隧道设计方案，如图1。

图1 南山隧道设计方案Fig. 1 Design scheme of Nanshan Tunnel

1.2 通透肋式连拱隧道结构设计

通透肋式连拱隧道是根据浅埋偏压隧道的受力特点提出的一种新型嵌入式洞室结构[11-13]，其主要结构部件包括：①拱顶地梁；②肋式拱梁；③拱脚基础；④内外侧衬砌结构；⑤仰拱；⑥拱顶和拱脚锚固系统；⑦中导洞；⑧中隔墙及其衬砌；⑨防落石挡块。结构组成如图2。

南山隧道按双向四车道高速公路设计，净宽10.75 m，净高5.0 m，全长164 m。隧道围岩级别为V级，主要为强风化及少量中风化变质砂岩。K27+472～538段山体横坡坡率约1：1.25，隧道采用通透肋式联拱隧道结构；K27+538～636段采用普通连拱隧道结构。隧道中隔墙中心线处最大埋深约40 m，位于K27+590处。

图2 通透肋式连拱隧道结构Fig. 2 Structure of permeable ribbed multi-arch tunnel

隧道右洞采用传统的整体暗埋封闭结构，左洞临谷一侧采用开窗肋梁结构。肋梁起讫两端采用160 cm(纵向)×105 cm(横向)尺寸，其余均采用120 cm(纵向)×105 cm(横向)尺寸，肋梁布置间距为6 m。肋梁顶端设置纵向暗梁作为结构传力系统，肋梁底设置钢筋混凝土条形基础。中隔墙结构最薄处厚度为2.3 m，中隔墙采用3层施工以利于防排水。隧道衬砌采用柔性支护体系的复合式衬砌，肋式衬砌设计参数见表1。

表1 肋式衬砌支护设计参数Table 1 Design parameters of ribbed lining support

2 通透肋式连拱隧道受力特征与结构稳定性分析

为验证该设计方案的可行性，在南山隧道隧址区地形地质条件下，对通透肋式连供隧道结构进行了有限元分析，计算总结了隧道围岩、结构物受力变形特征及关键结构的强度稳定性，为该型隧道的施工提供参考。

2.1 计算模型

由于岩体参数的不确定性和工程结构的复杂性，为确保工程的安全，围岩的计算参数取值较为保守，围岩及结构物力学参数如表2。

表2 围岩与结构物力学参数Table 2 Mechanical parameters of tunnel structure and surrounding rock

选取开挖面积较大的DK27+540作为计算剖面，有限元分析网格如图3，计算范围取为：左边界离隧道距离为连拱隧道跨度的3～4倍以上，右边界取至坡脚沟谷内。左右边界均采用X方向位移约束，底部边界采用Y方向位移约束，其余各边为自由边界，无约束。有限元模型共划分为3 651个单元，3 531个节点。分析中，对肋式拱梁的刚度按结构尺寸的比例进行等效，即按肋式拱梁的纵向宽度(1.2 m)与间距(6 m)的比例关系进行等效。

图3 选取断面有限元网格Fig. 3 Finite element mesh of the selected section

考虑两种开挖方案进行计算分析，可知：①先暗后明方案：开挖内侧洞室后进行肋式拱梁施做；②先明后暗方案：肋式拱梁施做完成后开挖内侧洞室。

2.2 受力与变形对比分析

对于两种开挖方案，围岩拉压应力最大值均出现在左右洞室开挖完成、后开挖洞室尚未施做衬砌层的工况下。先暗后明开挖方案围岩最大拉压应力均大于先明后暗开挖方案，但两者差异较小，不同开挖顺序对围岩的受力变形影响不大。内侧洞室拱顶围岩处拉应力较大，为0.17～0.43 MPa；内侧洞室与中导洞交接处围岩出现应力集中，压应力较大，为1.11～3.65 MPa，如图4、图5。分析得知，隧道的开挖可能会导致拱顶山坡出现贯通至地表的楔体滑移。因此，在开挖前，对山坡岩体进行主动变形控制是必须的。

图4 围岩主拉应力分布Fig. 4 Principal tensile stress distribution of surrounding rock

图5 围岩主压应力分布Fig. 5 Principal compressive stress distribution of surrounding rock

对两种开挖方案下隧道中隔墙受力变形进行计算分析，结果见表3。

表3 围岩与结构物力学参数Table 3 Mechanical parameters of tunnel structure and surrounding rock

在先暗后明开挖方案中，内外侧洞室开挖完成且未施做外洞衬砌层及肋梁时，中隔墙拉应力区主要出现在中隔墙底板，如图6，整个墙身均受压，最大压应力位于墙身外侧弧线段；先明后暗开挖方案中，中隔墙拉顶板及内侧弧线段均出现拉应力，最大压应力位于中隔墙拱顶内侧，但此应力集中区域较小，几乎集中于弧线段拐点处。

图6 中隔墙主拉应力分布(先暗后明方案)Fig. 6 Principal tensile stress distribution of mid-partition wall (“first dark then bright” scheme)

两种方案中隔墙顶段及墙身以水平位移为主，向山坡外侧变形，而中隔墙底端向山坡内侧洞室变形，整体变形并不协调，墙身承受较大的弯矩，中隔墙应进行强度稳定性验算。

对两种开挖方案下隧道肋梁受力变形进行计算分析，肋梁弧线段外侧主要受拉，弧线段内侧压应力较大，出现应力集中。方案1中拉应力最大值为0.572 MPa，压应力最大值为1.09 MPa。方案2中拉应力最大值为0.94 MPa，压应力最大值为1.64 MPa。两种方案下，肋梁整体向山坡外变形，以水平位移为主，变形趋势基本协调，见图7。对比两种开挖顺序完工后肋梁的受力变形情况可知，先暗后明开挖顺序下肋梁的拉压应力水平明显较小，考虑肋梁结构的安全性，先暗后明方案优于先明后暗方案。

图7 肋梁位移矢量 Fig. 7 Displacement vector diagrams of ribbed beam

2.3 结构强度稳定性分析

为确保该型隧道施工过程中的安全稳定，笔者对两种不同开挖方案下的隧道结构强度稳定性进行了计算分析。

计算了导洞初期衬砌层结构的轴力、剪力、弯矩，结果见表4。

表4 中导洞分析断面结构内力计算值Table 4 Internal force calculated values of middle pilot analysis section structure

结果表明，中导洞初期衬砌层上剪力和弯矩值均较小，虽然轴力稍大，但小于混凝土抗拉压强度值，采用20 cm厚的初期衬砌层，截面强度稳定性满足要求。

对两种不同开挖方案下内侧洞室衬砌结构进行内力计算，计算结果见表5。

由表4、表5可知，右洞开挖后，衬砌层与中隔墙连接段的拱腰位置轴力和弯矩均较大，这与应力分析结果吻合，见图8、图9。对比两种方案，先暗后明方案下，右洞断面结构内力均小于先明后暗方案。

图8 右洞分析断面弯矩分布Fig. 8 Bending moment distribution of right hole analysis section

图9 右洞分析断面轴力分布Fig. 9 Axial force distribution of right hole analysis section

对两种不同开挖方案肋梁结构进行内力计算，计算结果见表6。对比两种方案，先暗后明方案下肋梁结构内力较小，这主要是因为该异型连拱隧道处于偏压地段，先期开挖内侧洞室，释放部分围岩松弛压力，再开挖外侧洞室施做肋式拱梁，可降低该关键结构部件的应力水平，有利于整体结构的稳定。

表6 肋梁分析断面结构内力最大值计算Table 6 Section internal force of the right tunnel

3 结 语

南山地质条件复杂，通透肋式连供隧道边界效应显著，其结构型式和承载模式与传统傍山隧道存在差异。利用有限元计算模拟隧道开挖过程，与建立结构荷载模型计算结构内力相比较，施加在相应节点上的节点力分步施加在结构物上，较好地模拟了开挖过程中洞室围岩自重应力释放过程。有限元数值模拟计算结果反应了隧道开挖过程中的真实受力情况，可为该种隧道结构分析提供一定参考。

分析可知，通透肋式连拱傍山隧道的施工，推荐采用先暗后明方案，因先期开挖内侧洞室，可释放部分围岩松弛压力，结构物应力水平较低。

1)由于中隔墙顶板围岩及内侧洞室拱顶围岩塑性区有向坡面延伸的趋势，在地质条件变化路段或存在不利的岩体节理面时，在洞室开挖施工前，对山坡岩体进行加固是必须的，建议加固深度和范围与内侧洞室锚固区有效衔接。

2)内侧洞室开挖后，中隔墙底板会出现较大的拉应力区，建议在中隔墙底板上布置锁脚锚杆。

3)外侧洞室开挖后，中隔墙顶板围岩出现塑性破坏区，建议对中隔墙顶板围岩进行局部加固。

4)考虑到肋梁与边墙、围岩搭接部位的剪应力较大，建议边墙顶端预埋锚固钢筋，在肋梁顶端与围岩搭接部位，增设放射状锁脚锚杆，保证搭接部位抗剪强度稳定性要求。

相较于单洞隧道而言，由于刚度较大的中隔墙分担了主要的松弛压力，肋式拱梁的应力水平有调节作用。进行局部加强支护后，隧道围岩及结构的稳定性能够得到充分保证。工程实施中，需进行拱顶山坡强支护后，再进行洞室围岩的开挖和结构物施作：沿线路走向的拱顶山坡面上布置5～6排注浆钢管及5～10排注浆小导管，注浆管以水平向下倾斜25°的角度钻入，钻孔轴线与线路走向正交，水泥砂浆通过注浆孔充填注浆管与岩层之间的缝隙及围岩内部裂隙，共同起到加固拱顶边坡岩层的作用。为减少下部基础不均匀沉降、控制山体变形，肋梁底部设置钢筋混凝土条形扩大基础，基础宽3.0 m、高2.5 m，为台阶形钢筋混凝土结构，沿线路纵向通长布置，其底部设有长5 m、Φ50 mm×5 mm的注浆小导管，采用梅花形布置，管心间距1 m。

该型隧道结构研究的依托工程南山隧道的顺利建成(图8)，验证了笔者设计方案和计算分析的可行性及正确性。通透肋式连拱隧道的设计修建，在最大程度上保证了当地生态原样性，为我国傍山隧道结构选型提供新的思路的同时，显著降低了傍山道路设计选线的难度。

图10 南山隧道Fig. 10 Nanshan Tunnel