水下隧道二次衬砌支护时机及力学效应研究

周小杰，张志强

(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)

近年来，随着公路交通事业的迅猛发展，我国对交通隧道的建设需求越来越迫切，各种水下隧道也在不断涌现。作为公路隧道的重要组成部分，相较一般地面隧道，水下隧道具有保护环境与水质、综合造价较低、对周围环境影响较小的特点，并能较好地抵抗自然灾害的影响。

隧道在施工和运营期间承受着极大的围岩压力，需要施作支护来确保隧道结构的稳定与安全。其中，二次衬砌施作时机的过早和过晚都会对隧道产生严重影响。为此，学者针对二次衬砌的施作时机进行了相关研究，如Wang[1]等人以Shiziyang隧道为背景，采用相似模型试验，对二次衬砌在不同施工时间的荷载变化特征进行分析；刘维宁[2]等人将地铁车站二次衬砌施作时机分为横通道开挖前后两种方案，采用FLAC 3D有限差分软件对两种方案进行比对分析；李克伟[3]针对高速公路中新奥法施工的隧道，监测施工期围岩变形，给出在不同级别下合适的二次衬砌施作时间；马明[4]等人针对高速公路软弱变质片岩隧道，采用改进的Burgers粘弹塑性蠕变模型对隧道衬砌受力进行分析，确定隧道二次衬砌合理的施作时机；刘志春[5]等人以具有软岩大变形特点的乌鞘岭隧道工程为例，根据计算所得的极限位移、弹性位移和实测变形值，提出在不同大变形级别下的二次衬砌施作时机的两个判别指标；陈军[6]等人对采用双侧壁导坑法施工的隧道进行数值模拟，研究了二次衬砌与掌子面距离对隧道稳定性的影响。

水下隧道由于其特殊性，对其支护结构的施作时机相较一般隧道要求更高，目前就水下隧道施工二次衬砌施作时机的研究较少。基于此，本文以某水下公路隧道山岭段为依托工程，采用大型通用有限元分析软件ANSYS对水下隧道二次衬砌施做的时机进行研究，以期为类似水下隧道的设计和施工提供参考。

1 数值模拟及参数选取

本文根据依托某水下公路隧道山岭段工程的实际情况，采用有限元分析软件ANSYS来进行工程数值模拟。模型采用荷载—结构法，隧道洞径为11.6 m，洞高为9.42 m，初期支护和二次衬砌分别采用C25和C45混凝土，具体物理参数见表1。

表1 支护结构计算参数

隧道所处地层为软弱围岩，围岩级别为V级，且存在构造破碎带。本工程的水下隧道采用台阶开挖留核心土法施工，开挖循环进尺为2 m。某水下公路隧道山岭段的具体施工顺序如图1所示。

图1 隧道施工顺序

2 围岩形变压力计算

隧道开挖引起的围岩变形在支护结构的限制作用下会产生形变压力，形变压力引起变形具有变形速度慢且持久的特点，使其与二次衬砌施作时机紧密相关。采用卡斯特纳公式计算其中的形变压力。在圆形断面下卡斯特纳公式如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：R为塑性区半径；a为隧道开挖尺寸；ξ为塑性系数；p0为初始地应力;φ为围岩内摩擦角；c为围岩粘聚力；pi为围岩塑性形变压力。

由于本工程水下隧道截面为马蹄形，为计算马蹄形断面的围岩形变压力，故采用如式(4)所示的断面形式转换公式：

(4)

式中：B为断面跨度；F为洞身高度。

根据式(1)～式(4)，联立计算可得围岩在水下隧道施工中的形变压力大小为164.779 kPa。

3 不同支护工况设置

为计算作用在二次衬砌上的围岩压力，将地层—结构法计算得到的作用在初支上的松散压力，与卡斯特纳公式计算所得的围岩塑性形变压力一起施加到隧道初支和二次衬砌的荷载结构模型上，进行计算。其中荷载结构模型如图2所示。

图2 支护结构计算模型

为研究隧道结构在不同二次衬砌施作时机下的围岩压力的影响，根据不同时机下荷载的释放程度，选取三个典型的支护时机：荷载无释放、荷载释放60 %及荷载释放80 %，分成三组工况。三组荷载释放率所对应的工况如表2所示。

表2 不同支护时机对应工况

4 计算结果分析

4.1 二次衬砌结构轴力

不同施作时机下二次衬砌轴力，如图3所示。

(a)工况一

由图3可以看出，当荷载释放率为80 %(工况三)时，此时二次衬砌只承担20 %的围岩压力，隧道二次衬砌结构截面内部的轴力最小，轴力的变化范围为205.93～305.47 kN，最小值出现在拱顶处。随着荷载释放率的减小，二次衬砌承受的围岩压力逐渐增大，二次衬砌结构内部的轴力也在不断增大，当荷载不释放(工况一)时，在隧道二次衬砌结构截面内部的轴力达到最大，其轴力的变化范围为967.69～1 320.42 kN，在墙脚处出现最大值。

4.2 二次衬砌结构弯矩

不同施作时机下二次衬砌弯矩，如图4所示。

由图4可以看出，当荷载释放率为80 %(工况三)时，隧道二次衬砌截面内部的弯矩最小，其变化范围为-42.29～85.11 kN·m，最小值出现在拱肩处。随着荷载释放率的减小，二次衬砌承受的围岩压力逐渐增大，二次衬砌弯矩逐渐增大，当荷载不释放(工况一)时，在隧道二次衬砌截面内部的弯矩也达到最大，其弯矩的变化范围为-189.57～274.33 kN·m，在墙脚处出现最大值。

4.3 二次衬砌结构安全系数

根据图3和图4所示的数据，依据JTGD 70-2004《公路隧道设计规范》计算在不同施做时机下二次衬砌结构的安全系数如图5所示。

计算得到隧道二次衬砌各关键部位安全系数，如图5所示，从中可看出，在不同工况下安全系数最小值均出现在墙脚附近。荷载释放率为80 %时，隧道二次衬砌各部位安全系数最大，其中最小安全系数为7.02，远高于规范规定的安全系数临界值，因此此时隧道二次衬砌结构安全。随荷载释放率逐渐减小，可以看到二次衬砌各部位安全系数随之变小，在荷载不释放(工况一)时，可以看到此时二次衬砌结构的最小安全系数2.59已临近规范给定的安全系数临界值2.4，可以推断在荷载不释放情况下隧道二次衬砌结构极有可能发生破坏，需在墙脚等关键部位附近采用额外的加固措施。

(a)工况一

(a)工况一

5 结论

本文计算了作用在隧道截面的形变压力，并采用数值模拟，对水下隧道在不同二次衬砌施作时间下的二次衬砌结构的轴力、弯矩和安全系数进行计算和分析，得到了以下结论：

(1)水下隧道的二次衬砌结构受力计算应综合考虑围岩的松散压力和形变压力。

(2)在不同的二次衬砌施作时机下，当隧道开挖后直接施作支护时，二次衬砌结构的内力最大。随着围岩荷载释放率的增大，二次衬砌结构的轴力和弯矩随之逐渐减小。

(3)在荷载不释放的情况下快速施作二次衬砌支护，将会使二次衬砌存在结构破坏的风险；过分释放围岩荷载又必然存在隧道结构变形过大的隐患。因此在水下隧道施工过程中，应在释放一定的围岩荷载后再施作二次衬砌，以保持适当荷载释放率，有效提高二次衬砌结构的安全系数，确保水下隧道的稳定与安全。