公路隧道装配式衬砌荷载分担比研究

徐洪彬,李 鹏,谭 忠

（1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司,四川 成都 610041；2.中冶赛迪工程技术股份有限公司,重庆 400013）

引言

国际隧协ITA 统计显示,我国已成为全球隧道数量最多、建设规模最大、发展速度最快的国家。在我国公路隧道建设过程中新奥法得到广泛应用,基于新奥法的复合式支护体系也得到了大量工程的验证,然而现行规范中关于复合式衬砌的荷载分担比例划分仍存在不小争议。根据项目组前期的研究工作[1-3],要在新奥法施工的公路隧道中设计和应用装配式衬砌,明确选择了装配式工艺下衬砌结构的荷载分担比例势在必行。

本研究通过分析现场实测监测数据,结合数值仿真分析并开展大量文献调研对山岭公路装配式隧道衬砌结构的结构荷载分担比例展开研究,分析了在采用钻爆法进行开挖施工时,单洞两车道山岭公路隧道的二次衬砌结构在不同围岩地质等级等情况下的荷载分担关系。

1 支护结构相互关系

1.1 装配式二次衬砌荷载分担比例的影响因素

新奥法理论指导下,钻爆施工后需及时施作初期支护,初支具有一定柔性,能够与围岩共同变形、共同承载,起到发挥围岩自我承载能力的作用。初支与二次衬砌之间主要传递径向力,实现了类似叠合梁结构的承载模式。围岩、初支与二次衬砌共同构成了抵抗围岩变形的承载体系,明确具体的荷载分担比例是指导结构设计以及现场施工的重要依据。

通过调研国内大量工程实例,山岭公路隧道工程中装配式衬砌结构的应用并不广泛,且应用结构的受力模式与传统现浇衬砌结构相差较大。根据现有山岭公路隧道工程实际施工经验,伴随着掌子面开挖后,会发生围岩应力重分布,释放围岩荷载的承载体与施工工艺相关度较高（即与衬砌支护结构施作时间、支护结构形式相关）。不同施工阶段期,承载围岩压力的主体不同,围岩、初支结构与二衬结构的荷载分担系数也不相同。这是一个极为复杂的变化过程。通过调研,二衬结构的不同位置在建设周期内都承担了一定比例的荷载。在实际施工、营运期间,围岩、初期支护以及二衬的荷载分担系数应根据实际工况具体分析。受衬砌条件等影响的同时,荷载分担比对衬砌厚度与结构刚度有一定的影响,且施作时机和支护参数对结构的设计有一定的指导意义。二衬结构荷载分担比对确定二衬厚度有指导意义。围岩分级与二衬施作时间对荷载分担比有较大影响。二衬施作时间也直接受到围岩等级的影响。

本研究以山岭公路隧道工程施作为出发点,选择不同围岩级别下,研究采用不同装配时机（同步装配、贯通装配、滞后装配）下、不同工况下,衬砌结构的荷载分担比。

1.2 荷载分担比的研究方法

目前,二衬荷载比的研究方法多通过实测层间接触压力并通过计算得到比例系数：通过在初支与围岩间设置压力盒,在初支与二衬间设置压力盒,分别测得围岩- 初支接触压力、初支- 二衬接触压力,完成测得一个或多个横断面的围岩与衬砌结构的压力数据后,将二衬荷载分担比定义为初支二衬接触压力与围岩初支接触压力的比值,用符号G 表示。为使取值更加精确,取多个测点的数值的平均值。

2 荷载分担比研究

2.1 统计分析

查阅大量工程实例及文献查阅[4-10]总结提出不同工况下的二次衬砌荷载分担比。

表1 中工况均为属于或接近深埋断面、滞后装配的情况。分析可知,在滞后装配以及深埋断面的工况条件下,二衬荷载分担比值具有以下特征：

表1 二次衬砌荷载分担比统计

（1） 当围岩等级为Ⅲ级时,二衬荷载分担比值在10%～30%。

（2） 当围岩等级为Ⅳ级时,二衬荷载分担比值在20%～50%。

（3） 当围岩等级为Ⅴ级时,二衬荷载分担比值在20%～80%。

由于实际工程现场难以进行变量控制细化分类,因此二衬荷载分担比结果值较为离散,结论有一定偏差,且与规范有一定偏差。

2.2 工程实测分析

2.2.1 工程概况

以华丽高速公路某隧道工程为依托项目。隧道采用新奥法进行施工,隧道内轮廓设计采用三心圆断面。一般情况下,围岩等级为Ⅲ级时,应采用全断面法施工；围岩等级为Ⅳ级、Ⅴ级时,应采用台阶法。采用喷射混凝土的方式进行初支浇筑,待围岩变形值趋于稳定后,进行二衬的浇筑。隧道支护设计参数见表2。

表2 隧道支护设计参数

分别在级别为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级的围岩中选择多组断面布置测点埋设压力盒以测得围岩压力。测点位置设置在拱顶、两侧拱腰及两侧边墙共计单环断面布置5个压力测点。

2.2.2 工程应用效果分析与评价

（1） 实测值与经验值对比 根据“公路隧道设计规范”提供的经验公式,计算得到围岩压力数值。将计算得经验值与实测围岩压力进行对比。

分析表3 可知,计算得经验值均大于实测值,原因由以下几点：① 围岩承载后发生形变并分担部分压力；② 由于隧道开挖断面的存在,围岩压力得到释放。因此实测值并非围岩压力的全部数值,导致实测值小于经验值。这也验证了“公路隧道设计规范”经验公式的适用。

表3 围岩压力统计

（2） 二衬荷载分担比分析 以实测监控数据为依据,对二衬荷载分担比展开研究。选取不同围岩级别下,通过压力盒采集到的具有代表性的3 组断面数据作为标本进行分析。

由表4 可知,隧道二次衬砌的荷载分担比例随围岩等级的增加而增大。

表4 实测隧道二次衬砌荷载分担比统计

2.3 二次衬砌荷载分担比例数值模拟

2.3.1 计算模型与参数

（1） 基本假设 本研究采用地层结构法展开分析。为便于建模,减少计算量,提出以下计算假定：围岩本构选取莫尔- 库伦准则,认为围岩为均质体且各向同性；认为地下水处置得当,隧址区已无地下水；设定隧道形式为分离式,故仅建立单洞模型进行仿真分析。

（2） 计算模型 模型见图1。隧道洞径宽10.9 m,高7.05 m。为模拟衬砌与围岩的相互作用,在衬砌与围岩网格间设置接触,同时方便在后处理中提取接触压力值。

图1 有限元模型网格图

计算工况主要考虑多种影响因素,如围岩级别等。设置三种不同围岩级别的工况。并按照公路隧道设计规范,按梯次设计力学参数。分析工况累计设置80 种。

2.3.2 计算结果分析

模拟得到不同工况下的二衬荷载分担比例,分析结果见表5。

表5 二次衬砌荷载分担比模拟分析结果

（1） 拱顶部位的二次衬砌荷载分担要小于拱腰和边墙位置的荷载分担。

（2） 采用同步装配的二次衬砌的荷载分担比接近于1。因此应根据具体围岩情况选取合适的装配时机。

（3） 与浅埋工况下相比,深埋工况下,二衬荷载分担比较小。

2.4 装配式衬砌荷载分担比建议值

本研究根据现场实测数据,加以广泛的文献调研等,提出不同围岩级别、不同施工工艺下支护结构力学响应及衬砌的荷载分担规律,现提出装配式衬砌荷载分担比建议值见表6。

表6 二次衬砌荷载分担比建议值

3 结论

（1） 装配式二次衬砌荷载分担比的影响因素为围岩级别、二衬施作时间、衬砌参数等。

（2） 确定了装配式二次衬砌荷载分担比的研究方法和计算公式。通过对比经验值与实测值的大小,验证现行规范经验公式的合理适用。

（3） 总结提出装配式衬砌荷载分担比设计建议选用值。