大断面隧道仰拱底鼓破坏模式探析

许阳

（中交公路规划设计院有限公司，北京 100010）

1 引言

随着交通网络的逐渐完善，隧道工程的建设也向复杂化、集成化的方向发展，出现了大量的大断面隧道。 相对于普通隧道而言，大断面隧道受力机理复杂，在围岩压力作用下，隧道仰拱容易出现底鼓破坏，影响行车安全性和舒适度。 目前，设计人员在处理大断面隧道底鼓问题时， 主要是参考其他项目的建设经验，对隧道仰拱受力机理和破坏模式理解不够深入，导致仰拱底鼓处治方案不当或偏于保守。 近年来，国内外很多学者也通过模型试验、 数值模拟等方法研究了大断面隧道仰拱底鼓的破坏机理， 但是并没有形成统一的规范或标准来指导隧道仰拱设计[1]。 因此，进一步研究大断面隧道仰拱底鼓破坏具有十分重要的工程价值。

2 大断面隧道仰拱底鼓力学机理

2.1 隧道底鼓影响因素

大断面隧道仰拱底鼓机理复杂，主要受自然环境、人为因素及各种隧道灾害的影响。

2.1.1 自然环境

自然环境对隧道仰拱底鼓的影响主要体现在两个方面[2]：一方面，隧道施工开挖导致围岩应力重新分布。 在应力重分布过程中，靠近隧道结构的围岩切向应力增加，塑性圈半径也不断扩大，导致地形地貌变化而引起隧道仰拱底鼓；另一方面，地下水在仰拱及其下部岩土层中流动， 水流的渗透作用会使仰拱下部岩石出现崩解、膨胀等病害。 如不及时处理，破坏范围还会不断扩大。

2.1.2 人为因素

如果隧道仰拱设计或施工方案不合理， 如仰拱支护结构体系偏弱、仰拱厚度不足、仰拱混凝土振捣不密，会使仰拱支护能力不足。 在围岩压力作用下，推动仰拱及其下部浅层围岩向隧道空间内移动运动，此时浅层围岩会产生滑移、错动等，直至破坏。 浅层围岩破坏后，围岩压力继续向深部围岩传递，最终导致隧道仰拱压曲失稳，即仰拱底鼓破坏。

2.1.3 隧道灾害

对隧道仰拱底鼓影响最大的灾害形式是地震。 在地震灾害中，如果地震波方向和隧道轴向一致，仰拱拉压力较大，易出现断层或塌陷等； 如果地震波方向和隧道轴向以某一角度相交，仰拱会受到挤压剪切作用。 当挤压剪切力＞仰拱横向支撑力，仰拱会失稳形成底鼓。

2.2 隧道底鼓力学机理分析

为了深入探究大断面隧道仰拱底鼓破坏机理， 本文基于“薄板压曲微分方程”对隧道仰拱做出了以下假设：（1）假设仰拱与边墙的连接方式为固结， 两端破坏后仰拱丧失竖向承载能力；（2）假设仰拱是一个厚度均匀简支矩形板；（3）仰拱底鼓是由仰拱所受的垂直力及两端所受挤压力共同决定的。

根据图1 所示的隧道仰拱模型， 推导出了仰拱的临界平衡公式，见式（1）[3]：

图1 隧道仰拱受力模型

式中，D为隧道仰拱的弯曲刚度，N·m；l为隧道仰拱宽度，m；m为正整数；px为隧道仰拱横向荷载临界值，N/m。

3 大断面隧道仰拱底鼓破坏过程和变形规律

3.1 工程概况

本文以某高速公路大断面隧道为研究对象， 利用有限元软件ABAQUS 研究其仰拱底鼓破坏过程和变形规律。该隧道建设标准为双向4 车道，设计速度100 km/h，设计荷载为公路I 级，设计洪水频率为1/100，上、下行分离并列布置，左、右线长度分为1 856 m、1 878 m，左、右线断面面积相同，均为68 m2，属于大断面隧道。 同时，隧道内轮廓为三心圆断面，边墙和仰拱混凝等级均为C30。 根据隧道施工图勘察报告及相关钻孔、勘探数据，该隧道围岩以三叠系泥灰岩为主，隧道主要部位的计算参数见表1[4]。

表1 隧道主要计算参数

3.2 模型建立

利用ABAQUS 中的实体单元模拟隧道围岩，屈服准则选用摩尔-库伦模型；利用梁单元模拟隧道边墙和仰拱，屈服准则选用弹性模型。 隧道模型尺寸取100 m×100 m×100 m，并在模型侧面和底面设法向约束，顶面设置为自由边界。 仰拱加载方式底部加载和侧面加载两种。

3.3 隧道仰拱破坏过程

3.3.1 底部加载

由ABAQUS 软件计算结果可知：当隧道仰拱底部加载应力达到0.10 MPa 时，仰拱中心开始产生竖向裂缝。 随着加载压力的逐渐增加， 裂缝不断扩展延伸。 当底部加载应力达到0.22 MPa，裂缝沿纵向贯通。 底部加载应力达到0.55 MPa，竖向裂缝沿纵向和竖向完全贯通，仰拱呈“W 形”破坏。出现上述现象的原因在于：在仰拱加载期间，其底部承受较大的顶升力（可视为均布荷载），仰拱可简化呈单跨超静定结构。 仰拱中心点的弯矩最大，也是仰拱最脆弱的位置。 当弯矩超过仰拱承载极限，出现张拉裂缝。 随着仰拱底部顶升力增大，张拉裂缝持续发育， 而上部衬砌的存在阻碍了仰拱两侧隆起， 最终形成“W 形”破坏形态。 图2 为大断面隧道仰拱破坏过程示意图。

图2 大断面隧道仰拱破坏过程示意图

3.3.2 侧面加载

仰拱在侧面加载条件下的底鼓破坏形式与底部加载有所不同。 当隧道侧面加载应力达到0.15 MPa、0.28 MPa、0.67 MPa时，仰拱所处状态分别为仰拱中心出现裂缝、靠近拱脚位置出现裂缝、仰拱呈“L 形”“J 形”破坏。 这是因为：在侧向荷载较大的条件下，仰拱所受的水平向轴力增大，导致其出现剪切破坏。

3.4 隧道仰拱底鼓变形规律

一般情况下，大断面隧道仰拱越厚，承载能力越强，越不容易出现底鼓破坏，故仰拱厚度是影响底鼓破坏的重要因素。本文利用ABAQUS 软件计算了仰拱厚度为10cm、20cm、30cm、40 cm、50 cm、60 cm 时，隧道仰拱中心底鼓最大位移，计算结果见图3[5]（图中B1、B2为回归系数）。

图3 不同仰拱厚度下底鼓变形量

由图3 计算结果可知：隧道仰拱厚度为10cm、20cm、30cm、40 cm、50 cm、60 cm 时， 仰拱中心底鼓的最大位移分别为90.5 mm、88.6 mm、86.3 mm、83.2 mm、62.2 mm、42.0 mm。 这说明，随着隧道仰拱厚度的增加，仰拱中心的最大底鼓位移不断减小，但减小速率并不是固定的。 当隧道仰拱厚度＜40 cm，底鼓变形降低速率缓慢；当隧道仰拱厚度≥40 cm，底鼓变形呈骤降趋势。

4 大断面隧道仰拱底鼓控制措施

4.1 隧道施工过程中仰拱底鼓控制

4.1.1 仰拱参数控制

大断面隧道仰拱在施工时， 要严格设计尺寸控制仰拱厚度，不得偷工减料或仰拱厚度过大。 相关研究成果表明，仰拱的宽度变大或减小， 会导致仰拱两端挤压横向临界荷载的急剧变化，故也要严格控制仰拱施作宽度，以免仰拱两端挤压荷载过大。 此外，仰拱混凝土标号、混凝土灌注振捣、混凝土养护、仰拱钢筋间距和长度、钢筋焊接质量等都要满足设计文件的要求[6]。

4.1.2 仰拱修筑时机控制

大断面隧道的仰拱修筑时间应结合监控量测数据确定，在符合应力释放的条件下，尽早施工仰拱，将隧道结构闭合成环。 仰拱尽量修建在二次衬砌之前，以免仰拱修筑影响二衬应力重新分布。 但对于易发生仰拱病害软弱围岩路段，仰拱可以与二次衬砌同时修筑， 以缩短隧道结构闭环时间，保证施工安全。

4.1.3 仰拱开挖方法控制

为了减小仰拱底鼓可能性， 仰拱开挖方法严格遵循设计文件，少扰动、早封闭。 在多台阶开挖时，应根据隧道地质情况决定是否设置临护仰拱；同时，还要搭建仰拱施工便桥，以减小仰拱施工对隧道施工进度的影响。

4.2 隧道运营过程仰拱底鼓控制

如果大断面隧道在运营期间出现底鼓病害， 可通过以下措施进行控制：第一，隧道渗漏水防治。 隧道运营期间定时疏通隧道中心排水沟和洞外排水沟， 减小隧道底部围岩所承受的静水压力，防止其进一步软化。第二，加固拱脚及拱墙。隧道两侧拱脚补充锁脚锚杆，并注浆加固拱墙基础。 第三，更换仰拱。 仰拱如果出现底鼓、错台等，应采用风镐开挖拆除仰拱，清理仰拱基槽，重新浇筑新的仰拱。第四，加强监测。对仰拱底鼓病害区域进行动态观测， 实时掌握仰拱底鼓的发展趋势和加固处理效果。

5 结语

本文研究了大断面隧道仰拱底鼓影响因素、受力机理，并提托某高速公路隧道，利用ABAQUS 软件探讨了仰拱底鼓破坏模式和控制措施，主要得到以下结论：（1）隧道仰拱底会破坏受自然环境、人为因素、地震灾害、火灾等因素影响，且其受力满足薄板压曲微分方程；（2）大断面隧道仰拱底鼓是裂缝不断扩展的结果，在底部加载条件下呈“W 形”破坏，在侧面加载条件下呈“L 形”“J 形”破坏；（3）为了避免仰拱底鼓破坏，大断面隧道在施工期间应控制好仰拱宽度、厚度、施工时机、开挖方法等，运营期间应防治隧道渗漏水、加固拱脚及拱墙，加强仰拱监测。