超大跨径隧道围岩侧压力系数研究

    樊一凡 曹贵银 梁杨 刘宗韩 陈静松

    摘 要：随着西南地区的大力开发，交通流量迅速增长，大跨度深埋隧道成为这些多山、构造复杂地区新的发展趋势，而施工设计中关于围岩压力的重要参数——侧压力系数在现有规范中并没有具体到不同的隧道跨径，可供参考的工程资料也寥寥无几，即使是原位测试也很难反应整个隧址区域的各阶段应力情况。针对这一问题，本文研究了超大跨径隧道在不同车道数与围岩级别下的侧压力系数分布，首先结合规范界定三车道隧道为一般跨径隧道，四、五车道隧道为超大跨径；采用数值分析方法，分析了不同车道隧道分别为III——VI围岩条件下的水平压力和竖直压力大小，处理实验数据后求得侧压力系数分布，并且将数值模拟结果分别与规范值和实测值进行对比分析。当各隧道为深埋、双侧壁导坑法施工时，所得结论如下：（1）围岩等级相同，围岩侧压力系数随着车道数的增加而减小，尤其是四车道向五车道变化时的差值明显；车道数相同，围岩侧压力系数随着围岩等级增大，且相邻围岩等级间的增幅均匀，仅IV级至V级围岩的侧压力系数发生断崖式下跌。（2）在相同围岩条件下数值模拟所得各车道隧道侧压力系数明显大于规范值；不同跨度的隧道围岩等级越大，对于施工方法选择以及侧压力系数取值越相近。（3）由于衬砌与侧向围岩贴合不密实，造成测得的水平应力不均匀，发生应力损失现象从而使理论值上下限均高于实测值，但整体符合程度好。

    关键词：超大跨径隧道；侧压力系数；数值分析；围岩压力

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.107

    0 引言

    我国已建成隧道多为三车道及以下车道数的中小跨径隧道，难以满足日益增长的交通量，各地多采用小净距隧道扩容的方法解决这个问题，例如重庆华岩隧道和中梁山隧道扩容改造工程、沈海高速公路福建泉州至厦门段扩建工程大帽山扩挖隧道、漳龙高速公路后祠隧道扩建工程。

    面对实际工程需要，新建隧道跨度在逐步递增，这种扁平化的结构带来的围岩力学状态变化对项目安全性至关重要。司铁汉[1]等以广东惠州牛湖山单洞三车道大跨径隧道工程为依托，运用有限元手段研究了围岩水平应力和垂直应力分布，认为该隧道应力分布不均匀，施工时应该加厚拱脚和边墙衬砌的厚度，并且及时支护增强地基承载力以应对过大的位移产生。宫成兵[2]等采用工程类比法给出了龙头山双向分离式单洞四车道高速公路隧道的合理支护参数，在设计上提供了超大跨径隧道的理论支撑。曲海锋[3]在博士论文中详细论述了当前荷载及围岩压力计算方法不适用于扁平特大跨径公路隧道，由于缺乏建设这类隧道的经验，一味的加强衬砌和支护，不仅造成了巨大的浪费还可能达不到预期效果，从而提出了应用过程设计理念的思路。周云鹏[4]对比多种理论计算大断面黄土公路隧道围岩压力后，提出了对太沙基理论的侧压力系数修正方法。李宇翔[5]给出了三车道隧道在CD法、CRD法、双侧壁导坑法施工条件下的合理导坑长度和大小等参数。于海龙[6]在硕士论文中基于NATM法采用“岩体一结构”模式重视围岩与结构的共同作用，建立了四车道公路隧道围岩稳定基本判据。刘春[7]通过对隧道围岩压力的种类、影响因素的全面分析，基于数值建模计算，利用敏感度分析理论，得出侧压力系数和隧道埋置深度对深埋大断面隧道围岩应力特征的影响规律。

    以上研究均是以围岩压力为核心，或是从水平应力和竖直应力两方面分别讨论，或是仅研究了某一特定跨度的隧道侧压力系数分布，存在不够全面，应用范围小的问题。本文给出了不同跨度、不同围岩级别下的围岩侧压力系数[8-10]这一体现水平应力和竖直应力相对大小综合性指标。在岩土工程中，通常用侧压力系数乘以竖直应力得到水平应力，侧压力系数的得到有使用μ值计算的理论法、实地量测法和根据规范或工程资料取值的经验法三种方法，这些方法均有针对性不强，真实度低的问题，故本文提出具体到各级围岩不同跨度的数值模拟实验法来研究侧压力系数分布。针对每一种模型讨论了围岩的力学动态行为，给出合理的工法措施和设计意见，通过这一指标为后续工程项目提供参考类比资料。

    1 超大跨径隧道界定及实例

    1.1 隧道跨径的界定

    目前对于隧道的跨度分类并不统一，《公路隧道施工技术细则》[11]按照开挖宽度B定义了大跨度隧道（14m

    1.2 国内外超大跨径隧道工程实例

    国内已有部分公路大跨径隧道有：贵州凯里市大阁山三车道隧道跨度21.04m、高度11.45m，广州市龙头山四车道隧道跨度21.47m、高度13.54m。国外较早发展超大跨径隧道的国家有韩国鹰峰六车道跨度25.10m、高度8.60m，日本东名三车道隧道跨度23.00m、高度8.40m。

    2 有限元模型及参数拟定

    2.1 隧道设计参数

    《公路隧道设计规范》中规定荷载等效高度hq=q/γ，q为竖向荷载，γ为岩石重度，IV～VI级围岩的深浅埋划分高度为HP=2.5hq，I～III级围岩HP=2hq，各级围岩按规范要求计算后取最大埋深临界高度60m为埋深。设计隧道为深埋多车道单向通行一级公路隧道，根据《公路隧道设计规范》设计所得建筑限界参数如表2.1所示。

    2.2 隧道物理力学参数

    针对I、II级围岩力学性质好，较为完整坚硬的特点，重点对其他较差的围岩进行研究，参考《公路隧道设计规范》将围岩的参数平均值列于表2.2中。

    2.3 模型的建立

    本文以五车道隧道为例详细说明建立2维模型及求解过程，其他车道做法相同。在无限大平面内按照地层结构法建立模型，并服从德鲁克-普拉奇 （Drucker-Prager）屈服准则[13]，考虑洞室3-5倍开挖跨度范围之外岩体不受施工影响，首先划定一个宽和高均为115m的矩形区域，使研究的隧道置于其中，采用双侧壁导坑法开挖的洞室有限元模型如图1所示。

    在ANSYS中将平面划分，共有770个节点，729个单元，使用PLANE42实体单元模拟围岩及围岩加固区，BEAM3单元模拟梁。边界条件为底部施加竖向约束，两侧为水平约束，顶部为自由端。

    双侧壁导坑法施工步序较多，对围岩扰动次数多，但每次开挖的面积较小，扰动强度不大，卸荷小，数值模拟过程如表2.3所示。

    3 侧压力系数分布与分析

    3.1 数据处理与结果分析

    以三车道IV级围岩为例给出侧压力系数求解方法：建立如图2所示坐标系，根据对称性取一半隧道结构进行应力值的提取分析。

    在图3中画出了节点沿Y轴方向的侧压力系数分布图。

    侧压力系数最大值为1.85，位于仰拱底部，自仰拱底部至拱脚侧压力系数值降至零点；拱脚至边墙侧压力系数值又继续增大，直至拱顶达到次峰值1.43。

    综合来看，仰拱至及拱脚处所受水平应力相对较大，衬砌环的应力分布非常不均匀，拱顶与拱脚侧压力系数差值将近2，可以给应力较小的拱腰和拱顶减少用量，在拱脚至拱腰部位加厚混凝土，尽早封闭成环。

    在岩体力学中，侧压力系数是指水平压应力与垂直压应力之比，如此计算后得到侧压力系数分布如表3.1所示。

    为使数据可视化，绘制出不同车道、不同围岩等级下的侧压力系数分布，如图4所示。

    由上图可知，当围岩等级相同时，三车道围岩侧压力系数介于四、五车道侧压力系数之间，四、五车道隧道侧压力系数依次递增，尤其是四车道至五车道的增幅平均值明显，可以达到0.12；当车道数相同时，三、五车道围岩侧压力系数随着围岩等级的增加先减小后增大，且相邻围岩等级间的绝对差值均匀，仅III级至IV级围岩的侧压力系数发生断崖式下跌。四车道围岩侧压力系数先增大后减小。

    3.2 与规范侧压力系数表对比

    《公路隧道设计规范》给出的侧压力系数分布如表3.2所示。该表的适用条件是H/B小于1.7，H为隧道开挖高度（m），B为隧道开挖宽度（m）、不产生显著偏压及膨胀力的一般围岩，本文所建隧道模型均符合上述条件。

    规范中的侧压力系数随着围岩等级的增加而增加，围岩等级大意味着围岩质量较差，节理和裂隙增多，更要重视开挖方法及支护措施。规范侧压力系数取平均值后与数值模拟对比见图5。

    规范仅考虑了围岩等级，没有具体到跨度，在相同围岩条件下数值模拟所得各车道隧道侧压力系数明显大于规范值，说明在大跨度隧道设计中，要结合数值模拟与类似工程资料多方面论证侧压力系数的取值，从而得到准确的水平应力进行衬砌的施作；同时也可以看出随着围岩等级增大，规范值的递增速率很快地逼近了实验值，重庆大学易立[8]在研究大跨度隧道的施工方法选择时，也表明了相同条件下围岩稳定的敏感性随着侧压力系数的增大而减小，故实际设计隧道时，不同跨度的隧道围岩等级越大，对于施工方法选择以及侧压力系数取值越相近。

    3.3 理论计算值与实测值的对比

    检验侧压力系数的另一种方法是现场量测围岩压力，童景盛[9]等通过现场量测具有不同地段各级围岩的压力，反演计算得到了各隧道侧压力系数的实测值，为了检验本文数值模拟所得理论值与实测值的符合程度，我们再次将数据处理，选取四、五车道的侧压力系数平均值，即只考虑围岩等级的影响，将所得数值与实测值一同列于表3.3。

    由表3.3可知，本文所建立数值模型得到的侧压力系数理论值分布在0.74～0.99，已有隧道的侧压力系数实测值分布在0.60～0.80，理论值上下限高于实测值，造成这种情况的原因来源于衬砌与侧向围岩贴合不密实，造成测得的水平应力有所折减，而为了近似，将整个水平力加权平均后造成实测侧压力系数偏小。

    但由图6给出的侧压力系数上下限百分比堆积图可以看出二者符合程度较好，仅数值模型的下限值与实测值相差达到8%，其余三者之间最多不超过5%，说明与实际情况接近。

    4 结论

    通过分析多车道超大跨径隧道在不同围岩条件下的侧压力系数分布情况，以及与《公路隧道设计规范》给出的围岩侧压力系数表和实测值对比，可得以下结论：

    （1）三车道大跨径隧道过渡至四车道超大隧道时侧压力系数大幅下跌，跌幅最大值为0.12，即III级围岩条件下从0.91降至0.79；四、五车道超大跨径隧道侧压力系数随着围岩质量变差而增加，意味着围岩水平应力在变大。以上证明了本文在開始按照车道数划分超大跨径隧道的意义所在：隧道转变为超大跨径时，隧道断面扁平率增加，围岩的力学特性也发生了巨大改变，其应力分布情况不同于一般跨径隧道，围岩侧压力系数可以隧围岩等级的提高而增大，这一结论用于指导设计和施工，达到经济合理的目的。

    （2）三车道隧道为大跨径隧道，其结论不在本文深入考虑范围内，我们仅将其作为特殊对照组进一步讨论超大跨径隧道的侧压力系数分布，可得：相同围岩等级下，侧压力系数随着车道数的增加而增加，说明了跨径越大，水平压力的相对值也越大，隧道自稳能力也在下降，这一点既符合客观认知，也从理论层面证实，对于这类隧道的开挖更要重视新奥法的灵活应用，落实少扰动，强支护、常监测、分部开挖的工法。

    （3）由于衬砌与侧向围岩贴合不密实，造成测得的水平应力损失，从而使理论值上下限均高于实测值，但整体符合程度好。

    （4）在隧道跨径和围岩等级宏观变化之外，可以分析单个超大跨径的围岩侧压力系数分布情况，由图3可知：隧道仰拱底部及拱脚处侧压力系数最大，衬砌环的应力分布非常不均匀，拱顶与拱脚应力侧压力系数差值足有1.85，这意味着可以有针对性地给应力较小的拱腰和拱顶减少用量，在应力大的拱脚至拱腰部位加厚混凝土，而且为尽早封闭成环，仰拱的施作不仅是必要的还要严格保证工艺，使其与隧道衬砌联合发挥支护承载作用，解决了超大跨径隧道施工中存在的一味多用混凝土和支护的不科学施工问题。

    参考文献：

    [1]司铁汉，黄生文.大跨径隧道围岩应力有限元分析[J].长沙理工大学学报（自然科学版），2005（04）：7-11.

    [2]宫成兵，张武祥，杨彦民.大断面单洞四车道公路隧道结构设计与施工方案探讨[J].公路，2004（06）：177-182.

    [3]曲海锋.扁平特大断面公路隧道荷载模式及应用研究[D].同济大学，2007.

    [4]周云鹏.超大断面黄土公路隧道衬砌受力变形特性研究[D].西安科技大学，2014.

    [5]李宇翔.三车道公路隧道分部开挖及支护技术研究[D].重庆交通大学，2013.

    [6]于海龙.四车道公路隧道断面形状和施工方法研究[D].西南交通大学，2006.

    [7]刘春.深埋大断面隧道施工力学性态研究[D].重庆大学，2007.

    [8]易立.大跨隧道施工方法选择的敏感性分析[D].重庆大学，2007.

    [9]童景盛.侧压力系数研究与实践[A].中国力学学会结构工程专业委员会、沈阳建筑大学、中国力学学会《工程力学》编委会、水沙科学与水利水电工程国家重点实验室（清华大学）、土木工程安全与耐久教育部重点实验室（清华大学）、清华大学土木工程系、辽宁省建筑结构重点实验室（沈阳建筑大学），2012：7.

    [10]蒙伟，何川，汪波，张钧博，吴枋胤，夏舞阳.基于侧压力系数的岩爆区初始地应力场二次反演分析[J].岩土力学，2018，39（11）：4191-4200+4209.

    [11]中交第二公路勘察设计研究院有限公司.JTG/T D70—2010公路隧道设计细则[S].人民交通出版社，2010.

    [12]重庆交通科研设计院.JTG D70—2014公路隧道设计规范[S].人民交通出版社，2014.

    [13]张辛，宋宏伟，闫晓.DP与EDP模型及其在隧道稳定分析中的应用[J].地下空间与工程学报，2018，14（06）：1652-1657.

    作者简介：樊一凡（1996-），男，内蒙古乌兰察布人，本科在读，主要从事隧道及地下工程及地下结构抗震等方面的研究。