隧道衬砌结构形式对应力与位移稳定性的影响研究
时间：2023-06-12 22:00:06 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
余泳宁
(广西桂商实业投资有限公司，广西 南宁 530200)
隧道作为交通工程中的关键枢纽设施[1-2]，其开挖施工时的安全稳定性在结构设计时须重点关注与研讨。衬砌结构与隧道开挖施工密不可分，采用合理有效的衬砌形式有助于确保隧道安全施工[3-4]，因而，探讨不同衬砌结构形式下的安全稳定性具有重要意义。钟汶均、张云飞等[5-6]根据衬砌结构的适用性，研究了不同衬砌结构材料与隧道施工的安全性关系，探讨了衬砌结构劣化与失效问题。也有一些学者采用仿真模拟手段研究了静、动力作用下隧道衬砌结构的响应特征[7-8]，为隧道工程的衬砌方案设计提供了依据。由于衬砌方案的施工与隧道开挖密不可分，因而兰升元、郑滨斌等[9-10]探讨了衬砌结构施工工艺，优化了衬砌施工与隧道开挖的工序，提出了精细化与信息化施工技术方案。本文基于岳圩口岸联线公路汉邦隧道衬砌方案设计问题，针对性提出了四种不同衬砌结构形式，探讨了各衬砌方案下的结构应力和位移差异特征，为评价最优衬砌设计方案提供了参考。
1.1 工程概况
岳圩口岸联线公路是广西高速公路网中的重要一环，全路线虽仅长8.4 km，但需穿越多座隧道，设计行车速度为100 km/h，路面宽为26 m，桥隧比接近18%，是完善百色岳圩口岸的重要交通举措。该联线公路采用双线四车道设计，全线共有4个隧道，且个别隧道需要穿越岩溶区，地形起伏及不良地质特征对联线公路隧道施工带来较大挑战。全路线中相对高差最大为600 m，地形坡度为25°～45°。公路两侧坡道上采用植物生态护坡与浆砌石挡墙防渗加固措施，穿越岩溶隧道区段长度占全路线长度的1/4。为确保地下水及降雨条件对衬砌结构的影响最弱，需要分析隧道开挖断面最佳衬砌设计形式，因而，工程设计部门重点考虑隧道衬砌设计应力与位移稳定性。全线公路隧道开挖土层以松散性壤土为主，覆盖有第四系杂填土等，层次性较显著，颗粒粒径为0.075～1.6 mm。现场钻孔表明基岩层为半风化灰岩，承压强度较高，但局部受水力侵蚀影响，具有薄弱层，夹杂有破碎带，发育有溶隙。地下水位为22.4 m，区间内水系主要分布在隧道基岩薄弱层中，降水导致水土流失较严重，土体固化程度较低。根据对联线公路全线隧道断面分析，考虑以K2+220～K3+425区段内汉邦隧道为分析对象。该隧道采用台阶法开挖，采用预应力锚杆作为超前支护结构，杆间距为1 m，开挖断面采用刚柔性防水结合形式，断面衬砌结构形式为重点探讨对象。
1.2 衬砌结构形式
为探讨不同衬砌结构形式对汉邦隧道的安全施工影响，本文基于工程排水现状与设计要求，设计四种衬砌结构形式[11-12]，如下页图1所示。A类衬砌结构面盖、底板均为整体同时浇筑，挡墙与背后土体为刚性连接；
B类为高拱式衬砌结构，盖板较薄，仅为A类盖板厚度的2/3，底板为后浇带式结构，挡墙与底板具有同受力同变形特征；
C类拱高度是4种衬砌结构中最大的，其最大拱高度可根据隧道顶高程增大110%～150%，两侧排水渠与开挖断面柔性连接，底板与排水渠为柔性连接，具有防渗作用；
D类衬砌结构为箱型开挖断面，排水设施也是采用箱型集排水，底板与拱座为柔性连接，盖板厚度与A类衬砌结构基本一致。
(a)A类 (b)B类
(c)C类 (d)D类
按照汉邦隧道开挖施工图，采用ANSYS仿真平台建立隧道围岩模型[13]，其高度按照结构荷载破碎规则进行校正，围岩体采用受压径向微单元模拟，依据工程实际设定围岩为Ⅴ级，计算影响深度设定为衬砌底板下15 m。所建立的隧道围岩整体结构模型如图2所示。
图2 隧道围岩整体结构模型图
针对四种不同开挖衬砌结构形式，分别以围岩隧道洞身4 m高度为研究对象，设定衬砌结构底部为弹性受力变形特征，依次建立四种衬砌结构模型，如图3所示。所有衬砌结构断面中均以C35混凝土材料参数进行计算，围岩体物理力学参数以室内实测值设定，模型中底部为零自由度约束条件，设定模型中的X、Y、Z正向分别为隧道底板右肩、开挖掘进方向及结构竖直向上。基于上述不同衬砌结构模型应力、位移计算，分析汉邦隧道四种衬砌结构形式下的应力、位移特征差异，确定最优衬砌结构设计。
(a)A类 (b)B类
(c)C类 (d)D类
2.1 第一主应力特征
根据对四种不同衬砌结构形式的模型开展应力计算，获得各衬砌结构模型第一主应力分布特征，如图4所示。从图4可看出，采用不同衬砌结构形式，隧道断面上的最大拉应力分布及量值均有显著差异。A、D类衬砌结构由于盖板厚度基本一致，其衬砌结构上最大拉应力基本接近，分别为7.86 MPa和7.79 MPa，也是四种衬砌结构中拉应力量值最低的，其最大拉应力均位于盖板结构上，不同的是A类衬砌结构的最大拉应力位于盖板的外侧，而D类衬砌结构的最大拉应力位于盖板内侧部位，原因或与拱座、盖板间的刚、柔性连接特点有关。B、C类衬砌结构的最大拉应力分别为9.53 MPa和8.4 MPa，均出现在拱脚区域，这两种衬砌结构拱高度较大，断面上衬砌结构的封闭性较差，受力延展性较弱，特别是拱脚处的柔性连接方式导致该部位出现张拉应力集中，不利于整体衬砌结构抗拉效应。四种衬砌结构中盖板部位处的拉应力最大，以C类最显著，可达2.28～3.31 MPa，而A、D类盖板部位拉应力分布区间较前者分别减少了9.4%～18.4%、39.6%～62.7%，底板结构处的拉应力以B类为最高。综合四种衬砌结构第一主应力特征，认为B、C类衬砌结构易在拱脚处引起局部张拉裂隙，导致衬砌结构失稳，而A、D类衬砌结构虽张拉应力水平亦较大，但整体承拉、抗拉效果显著，结构协同效应明显。
(a)A类 (b)B类
(c)C类 (d)D类
2.2 第三主应力特征
为分析不同衬砌结构第三主应力特征，本文模拟计算获得施工周期内衬砌结构拱顶特征部位处最大压应力变化特征，如图5所示。根据图5可知，C类衬砌结构的拱顶部位压应力水平最高，在施工周期内的分布为6.3～12 MPa，施工周期每递进2 d，该衬砌结构拱顶最大压应力平均增长8.6%。相比C类衬砌形式，B类衬砌结构拱顶压应力在施工第12 d达到平稳状态，最大压应力达8.61 MPa，而在施工12 d前，压应力随施工进度稳定递增，平均每2 d可增长7.8%，极易导致衬砌结构拱顶处出现不稳定状况，威胁衬砌结构拱脚与底板的安全。A、D类衬砌结构压应力水平较低，在施工周期内相比C类衬砌结构分别为差幅53.6%～73.1%、50.3%～71.4%，这两种衬砌结构均仅在施工初期具有一定的压应力增长，施工后期压应力分别稳定在3.22 MPa和3.44 MPa，对拱顶、拱脚应力保护具有显著效果[14]。分析认为，四种衬砌结构拱顶处最大压应力虽均未超过结构材料安全允许值，但B、C类衬砌形式下拱顶压应力变化不利于拱脚与底板结构安全性，需格外加固拱脚等部位，抗压“性价比”较低。
图5 拱顶处最大压应力变化特征曲线图
2.3 剪应力特征
衬砌形式差异性不仅体现在拉、压应力特征上，对结构剪应力特征亦具有影响，本文根据衬砌应力计算，获得XZ平面内衬砌结构剪应力分布特征，如图6所示。从图6可知，四种衬砌形式整体上剪应力分布具有一致性，拱顶内侧的负剪应力分布区域均为一致，量值上也基本接近在6.5～6.7 MPa。另一方面，四种衬砌结构最大剪应力均分布在拱顶盖板边缘区域，B、C类衬砌形式最大剪应力分别为6.67 MPa和6.74 MPa，而A、D类衬砌结构最大剪应力较C类分别减少了2.9%和3.6%，即以A、D类高厚度盖板下结构的抗剪效果最优，从高厚度盖板与强连接底板的结构措施下控制剪应力分布。综合四种衬砌结构的拉、压及剪应力分布对比，可知A、D类高厚度盖板与强连接形式对隧道应力分布重构具有重要作用，整体上具备承压、抗拉与抗剪效应，有助于施工周期内隧道开挖的安全稳定性。
3.1 底部位移特征
位移特征乃是反映衬砌结构稳定性的重要参数，本文以衬砌底部结构位移特征为分析对象，获得四种不同衬砌结构的底部结构竖向位移随施工周期变化特征(见下页图7)。从图7可知，四种衬砌结构形式下底部竖向位移随施工周期均为递增态势，施工初期，A～D类衬砌结构底部竖向位移分别为2.63 mm、3.5 mm、3.62 mm和2.52 mm，而随施工周期每增长2 d，相应的竖向位移分别平均增长2.5%、3.2%、3.7%和1.7%，即四种衬砌形式中以B、C类衬砌底部竖向位移增长最快，受施工周期影响敏感最大。同样，在施工周期内B、C类衬砌底部结构竖向位移最高，A、D类衬砌底部结构位移较C类分别降低了25.7%～31.6%、30.4%～38.8%。由此可知，B、C类衬砌形式对底部结构位移发展控制较弱，而A、D类衬砌形式中由于受拱脚与底板连接性、设计厚度值影响，可减弱衬砌结构外荷载引起的位移，增强整体结构稳定性。
如下页图8所示为四种衬砌形式下底部结构水平位移分布特征。从图8可知，底部结构水平位移特征最大值均出现在右侧拱脚区域，但B、C类衬砌结构的水平位移量值较大，其底部结构最大水平位移分别为0.485 mm和3.943 mm，而A、D类衬砌结构最大水平位移分别为0.294 mm和0.657 mm。相比之下，A类衬砌底部结构水平位移控制最为理想，此依赖于该衬砌结构密闭式空间较小，整体协调性较佳，有助于减弱应力对结构的损害，故而位移值较低；
而B、C类设计不合理，特别是C类位移量值过大，在开挖阶段易造成衬砌结构失效。
3.2 围岩位移特征
从衬砌结构基底围岩位移分布可评价衬砌形式的合理性，如下页图9所示为计算获得的各衬砌结构形式隧道基底围岩位移分布特征。从图中可看出，四种衬砌结构形式下基底围岩位移分布均具有对称特性，位移量值最大在两侧拱脚基底围岩处，最大位移为C类衬砌结构，达8.497 mm，而A、D类衬砌结构最大位移相比前者分别减少了21.5%和21.9%，分析围岩位移特征可知A、D类衬砌结构具有显著优势。从围岩位移分布差异性可看出，位移由基底中部向两侧拱脚逐步递增，D类衬砌结构在中部的位移控制性弱于A类，其位移分布为4.276～4.612 mm，而A类衬砌结构由于底板刚性连接拱脚，有助于削弱围岩位移的扩展特点，对围岩扰动后的位移稳定重构具有促进作用[15]。综合四种衬砌结构应力、位移特征，可以认为A类高厚度盖板与刚性连接方式底板设计的衬砌结构更利于隧道开挖施工稳定性，为最佳衬砌方案。
(a)A类 (b)B类
(c)C类 (d)D类
图7 竖向位移随施工周期变化特征曲线图
(a)A类
(c)C类
(d)D类
本文主要获得以下几点结论：
(1)A、D类衬砌结构的最大拉应力接近，分别为7.86 MPa和7.79 MPa，B、C类的衬砌结构拉应力最大；
C类衬砌结构盖板部位的拉应力最高，底板结构处的拉应力以B类为最大，A、D类衬砌结构整体抗拉效果显著。
(2)C类衬砌拱顶的压应力最高，施工周期每递进2 d，其压应力平均增长8.6%；
A、D类衬砌结构的压应力相比C类分别具有差幅为53.6%～73.1%、50.3%～71.4%；
不同衬砌形式下的剪应力分布具有一致性，但最大剪应力以B、C类最大，A、D类的最大剪应力较C类分别减少了2.9%、3.6%；
受高厚盖板与底板连接方式影响，B、C类的抗拉、承压与抗剪效果弱于A、D类。
(3)不同衬砌结构的底部竖向位移随施工周期均为递增，以B、C类结构增长最快，受施工周期影响最为敏感，A、D类衬砌底部竖向位移较C类分别降低了25.7%～31.6%、30.4%～38.8%；
各衬砌方案中底部水平最大位移均位于右侧拱脚，B、C类最大水平位移分别为0.485 mm、3.943 mm，A、D类衬砌整体协调性较佳，位移较低。
(4)基底围岩位移分布具有对称特性，位移量值最大的为C类衬砌结构，A、D类衬砌围岩最大位移相比前者分别减少了21.5%和21.9%；
围岩中部位移控制中D类衬砌结构弱于A类。综合考虑认为，A类高厚度盖板与刚性连接底板设计衬砌方案最优。
(a)A类 (b)B类
(c)C类 (d)D类
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