軟弱圍巖段隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)算及處理方案

李輝

（廣州市鳳凰山隧道建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510535）

隨著我國(guó)交通規(guī)劃的不斷實(shí)現(xiàn)，越來(lái)越多的山區(qū)修建了公路。公路路線中遇到山體障礙物時(shí)，修建隧道比直接挖除山體具有更多優(yōu)勢(shì)，它具有節(jié)省人力、物力、能源，還能最大程度上保護(hù)自然環(huán)境。我國(guó)已是隧道大國(guó)，隧道建設(shè)技術(shù)已經(jīng)取得了巨大發(fā)展。由于隧道前期勘察中對(duì)圍巖采用的是定距抽芯方法來(lái)判斷山體狀況，因此在對(duì)圍巖進(jìn)行分級(jí)時(shí)存在一定誤差。施工中在遇到隧道圍巖較差且掌子面圍巖突變等客觀因素時(shí)，隧道圍巖沉降過(guò)大而導(dǎo)致二次襯砌的預(yù)留厚度不足的問(wèn)題偶爾會(huì)出現(xiàn)。目前我國(guó)在隧道二次襯砌厚度不足情況下的受力分析已有較多研究，大多數(shù)采用ANSYS、MIDASGTS 等有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，部分采用了實(shí)驗(yàn)對(duì)比方法進(jìn)行了受力對(duì)比分析。由于每條隧道所處圍巖埋深、地質(zhì)條件等情況不同，因此判斷某隧道在具體厚度不足條件下的安全系數(shù)不能統(tǒng)一定論，需要具體隧道具體分析。當(dāng)然在特殊圍巖條件下我們應(yīng)該盡可能保證施工厚度達(dá)到要求，因此在隧道開(kāi)挖施工時(shí)，需要根據(jù)掌子面實(shí)際變化情況來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整施工方法。尤其是在洞口段軟弱圍巖中施工時(shí)，更應(yīng)該按照“短進(jìn)尺、弱爆破、早噴錨、勤量測(cè)、緊封閉”的原則進(jìn)行施工。

1 工程概況

廣州市鳳凰山高速公路工程全長(zhǎng)14 公里，呈東西走向，起點(diǎn)位于黃埔區(qū)元貝村，終點(diǎn)在天河區(qū)龍洞村，橋隧比達(dá)到70%。該項(xiàng)目中某隧道位于中部，在隧道洞口段施工時(shí)前期一直順利，但是在洞內(nèi)挖掘施工到西行方向KX+500 掌子面時(shí)，頂部突然有大量干性粉狀土體沿著拱頂位置瀉下。經(jīng)過(guò)對(duì)緊鄰掌子面后方已施工完成的初期支護(hù)輪廓進(jìn)行斷面測(cè)量，發(fā)現(xiàn)KX+493 至KX+498 范圍內(nèi)的初期支護(hù)頂部有侵入二次襯砌空間現(xiàn)象，頂部最大侵入值為達(dá)到15Cm（原設(shè)計(jì)為60Cm）。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，二次襯砌局部侵限區(qū)上方的地表是自然資源重點(diǎn)保護(hù)區(qū)，若在洞口軟弱圍巖區(qū)間段采用拆除隧道原初期支護(hù)再重新施工，則存在巨大的安全隱患，影響后果也非常嚴(yán)重。因此需要對(duì)初期支護(hù)侵限的原因進(jìn)行分析，對(duì)隧道侵限區(qū)的二次襯砌進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性驗(yàn)算，根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果對(duì)該區(qū)間段的襯砌采取相應(yīng)的處理措施。

2 初期支護(hù)侵限原因分析

2.1 洞口段淺埋

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3370.1-2018）（以下簡(jiǎn)稱“設(shè)計(jì)規(guī)范”），判斷隧道是否淺埋可按下面公式計(jì)算：

式子中：Hp——深埋隧道的分界深度m；

hp——荷載等效高度m；hp=q/r

q ——深埋隧道的豎向均布?jí)毫?，kN/m2

γ——圍巖重度，kN/m3

圍巖豎向均布?jí)毫Π词阶樱?/p>

式中：S——圍巖的級(jí)別，如屬Ⅲ級(jí)，則S=3；

W——寬度影響系數(shù)，w=1+i（B-5）；

B——隧道寬度；

i——以B=5m 為基準(zhǔn)，B 每增加或減少1m 時(shí)圍巖壓力的增減率；當(dāng)B＜5 時(shí)，取i=0.2；當(dāng)B＞5 時(shí)，取i=0.1；

根據(jù)圖紙，可知隧道圍巖級(jí)別為V 級(jí)，最大開(kāi)挖跨度為17 米，i 取0.1，w 取2.2，按照上面公式計(jì)算可得，hp為15.84 米，因此該區(qū)間段的淺埋深埋臨界值2.5hp為39.6 米，該隧道區(qū)間段埋深為15m，故該區(qū)間段為淺埋。

淺埋情況下圍巖的承載拱不穩(wěn)定，開(kāi)挖施工操作不當(dāng)極容易產(chǎn)出土體滑落。

2.2 洞口段圍巖軟弱且地質(zhì)突變

初期支護(hù)侵限區(qū)距離洞門110 米，洞口段的山體為低山，山頂有樹(shù)林覆蓋。表層為殘坡積土，下部為全風(fēng)化混合花崗巖，多為散體狀和硬土狀，透水性一般，遇水軟化崩解，易坍塌。顯示為低波速，洞口段經(jīng)開(kāi)挖顯示無(wú)明顯地下水。經(jīng)地質(zhì)勘查，隧道掌子面前方的圍巖由全風(fēng)化混合花崗巖突變?yōu)楦尚詿o(wú)黏性的粉狀土體，第三方超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施單位未能用地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備探測(cè)出該圍巖的突變情況，當(dāng)施工單位開(kāi)挖施工時(shí)掌子面上方的土體大量瀉出,導(dǎo)致已完成的初期支護(hù)上方圍巖出現(xiàn)臨空面，進(jìn)而圍巖因受到嚴(yán)重?cái)_動(dòng)出現(xiàn)較大位移和應(yīng)力重新分布，最終導(dǎo)致拱頂發(fā)生沉降。

3 二襯侵限區(qū)結(jié)構(gòu)受力驗(yàn)算

3.1 驗(yàn)算原理

檢算方法是通過(guò)荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算二襯結(jié)構(gòu)受力，獲得二次襯砌的軸力和彎矩后，然后襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面承載力設(shè)計(jì)值與實(shí)際受力值進(jìn)行比較，可計(jì)算得出襯砌的安全系數(shù)，將計(jì)算的安全系數(shù)與設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，如果計(jì)算所得的安全系數(shù)不小于設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定值，則認(rèn)為其安全性滿足規(guī)范要求。

3.2 二次襯砌內(nèi)力計(jì)算

（1）外力荷載計(jì)算

由于隧道為淺埋，根據(jù)規(guī)范中垂直勻布?jí)毫Φ挠?jì)算公式可知：

q=γ H=15m*18kN/m3=270kN/m2。

根據(jù)規(guī)范中水平勻布?jí)毫τ?jì)算公式，圍巖計(jì)算摩擦角取45°，

可得e=49.2kN/m2。

（2）二次襯砌內(nèi)力計(jì)算

根據(jù)規(guī)范規(guī)定并結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際情況和支護(hù)參數(shù)，泊松比μ 取0.35，圍巖容重r 取18kN/m3，圍巖彈性抗力系數(shù)取K 取150MPa/m，二襯承擔(dān)荷載百分比為70%。

本次計(jì)算均由基于通用有限元程序ANSYS 和面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)語(yǔ)言Microsoft Visual Basic 開(kāi)發(fā)的“隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件”完成，計(jì)算模式為平面應(yīng)變模式。計(jì)算中單位制均采用kN·m。以隧道二次襯砌拱底正中心編號(hào)為1，逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)將全環(huán)二襯劃分為136 個(gè)單元。計(jì)算完成后各單元的軸力見(jiàn)圖1 和彎矩云圖見(jiàn)圖2。

圖1 二次襯砌軸力云圖 單位：KN

圖2 二次襯砌彎矩云圖 單位：KN★m

圖3 原設(shè)計(jì)二次襯砌安全系數(shù)云圖

3.3 襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面承載力及安全系數(shù)計(jì)算

（1）隧道二次襯砌截面強(qiáng)度計(jì)算的參數(shù)取值

隧道縱向取1m，根據(jù)隧道規(guī)范中規(guī)定，HRB400鋼筋強(qiáng)度取Rg=400MPa；C30 混凝土的極限抗壓強(qiáng)度22.5MPa，彎曲抗壓為28.1MPa，極限抗拉強(qiáng)度為2.2MPa。

（2）隧道二次襯砌厚度不足處安全系數(shù)計(jì)算

隧道二次襯砌厚度不足的范圍是以拱頂為正中心，沿著橫向弧線向兩側(cè)延伸3 米，為便于計(jì)算，假定侵限區(qū)均侵限15 公分，即二襯計(jì)算厚度值為45 公分。拱頂厚度不足位置對(duì)應(yīng)數(shù)值模型中的64-73 號(hào)單元，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于鋼筋混凝土矩形截面中心及偏心受壓構(gòu)件的抗壓和抗彎強(qiáng)度計(jì)算公式，可得每個(gè)計(jì)算模型單元對(duì)應(yīng)的截面強(qiáng)度。隧道二次襯砌內(nèi)力計(jì)算模型中每個(gè)截面的承載力設(shè)計(jì)值和實(shí)際受力值之比即為每個(gè)截面的安全系數(shù)，具體見(jiàn)表1。

表1 二次襯砌侵限區(qū)單元內(nèi)力及安全系數(shù)

（3）隧道二次襯砌原設(shè)計(jì)襯砌厚度處安全系數(shù)計(jì)算

為驗(yàn)算該隧道二次襯砌在原設(shè)計(jì)厚度情況下的安全系數(shù)，采用隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件可得安全系數(shù)云圖，見(jiàn)圖2，得知安全系數(shù)均3.935 以上。

3.4 檢算結(jié)論

按實(shí)測(cè)拱頂二次襯砌厚度不足計(jì)算，抗彎安全系數(shù)最小值出現(xiàn)在拱頂中心位置，其值為3.11，大于《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3370.1-2018）規(guī)定的最小值2.4，二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。侵限區(qū)外的抗彎安全系數(shù)值均大于3.93，二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

4 二次襯砌局部缺陷處理方案

鑒于對(duì)二次襯砌局部缺陷段的結(jié)構(gòu)受力計(jì)算滿足規(guī)范要求，且施工不當(dāng)會(huì)對(duì)上方的自然資源重點(diǎn)保護(hù)區(qū)產(chǎn)生較大破壞，因此將對(duì)該區(qū)間段采用補(bǔ)強(qiáng)的方式進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)安全性。對(duì)該初期支護(hù)侵限段從拱肩到拱頂打設(shè)50 注漿小導(dǎo)管，間距@150cm*150cm，長(zhǎng)度4m，以對(duì)其背后受前方掌子面瀉土影響而擾動(dòng)的圍巖進(jìn)行固結(jié)；將該段襯砌受力環(huán)向鋼筋由間距20cm 加密為間距15cm；將原設(shè)計(jì)C30 的二次襯砌混凝土提高標(biāo)號(hào)為C40，以進(jìn)一步提高隧道圍巖和支護(hù)的承載力。該隧道于2016 年修建完成，經(jīng)過(guò)營(yíng)運(yùn)期七年監(jiān)控量測(cè)，隧道二次襯砌未出現(xiàn)異常沉降或者裂縫等病害，該處置方案可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該隧道拱頂厚度局部不足進(jìn)行數(shù)值模擬分析和驗(yàn)算，顯示該隧道安全系數(shù)滿足規(guī)范。為進(jìn)一步提高該隧道的安全系數(shù)，采用了初期支護(hù)后注漿加固和二次襯砌混凝土型號(hào)提高和鋼筋加密的方法進(jìn)行處理，營(yíng)運(yùn)期顯示效果良好。由于隧道開(kāi)挖施工是個(gè)風(fēng)險(xiǎn)比較大的作業(yè)，勘察設(shè)計(jì)單位應(yīng)盡可能多進(jìn)行地質(zhì)取芯鉆探，提高地質(zhì)圖繪制的準(zhǔn)確。開(kāi)挖施工前第三方監(jiān)測(cè)單位要做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，為施工單位提供準(zhǔn)確的圍巖情況預(yù)報(bào)。施工單位在隧道施工時(shí)要嚴(yán)格遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、早噴錨、勤量測(cè)、緊封閉”的施工原則，并根據(jù)掌子面實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)整開(kāi)挖施工方法。只有參建各方均將自己的工作做到精細(xì)化，才能保證隧道施工時(shí)安全，隧道質(zhì)量過(guò)硬。