大跨浅埋偏压隧道围压实测及结构受力分析

江 磊，侯哲生，吴海卫

(烟台大学土木工程学院，山东烟台264005)

随着我国高等级公路建设的发展，隧道工程成为重要的组成部分。对于大跨度隧道，由于地质条件的限制，常常不可避免地处于浅埋偏压段，且这种大跨浅埋偏压隧道呈现逐年增长的趋势。由于大跨浅埋偏压隧道内部受力条件较为复杂[1－3]，极易引起不利于衬砌结构的变形问题，甚至可导致结构开裂破坏等严重后果[4－5]，成为工程界与学术界较为关注的问题之一。

关于大跨浅埋偏压隧道的结构受力特性，已有相关学者做过一定的研究，具有代表性的有:陈秋南等[6]做了耳墙式隧道结构受力特征研究，得出地形偏压率P=4.0时结构受力比较合理的结论;李文江等[7]对地铁区间大断面隧道施工力学行为及地面建筑物对隧道结构受力的影响进行了研究;申玉生等[8]对双连拱偏压隧道的结构受力与施工工序之间的关系进行了研究;李讯等[9]做了基于围岩力学参数反演的隧道结构受力分析;宋克志等[10]做了围岩弹性抗力对隧道结构受力的影响分析;高世军等[3]针对地形与地质构造偏压隧道的结构受力及其偏压问题治理进行了分析;王恒松等[11]做了基于ANSYS的单线铁路隧道结构受力模拟分析，通过对支护衬砌结构轴力图、剪力图和弯矩图的分析，对结构的安全性做出评价;邓之友[12]做了浅埋偏压隧道结构荷载反分析研究。

由上述研究现状可以看出，尽管这方面的研究成果较多，但在进行相关结构计算时所施加的围岩压力基本是理论围岩压力。由于理论围岩压力与实际围岩压力之间往往存在较大的差别，从而导致其研究结论与实际之间具有一定的出入。为克服这一问题，本文以邢汾高速公路邢台段后偏梁大跨度隧道的浅埋偏压段为例，首先对实际的围岩压力进行了监测，之后以该实测围岩压力为结构计算的应力边界条件，对衬砌结构的受力特性进行了分析。

1 工程概况

1.1 隧道概况

后偏梁隧道位于邢汾高速公路邢台至冀晋界段，是一条分离式双向六车道大跨度隧道，左线长656 m，右线长 645 m，隧道净宽 15.540 m，净高 8.065 m。

隧址区地貌类型属构造剥蚀中低山地貌，路线横穿山脊，沿线地形地势特点纵向为中间高，两侧低，横向为中间低两侧高。隧道沿沟穿过山脊。隧址区海拔为553.40 m～578.92 m，地表植被发育，整体地形起伏较大。

根据工程地质测绘及钻孔揭露，隧址区出露岩性为上覆第四系全新统残坡积层(Qel+dl4)，主要为碎石;下伏全－强风化上太古界石家栏组(Ar3sh)，岩性为黑云片麻岩。

1.2 支护参数与衬砌尺寸

后偏梁隧道左幅汾阳端由于受地质条件限制，处于浅埋偏压段，其设计支护参数为:Φ50超前小导管支护，L=4.5 m，环向间距35 cm;Φ25中空注浆锚杆，L=3.5 m，纵环向间距100 cm ×80 cm;C25喷射混凝土，设计厚度为28 cm;Φ8单层钢筋网片，网格设计间距20 cm×20 cm;22b工字钢，设计间距60 cm;C25钢筋混凝土，二次衬砌60 cm～100 cm(注:右侧拱肩至右侧拱脚位置二衬厚度由60 cm逐渐增加至100 cm，其他位置都是60 cm)。后偏梁隧道衬砌具体设计尺寸见图1。

2 围岩压力测量

2.1 监测断面地质条件

为了获取实际的围岩压力，选择后偏梁隧道左幅浅埋偏压段的ZK63+352.6处为监测断面。该监测断面围岩发育两组节理，一组产状为99°∠27°，岩层走向与洞轴线(247°)夹角为 58°，另一组节理走向与第一组节理接近垂直，岩体整体较破碎。图2为监测断面处地形偏压示意图，图3为监测断面处掌子面工程地质素描图，图4为监测断面处掌子面围岩实拍照片。

2.2 压力盒布置

为了获得监测断面处整个拱架外缘的围岩压力，在本监测断面共布置37个压力盒，相邻压力盒间距均为0.8 m。全部布置于初期支护内的工字钢外侧，所用压力盒为XYJ－4型钢弦式双模压力盒。其中上导坑31个，在上导坑开挖后立即安装;下导坑6个，在下导坑开挖后立即安装。压力盒整体布置及编号见图5。

为保证拱架外缘的全部压力均传递至压力盒上，在每相邻两个压力盒之间均搭接了桥式传力钢板，如图6所示。

2.3 实测围岩压力

压力盒安装后，对各个压力盒的频率进行了持续跟踪监测，直至各压力盒的频率基本稳定，即压力盒受力基本稳定。图7为整个监测断面上所有压力盒的受力总和随时间的变化曲线。图8为整个监测期间总压力达到最大值时各个压力盒的压力值分布图，具有典型的偏压特征，与图2相对照，可见这种偏压特征与地形之间具有较为一致的对应性。

3 结构受力数值分析

3.1 数值模型的建立

本文二次衬砌结构受力分析的数值计算软件采用ANSYS。数值模型的建立依据图1给出的浅埋偏压段的衬砌尺寸与支护参数。

3.1.1 单元划分

选择BEAM3梁单元对二衬进行单元剖分。考虑到二衬厚度为0.6m，且采用平面应变进行分析，BEAM3梁单元的横截面如图9所示，其横截面积A=0.6 m2，对应中性轴的惯性矩I=bh312 =0.018 m4(注:右侧拱肩至右侧拱脚处惯性矩按照二衬厚度的变化重新计算取值)。

图10 为数值模型的单元划分情况，其中二衬共划分为56个BEAM3梁单元，单元编号为1号～56号。围岩对支护结构的弹性抗力采用COMBIN14单元进行模拟，在具体求解计算时需第一次计算后将受拉的COMBIN14单元删除并重新进行计算，直至剩余的COMBIN14单元中不产生拉力为止[13]。

3.1.2 节点分布

图11为数值模型的节点分布情况，二衬共布置56个节点，从左侧拱脚开始沿顺时针方向编号依次为1号～56号。

3.1.3 边界条件

本结构受力分析的应力边界条件以本文实测获得的围岩压力为准，即以图8所示的围岩实测压力为依据，在计算模型上添加与该图相一致的不对称非均匀压力。位移边界条件为将所有COMBIN14单元在围岩一侧的全部节点约束X方向与Y方向位移。边界条件的总体情况如图12所示。

3.1.4 材料参数取值

由图1可知，监测断面处浅埋偏压段的二次衬砌为C25钢筋混凝土，由文献[14－15]确定其密度、弹性模量和泊松比以及地层弹性系数如表1所示。

3.2 计算结果及分析

3.2.1 衬砌变形

图13为二衬的变形情况，其中黑色虚线为受力前的初始轮廓线，蓝色实线为受力变形后的轮廓线。可以看出二衬在受围岩压力最大的左侧拱肩处变形相应最大，向隧道中心方向压入;右侧边墙向围岩方向轻微挤出，仰拱总体向下变形且中部变形小两端变形大。

3.2.2 轴 力

图14为二衬的轴力等色图。轴力在受压力较大的左侧拱肩处最小，在两侧拱脚处最大，其他部位轴力大小介于前两者之间，二衬整个拱圈范围内各个部位的轴力相差不大。

3.2.3 弯 矩

图15为二衬的弯矩图。由图15可见左侧拱脚到拱腰位置二衬外侧受拉内侧受压，在受压力最大的左侧拱肩处二衬外侧受压内侧受拉，拱顶中部到右侧拱脚处二衬外侧受拉内侧受压，仰拱外侧受压内侧受拉。在二衬整个拱圈范围内各个部位的弯矩差别较大。

3.2.4 二衬受力状况

图16为二衬整个拱圈范围内各个节点处的应力分布情况，其中包括轴力引起的应力、弯矩引起的二衬外侧应力和内侧应力、二衬外侧总应力和内侧总应力(注:①图中的节点编号对应于图11中的节点编号;②图中应力以受压为正受拉为负)。

由图15可见:弯矩引起的二衬外侧应力在左侧拱脚(1号节点)至左侧拱肩(16号节点)之间逐渐增大;在左侧拱肩(16号节点)至右侧拱肩(27号节点)之间二衬外侧应力逐渐变小;在右侧拱肩(27号节点)至右侧拱腰(34号节点)之间逐渐增大;在右侧拱腰(34号节点)至右侧拱脚(42号节点)之间逐渐减小;在仰拱右侧(42号节点)至仰拱左侧(56号节点)之间逐渐减小。

弯矩引起的二衬外侧应力在左侧拱脚(1号节点)至左侧拱腰(10号节点)位置为负值(拉应力)，左侧拱腰(10号节点)到左侧拱肩(16号节点)位置为正值(压应力)，从左侧拱肩(16号节点)到拱顶中部(21号节点)位置为正值(压应力)，从拱顶中部(21号节点)到右侧拱肩(27号节点)位置为负值(拉应力);从右侧拱肩(27号节点)到右侧拱脚(43号节点)位置为负值(拉应力);仰拱右侧(43号节点)到左侧中部(53号节点)位置为正(压应力);仰拱左侧(53号节点)中部到左侧拱脚(56号节点)位置为负值(拉应力);弯矩引起的二衬外侧应力最小值在左侧拱脚(1号节点)处，为负值(拉应力)，最大值在左侧拱肩(16号节点)，为正值(压应力)。

轴力引起的应力在各个节点处相差不大。弯矩引起的应力变化比较大。弯矩引起的二衬内侧应力值与弯矩引起的二衬外侧应力值大小相等方向相反。二衬总应力受轴力引起的应力影响较小，受弯矩引起的应力影响较大。在整个拱圈范围内最危险的部位位于受围岩压力最大的左侧拱肩处。

3.3 不同厚度情况下二衬应力分析

考虑到不同的二衬厚度可能会对结构的受力产生影响，本文在前述二衬厚度为60 cm～100 cm计算之后，另外将其依次减少2 cm，分别按照58 cm～98 cm、56 cm ～96 cm、54 cm～94 cm、52 cm ～92 cm、50 cm～90 cm(注:此处二衬厚度的说明参见2.2节)五种情况进行相应的数值模拟。

计算之后，将二衬外侧总应力与二衬内侧总应力在各种厚度下的情况汇总于图17和图18之中(注:①图中节点编号对应于图11中的节点编号;②图中应力以受压为正受拉为负)。

由图17和图18可见，二衬外侧总应力在左侧拱脚(1号节点)与左侧拱腰(10号节点)位置之间随着二衬厚度的减小而逐渐减小;在左侧拱腰(10号节点)与拱顶中部(20号节点)位置之间随着二衬厚度的减小逐渐增大;在拱顶中部(20号节点)与右侧拱肩(29号节点)位置之间随着二衬厚度的减小逐渐减小;右侧拱肩(29号节点)到右侧拱脚(41号节点)位置之间随着二衬厚度的减小逐渐变小。在各个部位随着二衬厚度的变化其外侧总应力都有变化，但是这种变化的幅度不是很大。

二衬内侧总应力变化规律与二衬外侧总应力变化规律相反。

4 结论

本文以邢汾高速公路后偏梁隧道为例，通过实测围岩压力，对大跨度浅埋偏压隧道衬砌结构的受力特性进行了分析，获得以下一些主要结论:

(1)首次采用加大压力盒密度以及搭接传力钢板等手段，获得了大跨浅埋偏压隧道整个拱圈之上的围岩压力分布情况。实测围岩压力与地形之间具有较为一致的对应性，埋深大处压力大，埋深小处压力小，围岩压力受地形的影响显著。

(2)在整个拱圈范围内，轴力引起的应力在二衬各个部位相差不大。弯矩引起的应力在二衬各个部位变化比较大。弯矩引起的二衬内侧应力值与弯矩引起的二衬外侧应力值大小相等方向相反。二衬总应力主要由弯矩引起的应力控制。最危险的部位位于受围岩压力最大的左侧拱肩处。

(3)随着厚度的变化，二衬外侧总应力在左侧拱脚与左侧拱腰之间逐渐减小;在左侧拱腰与拱顶中部之间逐渐增大;在拱顶中部与右侧拱肩之间逐渐减小;在右侧拱肩到右侧拱脚之间逐渐减小。二衬内侧总应力与外侧总应力变化规律相反。尽管总应力与二衬厚度之间具有上述变化规律，但变化幅度比较有限。

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