赵鹏飞

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

1 工程概况

某隧洞位于长白山余脉及其支脉龙岗山底部，山体走向NE，地势呈东北高西南低。地貌类型为侵蚀构造地形和侵蚀堆积地形，以尖顶状低山和中低山、锯齿状中低山和树枝窄谷为主，多为侵蚀隆起与断褶中低山丘陵地形。地面高程一般360～540m，最大高程710m，最小高程291.2m。线路全长130km，设计输水流量75m3/s，多年平均输水量18.63亿m3。

隧洞主体工程采用以钻爆法为主、TBM为辅的联合施工方法。钻爆法施工长度为99.5km，占主体隧洞总长的76.05%，采用马蹄形断面，成洞洞径为7.28m×7.28m(宽×高)。

2 隧洞底板增加仰拱的由来

本工程初设阶段通过隧洞过流能力和稳定分析计算，确定钻爆法施工段成洞断面形状为马蹄形，成洞洞径为7.28m×7.28m(宽×高)，典型断面的结构型式如图1所示。

初设阶段考虑采用先仰拱、后边顶拱的二衬施工顺序，主要是因为在边顶拱衬砌完成之前仰拱要承担运输交通的任务，会导致仰拱混凝土面由于交通运输车辆的碾压而损坏，洞内灌浆、边顶拱衬砌施工等工作也对仰拱会造成污染，因此仰拱保护和修复会增加大量工作。故本工程钻爆法施工洞段的衬砌方式采用先边顶拱后仰拱的施工顺序。

实施阶段考虑采用先边顶拱后仰拱的施工顺序，从隧洞开挖完毕到仰拱衬砌开始时施工周期较长，仰拱部位长期暴露在空气和水中，导致部分凝灰岩、粉砂岩等火山碎屑岩与沉积岩及断裂破碎带、蚀变带与涌水部位受到风化扰动较大，为了保证初期支护和边顶拱衬砌的稳定，需要增设仰拱垫层以达到及时封闭仰拱的作用。故在隧洞底板上增设C30混凝土仰拱，仰拱厚15～20cm。

3 相关规范的规定

针对本工程马蹄形断面是否设置仰拱，设计人员首先查阅了相关规范，规范规定具体如下：

(1)SL 279—2016《水工隧洞设计规范》中对此未做具体的要求。

(2)GB 50086—2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》第7.3.1条规定，在开挖跨度5m

(3)JTG D70—2004《公路隧道设计规范》第8.4.2条规定双车道隧道Ⅳ类围岩的隧洞设置35cm厚的仰拱，Ⅴ类围岩隧洞设置45cm厚的仰拱。双车道隧道最小开挖跨度约7.5m。

(4)TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》第8.2.3条规定，对Ⅲ类软质岩以上的隧洞设置仰拱，Ⅲ类软质岩隧洞设置30～40cm厚的仰拱，Ⅳ类围岩的隧洞设置40～50cm厚的仰拱，Ⅴ类围岩隧洞设置45～60cm厚的仰拱。

第8.2.5条说明里面明确提出隧洞设置仰拱的目的是从根本上保证隧道基底置于基岩上，消除施工引起基底病害的潜在隐患；及时封闭仰拱或底板是保持洞室稳定的关键，在Ⅳ～Ⅴ级围岩中，仰拱尤其要超前施作。

由此可知，铁路和公路隧道设置仰拱的目的主要还是考虑结构受力和保护基底的要求。故针对本工程还需从隧洞初期支护的变形方面综合确定仰拱设置的必要性。

4 洞室初期支护后稳定分析

采用迈达斯GTS稳定分析软件，对本工程钻爆法施工的Ⅱ—Ⅴ类围岩洞室分别建立初期支护模型，然后分析仰拱对其初期支护后变形的影响。

4.1 模型的建立

为了能全面、准确地反映洞室开挖对洞周围岩的影响，综合考虑隧洞开挖几何尺寸、地层岩土体强度参数等因素并减少边界效应的影响，模型的尺寸根据有限元分析原理和一般处理经验，洞周围岩的影响范围：水平向的影响范围为隧洞开挖边界外3～5倍开挖直径，而竖向的影响范围则为开挖底部向下2～4倍开挖直径。模型尺寸将根据具体分析进行选取。

4.2 岩土体与结构的物理力学参数

根据提供的岩土体与结构的物理力学指标建议值，结合工程实际情况及与其他工程类比，对计算中所用到的岩土体与结构物理力学参数进行取值，见表1—2。

4.3 支护参数设计

依据SL 279—2016《水工隧洞设计规范》、SL 377—2007《水利水电工程锚喷支护技术规范》和GB 50086—2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》的有关规定进行隧洞结构设计。初期支护参数及仰拱设计具体见表3。

表3 洞室初期支护设计参数对比表

4.4 仰拱最小厚度的计算

依据JTG D70—2004《公路隧道设计规范》[3]第15.3.4条的规定，岩石路基的整平层混凝土的弯拉强度值应与基层相同，厚度为10～15cm，本工程取为C30素混凝土厚度为15～20cm，并根据工程实际运输情况对其承载强度进行复核。按照JTG D40—2011《公路水泥混凝土路面设计规范》附录B的规定进行复核，计算公式如下。

表2 支护材料的物理力学参数表

r=1.21×(Dc/Et)1/3

σps=1.47×10-3×r0.7×hc-2×Ps0.94

σpm=1.47×10-3×r0.7×hc-2×Pm0.94

式中，Dc—混凝土面板弯曲刚度；hc—垫层厚度值，为0.15m；Vc—为混凝土泊松比，C30混凝土取为0.2；R—相对刚度半径；Et—基层顶面回弹模量；σps—设计轴载在临界荷位处产生的荷载应力；σpm—最重荷载在临界荷位处产生的荷载应力；Ps、Pm—设计轴载及最重轴载，Ps值为标准出渣车轴载，该值取为100MPa，Pm值相应取为150MPa。

经计算σps为4.54MPa，σpm为4.14MPa，均小于规范允许值6MPa。

4.5 工况选择

针对Ⅱ—Ⅴ类围岩洞室分别对未支护、喷射混凝土支护、锚喷支护(或锚喷+拱架支护)和锚喷+仰拱洞室4种工况进行分析计算，以此确定其对限制洞室变形的影响程度，如图2所示。

4.6 计算成果

开挖和初期支护施做完成后，各类围岩断面顶部沉降位移和两侧起拱线下边墙位移最大。具体结果见下表4。

由表4可知，Ⅱ类、Ⅲ类围岩洞段由于岩体自身的特性开挖后洞周变形值较小，初期支护和仰拱对其变形的束缚能力有限；Ⅳ类、Ⅴ类围岩洞段由于围岩的凝聚力、内摩擦角、变形模量小，围岩在自重的作用下产生较大的变形，支护后的隧洞洞周围岩的变形较未支护的要小，而增加15～20cm厚的底板仰拱后，洞周围岩的变形大幅度减小，减小幅度为未支护的52%～86%，尤其是对Ⅴ类围岩洞段减少的更为明显，可见及时封闭仰拱可给边顶拱喷射混凝土提供稳定的支撑，对减少洞室围岩的变形极为有利。

表4 Ⅱ～Ⅴ类围岩开挖及多种支护后断面洞周最大位移统计表

Ⅳ类围岩在各种支护类型下变形计算如图2所示。

图2 Ⅳ类围岩在各种支护类型下变形计算图

增加仰拱还有以下几方面的优点：

(1)有效控制温度裂缝的产生，保证了衬砌的整体性和耐久性。

(2)及时封闭仰拱的作用可以阻止岩石的进一步风化与遇水软化，尤其是凝

灰岩、粉砂岩等火山碎屑岩与沉积岩及断裂破碎带、蚀变带洞段。

(3)有效改善洞内的施工交通及文明施工环境。

(4)减少衬砌时的底板清渣量，加快施工进度。

(5)使边顶拱台车就位更加精准、快捷，工效显著提高。

综合考虑以上优点，在本工程的实施过程中，对Ⅱ类～Ⅳ类围岩洞室底板增

加一层15cm厚的C30素混凝土仰拱，对Ⅴ类围岩洞室底板增加一层15cm厚厚的C30素混凝土仰拱。

5 结语

在水工隧洞中设置仰拱虽然由于增加了仰拱的开挖和衬砌工程量，导致投资增加，但通过迈达斯GTS软件分析可知仰拱可以给边顶拱初期支护的喷射混凝土提供一个稳固的支撑，有效减小了洞周围岩的变形，对隧洞的稳定是极为有利的，尤其是针对Ⅳ类、Ⅴ类围岩隧洞效果更加显著。

结合考虑仰拱能有效的控制温度裂缝的产生、减轻围岩的风化、改善了洞内的施工环境、加快施工进度和利于边顶拱台车的就位等因素，在本工程的实施阶段在隧洞底板下增加了一层15～20cm厚的C30素混凝土仰拱，经理论和实践证明是成功的，可为类似的水工隧洞设计提供参考。