燕 新，焦云成，高明明

（新疆交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

引言

随着国家的发展，许多地区越来越重视交通的发展，尤其针对广西、云南、贵州以及新疆等地方。在道路发展中，隧道工程的重要性和问题也越来越多，如塌方冒顶、突泥涌水［1］等问题。其中对单洞四车道隧道大断面而言，面临的问题更加复杂［2］，其中隧道断面跨度大，开挖难度大，地质复杂，支护参数要求高。

针对单洞四车道隧道遇到问题，宫成兵等［3］基于龙头山隧道对断面形式、支护结构方式以及开挖工法进行研究；吴明先等［4］通过现场试验，优化了单洞四车道的断面形式和开挖工法。单洞四车道大断面的所处地质复杂，结构受力复杂，需要对单洞四车道的初期支护和衬砌进行分析。

1 工程简介

西山隧道处路线穿越西山山脊，高程变幅为990～ 1 200 m，高差210 m，地势起伏，山势陡峻。隧道岩性主要为砂岩中间夹有强风化薄层泥岩岩层，风化严重，形成凹槽。主要发育两组切层裂隙，裂隙闭合，钙质填充，延伸1～3 m。根据国家地震局《中国地震动峰值加速度区划图》（GB18306—2015），该处地震动峰值加速度值等于0.20 g，地震动反应谱特征周期0.40 s。根据《公路隧道抗震规范》（JTG2232—2019），抗震设防烈度为Ⅷ度，场地类别为I 类。

2 模拟参数及假设

2.1 计算参数

西山隧道进口围岩主要为强风化砂岩夹泥岩，隧道围岩分级［BQ］值小于250，单轴饱和抗压强度为14 MPa，属于软岩。天然重度取值24 kN/m3，弹性模量E0为 5 000 MPa，泊松比0.35，黏聚力为 0.03 MPa，内摩擦角为35°。

（1）初期支护参数：采用I25 b 工字钢，喷射30 cm 厚C25 混凝土；（2）二衬支护参数：衬砌厚度为80 cm，混凝土采用C45，环形钢筋采用直径为25 mm，纵向钢筋采用25 mm。

为了保证模拟的有效性和准确性：（1）在初期支护稳定分析仅考虑围岩自重和结构自重，不考虑其他力对结构的影响；在衬砌结构受力分析中，考虑地震荷载对和温度荷载对隧道支护结构整体性的影响；（2）岩体为各项同性材料；（3）岩体服从Mohr-Coulomb 屈服准则。

3 数值模拟

采用ANSYS 有限元软件对V 级浅埋段的支护结构进行分析。根据初期支护、衬砌支护的受力特点，采用不同的方法对初期支护和衬砌结构进行受力分析。（1）利用地层-结构法进行二维数值仿真分析初期支护与围岩稳定性；（2）采用荷载-结构对衬砌的受力特点和稳定性进行分析。

3.1 初期支护模拟

建立二维模型，长度200 m，宽度100 m。边界条件：当x=-100 时，y=0；当x=100 时，y=0；当y=100 时，x=0。

以V 级围岩采用双侧壁导坑法开挖为例，分析CRD（交叉中隔壁工法）对围岩稳定性及支护参数的合理性。建立模型，见图1。

图1 双侧壁法数值仿真模型

根据对隧道开挖工法进行模拟，可得隧道周边变形和拱顶变形云图，见图2、图3。

图2 拱顶沉降/m

图3 水平位移/m

从图2、图3 可知，西山隧道V 级段拱顶沉降约35 mm，先行开挖的右边墙最大水平位移为10 mm，后开挖的左边墙最大水平位移为12.5 mm，总的水平收敛为22.5 mm。根据分析，CRD 开挖工法对于西山隧道进口浅埋段围岩变形有明显的控制作用。

由图4、图5 可知，初期支护以承压为主，绝大部分压应力均小于10 MPa，仅墙脚与仰拱接头位置的初期支护压应力达到24 MPa，基本达到喷射混凝土屈服强度。临时支撑压应力达10 MPa，弯曲较大。主要原因是V 级浅埋段开挖后，扰动范围较大，产生松动压力较大，同时临时支护作为细杆结构，容易发生弯曲。

图4 初期支护最大压应力/Pa

图5 初期支护最大拉应力/Pa

隧道初期支护整体强度满足要求，可以抑制围岩变形。由于仅墙脚与仰拱接头位置的初期支护压应力达到混凝土的屈服强度，因此，应该及时施做二衬支护，保证围岩的稳定性。

3.2 二衬支护模拟

对于V 级浅埋地段，隧道开挖后一定范围内隧道顶部受到扰动，初期支护承受着较大的围岩压力，容易发生破坏，将扰动后的围岩等效竖向应力，采用荷载结构法，对隧道衬砌的稳定性进行模拟。

衬砌计算考虑的主要荷载为永久荷载（衬砌结构自重、地层压力、侧向地层压力及地基反力、可变荷载（寒区温度变化的影响力）、偶然荷载（地震力）。

计算主要考虑三种组合：标准组合（永久荷载控制）、组合1（温度控制）、组合2（地震控制）。其中二衬内侧0 ℃与外侧-15 ℃考虑。V 级浅埋段的三种组合的计算结果见表1。

表1 V 级浅埋加强段衬砌各组合下结构内力

（1）单向四车道拱顶、边墙、仰拱等关键部位的受力较大；（2）在温度组合控制下，拱肩以下至边墙等部位受力有所减小，但拱顶、仰拱受弯显著增大，拱顶增幅20%；（3）在8 度地震力组合控制下，全环衬砌受力较之标准组合均有较大幅度增加，其中拱部、边墙部位的弯矩与轴力增幅约20%～25%，仰拱弯矩与轴力增幅约15%左右。受水平地震力的不对称影响，右半幅衬砌受力较之左半幅衬砌增幅有差异，也呈现不对称分布；（4）在上述组合受力下，虽然全环衬砌受力增大，但是衬砌受力均为达到屈服应力，表明隧道结构的有效性和安全性。

4 结语

（1）基于西绕城单洞四车道隧道，利用ANSYS对隧道支护结构受力和围岩变形进行分析。根据模拟结果可以表明：在单洞四车道隧道中，CRD 开挖工法中临时支护受力比较大，其压力大于10 MPa，有效地约束了围岩的变形；（2）考虑可变荷载（寒区温度变化的影响力）、偶然荷载（地震力）对衬砌进行受力分析，在地震力中，支护结构各部分剪力、轴力和弯矩均有增加，并呈现不对称性。但是结构力中均未达到屈服应力，保证隧道结构是有效的。