张 佳

（山西工程科技职业大学，山西 晋中 030619）

0 引言

某高速公路工程全线长度为19.27km，汽车荷载等级为公路-I级，地质条件十分复杂。此高速公路工程包含了1 座双向分离式隧道，左线起讫桩号是ZK35+510～ZK35+930，右线起讫桩号是YK35+620～YK35+950。该隧道断面为三心圆曲墙式结构，其中净空断面积为166.29m2，采用复合式衬砌支护模式。此外，隧道需要穿过强风化与中风化的凝灰岩，围岩级别主要是IV级与V级。根据国际隧道协会（ITA）拟定的隧道断面数值划分标准，该隧道为大断面隧道。既然是大断面隧道，为了圆满完成工程建设任务，有必要该隧道实际情况，综合分析了大断面隧道围岩、支护结构受力与设计方法。

1 大断面隧道的基本特点

与普通隧道相比，大断面隧道的结构受力情况更为复杂，且支护方式设计与施工技术难度系数比较大。大断面隧道的基本特点具体如下：

（1）隧道拱脚应力集中问题较为突出，隧道拱脚部位的地基必须具备较强承载力，而且隧道开挖施工之后，拱腰、边墙应力会随着开挖宽度的扩大而增加；

（2）大断面隧道拱顶的稳定性相对较弱，通常设计者在隧道结构计算阶段需要假设围岩是一种连续均匀性的介质，这就导致岩体崩塌判断结果出现偏差[1]，事实上，大断面隧道的结构计算应主要参考普氏理论与块体平衡理论；

（3）大断面隧道的跨度与高度均比较大，由此就需要提高承载拱的埋深，特别是隧道浅埋地段，围岩无法形成良好的承载拱，从而造成隧道结构需要承受相对偏大的围岩松动压力。

2 大断面隧道结构受力分析

该工程隧道相关技术指标情况如表1所示。

表1 某高速公路隧道技术指标

针对大断面隧道结构受力计算而言，主要采用荷载-结构法、地层-结构法以及有限元分析法等。本文选择有限元软件MADIS/GTS建立大断面隧道二维平面模型，并分析初期支护与二次衬砌结构的受力状态。

2.1 MADIS/GTS有限元软件概述

MADIS/GTS有限元软件由迈达斯公司研发，其可以实现土体、岩石等相关材料受力变形特点的精准模拟[2]，通过多面体单元与不同本构关系实现岩土体塑性流动的有效模拟，具备较强的处理能力，借助其内置模块可完成大断面隧道初期支护和二次衬砌单元的模拟，具体求解过程如图1所示。

图1 求解流程

2.2 大断面隧道平面计算模型

以圣维南原理为基准，隧道项目可归为平面应变范畴[3]。考虑到大断面隧道结构受力分析的复杂性，由此本文选择二维平面模型实现隧道结构受力分析，且计算阶段忽略时间效应、空间效应以及构造应力场，把围岩、初期支护以及二次衬砌当作均质、连续以及各向同性材料。此外，采用莫尔-库伦屈服准则[4]，围岩为二维平面应变单元，初期支护和二次衬砌为一维梁单元，锚杆为一维杆单元，一共划分成了2588个单元与3961个节点，地基弹簧视为“仅受压弹簧”，围岩、初期支护以及二次衬砌相关参数如表2所示。

表2 围岩、初期支护以及二次衬砌物理力学参数

2.3 受力分析

（1）围岩应力场。根据计算分析结果发现，IV级围岩的最大应力处于边墙位置，为0.46MPa，而拱腰与拱顶的应力数值分别为0.37MPa、0.08MPa。V级围岩的最大应力处于下台阶分界拱腰位置，为0.61MPa，而边墙与拱顶的应力数值分别是0.54MPa、0.31MPa。由此可得，大断面隧道工程中拱腰到边墙区域的围岩压力大于拱顶区域围岩压力。

（2）初期支护应力场。IV级围岩下，初期支护最大应力处于边墙区域，为1.73MPa，而上、下台阶交界位置拉应力为0.43MPa，拱顶受力相对偏小。V级围岩下，初期支护最大应力处于拱顶区域，为4.68MPa，而上、下台阶交界区域的拉应力为3.7MPa。

（3）二次衬砌应力场。此大断面隧道的二次衬砌应力基本为压应力，其中最大压应力处于拱腰与边墙区域，同时局部位置具有拉应力。IV级围岩下，二次衬砌最大压应力为0.178MPa；V 级围岩下，二次衬砌最大压应力为0.305MPa。与初期支护对比，二次衬砌的压应力相对偏小，由此可知，大断面隧道中初期支护承受的荷载比较多。

3 大断面隧道衬砌设计

3.1 系统锚杆设计

通过计算系统锚杆轴力发现，大断面隧道应力承受载体是钢拱架与喷射混凝土，锚杆承受的轴力相对较小，所以优化支护结构的承载作用微弱。在隧道围岩发生塑性破坏之后，锚杆才会发挥出约束作用，对围岩进行加固。由于锚杆注浆容易出现不密实现象，所以在大断面隧道系统锚杆设计阶段，需要强化锚杆注浆体和围岩之间的黏结性，结合工程具体状况合理增减注浆量。

3.2 衬砌厚度设计

通过分析MADIS/GTS计算结果发现，IV级围岩与V级围岩的实际受力情况基本处于同一水平，支护结构设计较为保守，可适当地减小初期支护级别[5]。上台阶的压应力大于下台阶的压应力，此区域应提升混凝土喷射层的厚度。所以大断面隧道衬砌结构设计过程中应结合具体受力状况实施合理的变截面设计，也就是承受压应力较大的区域应提升混凝土喷射层的厚度，而承受压应力较小的区域则要减小混凝土喷射层的厚度。

针对大断面隧道而言，二次衬砌施工必须严格贯彻“新奥法”基本原则，综合分析围岩监控量数据，待到围岩与初期支护变形处于稳定后，再确定具体的二次衬砌施工时间。

3.3 结构设计

大断面隧道内轮廓尺寸需综合考虑隧道工程的界限，通风设计的合理性以及施工的便捷性等诸多因素。隧道结构设计工作当中，必须充分重视初期支护结构设计工作，防止围岩应力释放造成隧道变形量过大而导致严重的坍塌事故。根据新奥法的原理，隧道开挖工作结束之后，围岩会随着时间的延长而产生一定的变形，待围岩和初期支护变形基本稳定之后，方可施作二次衬砌。在设计工作当中需要基于不同的围岩条件预留不同的变形量，避免因隧道围岩变形量过大而影响到隧道的界限。

隧道初期支护采用喷锚支护工艺，通过高压喷射水泥混凝土和打入岩层中的金属锚杆的联合作用，可以最大限度提高隧道支护结构的稳定性。锚杆部分使用中空注浆锚杆，基于隧道工程所属区域的地质条件和的环境特点，对支护参数进行科学计算和分析。毛洞隧道围岩的应力力状态也称为二次应力状态，主要受隧道开挖方法、爆破方法等影响，同时和周围岩土力学性能以及初始应力场之间也有着直接关联。在隧道结构设计工作中需要充分重视围岩压力的变化。

4 结束语

文章结合某高速公路工程隧道实际情况，综合分析了大断面隧道围岩、支护结构受力与设计方法。研究得出的主要结论如下：

（1）大断面隧道结构受力情况尤为复杂，基本表现为隧道拱脚的应力集中，拱顶的稳定性相对偏差，无法形成良好的承载拱等；且支护方式设计与施工技术难度系数较大。

（2）大断面隧道拱腰到边墙区域的围岩压力大于拱顶区域的围岩压力，且大多数荷载是由初期支护结构承受；二次衬砌结构最大应力处于拱腰与边墙区域，同时局部具有拉应力。

（3）系统锚杆设计过程中，需要强化锚杆注浆体和围岩之间的黏结性，然后结合具体状况合理增减注浆量；同时衬砌设计必须结合实际受力条件合理采用变截面设计。