范 祺

（山西省高速公路综合行政执法总队 太原支队，山西太原 030006）

0 引言

隧道洞口浅埋段衬砌结构的稳定性至关重要，影响施工期和运营期隧道的安全性，已成为工程界和学术界关注的重点。目前研究主要在隧道施工期洞口浅埋段的稳定性，为验证浅埋段和边坡支护结构设计的合理性，付智源[1]结合G207 苏亭隧道浅埋段施工案例，通过对施工过程中布置测点对边坡、隧道围岩变形情况进行监测，分析了浅埋段隧道结构的稳定性，验证了设计与施工方案的可行性；张国银[2]以某高速公路隧道进口滑坡为例，通过工程地质勘察，查明了滑坡体的工程地质条件和滑坡产生的原因，评价了滑坡的稳定性。张福龙等[3]以阿拉坦隧道为工程背景，选取隧道拱顶竖向位移为研究对象，分析了隧道浅埋段围岩竖向位移的监测方法，并与数值计算结果进行了分析比对。运营期隧道洞口浅埋段在外荷载作用下的稳定性研究较少，本文以某高速公路改扩建为工程背景，采用数值模拟手段，研究渣土荷载对运煤铁路西寨隧道洞口段衬砌结构稳定性的影响。

1 工程背景

晋阳高速改扩建工程北留收费站建设过程中产生大量弃土，需通过渣土车运至杏王弃土场，途径阳电专用运煤铁路西寨隧道，如图1所示。经测量，渣土运输便道位于隧道上方6.16 m 处，便道边缘距隧道西洞口约29.8 m，便道宽6 m，如图2所示。

图1 运输便道与隧道相对位置关系

图2 运输便道示意图（单位：m）

西寨隧道建于1997年，全长297 m，洞口采用直墙式衬砌，其中顶部拱圈为变厚度截面，拱顶处薄、拱脚处厚。西洞口直墙式衬砌段长33 m，洞身采用曲墙式衬砌长239 m，如图3所示。调研发现，因年久失修衬砌结构出现不同程度的劣化，局部段落衬砌结构存在裂损、渗漏水等情况，如图4所示。经现场回弹试验，推测衬砌结构混凝土强度等级为C30。

图3 隧道洞身曲墙式衬砌结构

图4 洞内衬砌裂损及渗漏水情况

2 安全性评价模型

由于隧道修建年代久远，未搜集到相关施工图纸，通过现场调研、测量并参考相关规范[4]确定了西寨隧道的结构尺寸。为评价渣土荷载作用下西寨隧道的安全性，建立了西寨隧道三维安全性评价模型。为消除边界效应的影响，根据圣维南原理，模型左右边界到隧道中心的距离宜大于5 倍洞径，取为28 m；模型下边界到隧道底部的距离宜大于3 倍洞径，取为26 m；模型沿隧道纵向长度为53 m，其中直墙式衬砌33 m，曲墙式衬砌20 m。

采用四面体网格离散隧道三维安全性评价模型，离散后共计1 377 168 个单元，如图5所示。分析中围岩采用德鲁克-普拉格Drucker-Prager（D-P）屈服准则，该准则能较好地描述围岩的非线性受力与变形特性；钢筋混凝土衬砌结构采用线弹性本构。

图5 三维安全性评价模型和支护结构模型

计算分析中考虑围岩和结构自重等永久荷载，不考虑构造应力的影响；约束模型左右边界水平方向（隧道横断面）位移；在模型底部约束竖直方向位移；在模型前边界洞口端的仰拱以下约束隧道纵向位移；为模拟隧道纵向平面应变问题，在模型后边界的曲墙端约束隧道纵向位移。

3 相关计算参数和荷载施加

计算采用的相关参数如表1所示，其中钢筋混凝土衬砌结构的等效弹性模量按式（1）计算：

表1 围岩及支护结构相关参数

式中：E为等效弹性模量；E1为钢筋弹性模量；E2为混凝土弹性模量；A1、A2分别为单位面积A内钢筋面积和混凝土面积，A=A1+A2。

经调研，现场渣土运输车为德龙牌X3000型，如图6所示。根据《公路工程技术标准》（JTG B01—2014），车辆对路面的荷载全部通过后桥作用于路面，计算分析中轮胎接地面积采用矩形等效[5]，如图7所示。

图6 现场运输渣土车

图7 矩形均布荷载作用面尺寸（单位：cm）

将总重量施加到8 个车轮上得到等效均布荷载P1，按式（2）计算。

式中：P1为等效均布荷载，MPa；M为总重量，t；g 为重力加速度，取10 m∕s2。为描述行车过程中动荷载对路面的影响，通常用冲击系数联系动荷载与静荷载。一般情况下行车速度不超过50 km∕h 时，冲击系数不超过1.3，该计算分析中按1.3 考虑。不同尺寸车型的等效均布荷载和施加均布荷载计算结果如表2所示。

为评价最不利工况，假设同时有两辆货箱长为5.8 m的渣土车并行通过隧道上方，间距为1 m，施加的均布荷载P2如图8所示。因模型网格尺寸和轮胎接地面积尺寸的差异较大，该次评价中采用表2 所列型号3 将2.04 MPa 的均布荷载施加在车身投影面积上。

图8 等效的均布荷载（单位：m）

4 计算结果分析

4.1 渣土荷载作用下隧道衬砌结构应力

渣土运输荷载作用下，沿隧道纵向衬砌结构整体受弯，上部承压，下部受拉。直墙式衬砌与曲墙式衬砌交界处，因断面形式不同，易形成应力集中。为便于对比分析渣土荷载作用下隧道衬砌结构应力，在直墙式衬砌横断面上布置3 个观测点，分别为拱顶、拱肩、直墙与曲墙交界处，如图9 中1、2、3 点；在曲墙式衬砌横断面上布置4 个观测点，分别为拱顶、拱肩、仰拱和直墙与曲墙交界处，如图9 中4、5、6、7 点。

图9 隧道衬砌结构上布置的观测点

隧道衬砌结构的von Mises 应力分布情况如图10所示，最大压应力在拱顶，大小为2.05 MPa，远小于C30混凝土极限抗压强度[6]。图11 和图12 分别给出了直墙式和曲墙式衬砌的拉应力分布云图，最大拉应力均位于直墙与曲墙交界处，大小分别为2.34 MPa 和2.40 MPa，最大拉应力均略大于C30混凝土极限抗拉强度。但除局部应力集中外，隧道衬砌结构的整体拉应力小于1 MPa，远小于C30 混凝土的极限抗拉强度。

图11 直墙式衬砌拉应力分布云图

图12 曲墙式衬砌拉应力分布云图

隧道衬砌结构关键部位的应力统计结果见表3，分析结果表明：隧道衬砌结构关键部位的压应力小于C30 混凝土的极限抗压强度。观测点3 和7 附近，隧道直墙和曲墙式衬砌结构的局部拉应力略大于C30 混凝土的极限抗拉强度；拱顶局部拉应力约为1.8 MPa，其余部位的拉应力不超过1 MPa，均小于C30 混凝土的极限抗拉强度。说明渣土荷载作用下，隧道衬砌结构的拉压强度均满足安全性要求。

表3 衬砌结构观测点的应力值 单位：MPa

4.2 渣土荷载作用下隧道衬砌结构变形

为分析渣土荷载作用下隧道衬砌结构的变形，图13 和14 分别展示了渣土荷载作用下直墙式衬砌竖直方向和沿隧道纵向的位移分布云图。直墙式衬砌拱顶沉降量最大，为5.29 mm；因受到挤压变形，隧道洞门向外倾斜，最大倾斜量为0.73 mm。图15 给出了渣土荷载作用下曲墙式衬砌竖直方向的位移分布云图，拱顶沉降量最大，同样为5.29 mm。

图13 直墙式衬砌竖直方向位移分布

图14 直墙式衬砌沿隧道纵向位移分布

图15 曲墙式衬砌竖直方向的位移分布

隧道衬砌结构关键部位的变形统计结果见表4，分析结果表明：渣土荷载作用下隧道衬砌结构沉降自上而下逐渐减小，拱顶沉降量最大为5.29 mm；因渣土荷载对洞门的挤压作用，洞门向外倾，自上而下倾斜量降低，最大外倾量不到1 mm。说明渣土荷载对隧道衬砌沉降和水平变形的影响较小，隧道衬砌结构的稳定性满足要求。

表4 衬砌结构观测点的变形量 单位：mm

5 结论与建议

为评价渣土荷载作用下西寨隧道的安全性，在假定隧道施工质量符合设计要求和相关规范的基础上，选取最不利工况，按1∶1 建立有限元计算模型，分析了渣土荷载作用下西寨隧道衬砌结构的应力和变形，相关结论与建议如下：

a）渣土荷载作用下，西寨隧道衬砌结构沿纵向呈受弯状态，顶部受压、底部受拉。衬砌最大压应力位于拱顶为2.05 MPa；除局部应力集中外，隧道衬砌整体拉应力小于1 MPa，说明渣土荷载作用下，衬砌结构拉压强度均满足安全性要求。

b）渣土荷载作用下，西寨隧道衬砌沉降自上而下逐渐减小，拱顶沉降量最大为5.29 mm；洞门向外倾斜，自上而下倾斜量降低，最大倾斜量小于1 mm，说明渣土荷载衬砌沉降和水平变形影响较小，衬砌结构稳定性满足要求。

c）由于隧道修建年代较早，目前衬砌结构存在不同程度的劣损，建议施工单位委托第三方单位对隧道地表和衬砌结构变形等进行监测，同时加强对渣土运输车辆的组织管理，尽量避免两辆渣土车并行通过隧道上方。