大斷面隧道仰拱底鼓破壞模式探析

許陽

（中交公路規劃設計院有限公司，北京 100010）

1 引言

隨著交通網絡的逐漸完善，隧道工程的建設也向復雜化、集成化的方向發展，出現了大量的大斷面隧道。 相對于普通隧道而言，大斷面隧道受力機理復雜，在圍巖壓力作用下，隧道仰拱容易出現底鼓破壞，影響行車安全性和舒適度。 目前，設計人員在處理大斷面隧道底鼓問題時， 主要是參考其他項目的建設經驗，對隧道仰拱受力機理和破壞模式理解不夠深入，導致仰拱底鼓處治方案不當或偏于保守。 近年來，國內外很多學者也通過模型試驗、 數值模擬等方法研究了大斷面隧道仰拱底鼓的破壞機理， 但是并沒有形成統一的規范或標準來指導隧道仰拱設計[1]。 因此，進一步研究大斷面隧道仰拱底鼓破壞具有十分重要的工程價值。

2 大斷面隧道仰拱底鼓力學機理

2.1 隧道底鼓影響因素

大斷面隧道仰拱底鼓機理復雜，主要受自然環境、人為因素及各種隧道災害的影響。

2.1.1 自然環境

自然環境對隧道仰拱底鼓的影響主要體現在兩個方面[2]：一方面，隧道施工開挖導致圍巖應力重新分布。 在應力重分布過程中，靠近隧道結構的圍巖切向應力增加，塑性圈半徑也不斷擴大，導致地形地貌變化而引起隧道仰拱底鼓；另一方面，地下水在仰拱及其下部巖土層中流動， 水流的滲透作用會使仰拱下部巖石出現崩解、膨脹等病害。 如不及時處理，破壞范圍還會不斷擴大。

2.1.2 人為因素

如果隧道仰拱設計或施工方案不合理， 如仰拱支護結構體系偏弱、仰拱厚度不足、仰拱混凝土振搗不密，會使仰拱支護能力不足。 在圍巖壓力作用下，推動仰拱及其下部淺層圍巖向隧道空間內移動運動，此時淺層圍巖會產生滑移、錯動等，直至破壞。 淺層圍巖破壞后，圍巖壓力繼續向深部圍巖傳遞，最終導致隧道仰拱壓曲失穩，即仰拱底鼓破壞。

2.1.3 隧道災害

對隧道仰拱底鼓影響最大的災害形式是地震。 在地震災害中，如果地震波方向和隧道軸向一致，仰拱拉壓力較大，易出現斷層或塌陷等； 如果地震波方向和隧道軸向以某一角度相交，仰拱會受到擠壓剪切作用。 當擠壓剪切力＞仰拱橫向支撐力，仰拱會失穩形成底鼓。

2.2 隧道底鼓力學機理分析

為了深入探究大斷面隧道仰拱底鼓破壞機理， 本文基于“薄板壓曲微分方程”對隧道仰拱做出了以下假設：（1）假設仰拱與邊墻的連接方式為固結， 兩端破壞后仰拱喪失豎向承載能力；（2）假設仰拱是一個厚度均勻簡支矩形板；（3）仰拱底鼓是由仰拱所受的垂直力及兩端所受擠壓力共同決定的。

根據圖1 所示的隧道仰拱模型， 推導出了仰拱的臨界平衡公式，見式（1）[3]：

圖1 隧道仰拱受力模型

式中，D為隧道仰拱的彎曲剛度，N·m；l為隧道仰拱寬度，m；m為正整數；px為隧道仰拱橫向荷載臨界值，N/m。

3 大斷面隧道仰拱底鼓破壞過程和變形規律

3.1 工程概況

本文以某高速公路大斷面隧道為研究對象， 利用有限元軟件ABAQUS 研究其仰拱底鼓破壞過程和變形規律。該隧道建設標準為雙向4 車道，設計速度100 km/h，設計荷載為公路I 級，設計洪水頻率為1/100，上、下行分離并列布置，左、右線長度分為1 856 m、1 878 m，左、右線斷面面積相同，均為68 m2，屬于大斷面隧道。 同時，隧道內輪廓為三心圓斷面，邊墻和仰拱混凝等級均為C30。 根據隧道施工圖勘察報告及相關鉆孔、勘探數據，該隧道圍巖以三疊系泥灰巖為主，隧道主要部位的計算參數見表1[4]。

表1 隧道主要計算參數

3.2 模型建立

利用ABAQUS 中的實體單元模擬隧道圍巖，屈服準則選用摩爾-庫倫模型；利用梁單元模擬隧道邊墻和仰拱，屈服準則選用彈性模型。 隧道模型尺寸取100 m×100 m×100 m，并在模型側面和底面設法向約束，頂面設置為自由邊界。 仰拱加載方式底部加載和側面加載兩種。

3.3 隧道仰拱破壞過程

3.3.1 底部加載

由ABAQUS 軟件計算結果可知：當隧道仰拱底部加載應力達到0.10 MPa 時，仰拱中心開始產生豎向裂縫。 隨著加載壓力的逐漸增加， 裂縫不斷擴展延伸。 當底部加載應力達到0.22 MPa，裂縫沿縱向貫通。 底部加載應力達到0.55 MPa，豎向裂縫沿縱向和豎向完全貫通，仰拱呈“W 形”破壞。出現上述現象的原因在于：在仰拱加載期間，其底部承受較大的頂升力（可視為均布荷載），仰拱可簡化呈單跨超靜定結構。 仰拱中心點的彎矩最大，也是仰拱最脆弱的位置。 當彎矩超過仰拱承載極限，出現張拉裂縫。 隨著仰拱底部頂升力增大，張拉裂縫持續發育， 而上部襯砌的存在阻礙了仰拱兩側隆起， 最終形成“W 形”破壞形態。 圖2 為大斷面隧道仰拱破壞過程示意圖。

圖2 大斷面隧道仰拱破壞過程示意圖

3.3.2 側面加載

仰拱在側面加載條件下的底鼓破壞形式與底部加載有所不同。 當隧道側面加載應力達到0.15 MPa、0.28 MPa、0.67 MPa時，仰拱所處狀態分別為仰拱中心出現裂縫、靠近拱腳位置出現裂縫、仰拱呈“L 形”“J 形”破壞。 這是因為：在側向荷載較大的條件下，仰拱所受的水平向軸力增大，導致其出現剪切破壞。

3.4 隧道仰拱底鼓變形規律

一般情況下，大斷面隧道仰拱越厚，承載能力越強，越不容易出現底鼓破壞，故仰拱厚度是影響底鼓破壞的重要因素。本文利用ABAQUS 軟件計算了仰拱厚度為10cm、20cm、30cm、40 cm、50 cm、60 cm 時，隧道仰拱中心底鼓最大位移，計算結果見圖3[5]（圖中B1、B2為回歸系數）。

圖3 不同仰拱厚度下底鼓變形量

由圖3 計算結果可知：隧道仰拱厚度為10cm、20cm、30cm、40 cm、50 cm、60 cm 時， 仰拱中心底鼓的最大位移分別為90.5 mm、88.6 mm、86.3 mm、83.2 mm、62.2 mm、42.0 mm。 這說明，隨著隧道仰拱厚度的增加，仰拱中心的最大底鼓位移不斷減小，但減小速率并不是固定的。 當隧道仰拱厚度＜40 cm，底鼓變形降低速率緩慢；當隧道仰拱厚度≥40 cm，底鼓變形呈驟降趨勢。

4 大斷面隧道仰拱底鼓控制措施

4.1 隧道施工過程中仰拱底鼓控制

4.1.1 仰拱參數控制

大斷面隧道仰拱在施工時， 要嚴格設計尺寸控制仰拱厚度，不得偷工減料或仰拱厚度過大。 相關研究成果表明，仰拱的寬度變大或減小， 會導致仰拱兩端擠壓橫向臨界荷載的急劇變化，故也要嚴格控制仰拱施作寬度，以免仰拱兩端擠壓荷載過大。 此外，仰拱混凝土標號、混凝土灌注振搗、混凝土養護、仰拱鋼筋間距和長度、鋼筋焊接質量等都要滿足設計文件的要求[6]。

4.1.2 仰拱修筑時機控制

大斷面隧道的仰拱修筑時間應結合監控量測數據確定，在符合應力釋放的條件下，盡早施工仰拱，將隧道結構閉合成環。 仰拱盡量修建在二次襯砌之前，以免仰拱修筑影響二襯應力重新分布。 但對于易發生仰拱病害軟弱圍巖路段，仰拱可以與二次襯砌同時修筑， 以縮短隧道結構閉環時間，保證施工安全。

4.1.3 仰拱開挖方法控制

為了減小仰拱底鼓可能性， 仰拱開挖方法嚴格遵循設計文件，少擾動、早封閉。 在多臺階開挖時，應根據隧道地質情況決定是否設置臨護仰拱；同時，還要搭建仰拱施工便橋，以減小仰拱施工對隧道施工進度的影響。

4.2 隧道運營過程仰拱底鼓控制

如果大斷面隧道在運營期間出現底鼓病害， 可通過以下措施進行控制：第一，隧道滲漏水防治。 隧道運營期間定時疏通隧道中心排水溝和洞外排水溝， 減小隧道底部圍巖所承受的靜水壓力，防止其進一步軟化。第二，加固拱腳及拱墻。隧道兩側拱腳補充鎖腳錨桿，并注漿加固拱墻基礎。 第三，更換仰拱。 仰拱如果出現底鼓、錯臺等，應采用風鎬開挖拆除仰拱，清理仰拱基槽，重新澆筑新的仰拱。第四，加強監測。對仰拱底鼓病害區域進行動態觀測， 實時掌握仰拱底鼓的發展趨勢和加固處理效果。

5 結語

本文研究了大斷面隧道仰拱底鼓影響因素、受力機理，并提托某高速公路隧道，利用ABAQUS 軟件探討了仰拱底鼓破壞模式和控制措施，主要得到以下結論：（1）隧道仰拱底會破壞受自然環境、人為因素、地震災害、火災等因素影響，且其受力滿足薄板壓曲微分方程；（2）大斷面隧道仰拱底鼓是裂縫不斷擴展的結果，在底部加載條件下呈“W 形”破壞，在側面加載條件下呈“L 形”“J 形”破壞；（3）為了避免仰拱底鼓破壞，大斷面隧道在施工期間應控制好仰拱寬度、厚度、施工時機、開挖方法等，運營期間應防治隧道滲漏水、加固拱腳及拱墻，加強仰拱監測。