收稿日期：2006-03-13

作者简介：袁勇，男，1962年生，教授，博士生导师，主要从事地下结构及混凝土结构方面的研究。E-mail ：Yuany@tongji.edu.cn

文章编号：1000－7598－(2008) 01－0240－05

超大断面低扁平率公路隧洞先成预应力

结构新型支护体系数值模拟

袁 勇1，王胜辉2

（1.同济大学 土木工程学院，上海 200092；2.国家开发银行湖南分行，长沙 410007）

摘 要：为适应日益增长的经济和交通发展需求，修建以4车道公路隧道为代表的超大断面低扁平率公路隧洞的需求初露端倪，这类隧道的低扁平率特征使传统的隧道支护体系面临许多困难，急待开发新型的隧洞支护体系。采用FLAC 数值模拟平台研究了基于隧洞“先成结构法”支护理念的“先成预应力结构”新型支护体系在提高超大断面低扁平率公路隧洞洞室稳定性方面的效果，为“先成结构法”支护理念在超大断面低扁平率公路隧洞中的应用实施提供了有力的支持。 关 键 词：超大断面；低扁平率；公路隧洞；洞室稳定性；支护体系；先成预应力结构；数值分析 中图分类号：U 451 文献标识码：A

Numerical modeling of pre-built and prestressed innovative support system for

super cross-section highway tunnel with lower flat-ratio

YUAN Yong 1

, WANG Sheng-hui 2

(1. College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Hunan Branch of China Development Bank, Changsha 410007, China)

Abstract: To satisfy the rapid development of economy and traffic, super cross-section highway tunnel with lower flat-ratio such as four-lane tunnel seems very necessary; and its lower flat-ratio makes that the traditional tunnel support system is difficult to support it. New support system has to be researched to enhance present status. The effects of an innovative “pre-built and prestressed” support system that come of “pre-built” ideology in enhancing the stability of super cross-section highway tunnel with lower flat-ratio have been studied by numerical modeling with FLAC, which are significant for the practice of “pre-built” ideology in super cross-section highway tunnel with lower flat-ratio.

Key words: super cross-section; lower flat-ratio; highway tunnel; tunnel stability; support system; pre-built and prestressed support system; numerical modeling

1 引 言

为满足典型地区交通量的需求，修建单向4车道或更多车道的公路设施已成为必然的现实需求，修建单洞4车道公路隧洞已是必然。我国目前已建成的4车道公路隧道有贵州凯里市大阁山隧道，全长496 m ，最大开挖宽度为21.04 m ，高度为11.5 m ，净跨度为18 m [1]；有“亚洲第一隧”之称的沈阳—大连高速公路韩家岭隧道也是一座开挖宽度为21.4 m 的单洞4车道公路隧道；还有广州绕城高速公路东二环段龙头山单洞4车道隧道最大开挖宽度达 22.1 m ，最大开挖高度（含仰拱）达13.2 m ，最大

开挖面积为229.4 m 2 [2]。这类公路隧道的跨度较普通隧道大，而高度变化不大；若以隧洞的洞高H 与洞宽B 之比即扁平率ρ来表征，这类隧道除开挖断面大外存在明显的低扁平率特征。研究和实践表明，这类公路隧洞因跨度较大，结构将承受较大的围岩压力，受力条件较为复杂；因结构扁平隧洞顶底将承受更高的围岩荷载，使用传统的隧道支护体系往往需要采用变低扁平率大断面为中扁平率小断面的分部开挖方法，如常见的台阶法、CD 工法、CRD 工法、眼睛工法及中壁工法等。这些方法存在的首要问题就是围岩多次挠动，掘进效率偏低，导致围岩的“未封闭”时间延长等，更为主要的是洞室的

断面尺寸难以取得突破。

因此，结合超大断面低扁平率公路隧道的特点，研究相应的新型支护体系、支护设计计算方法，以及合理工法是当前公路交通隧洞发展的迫切需求。

2 新型支护体系的基本理念

通过对超大断面低扁平率公路隧洞围岩及支护结构力学稳定特性的细致分析，可以形成一个基本观点：超大断面低扁平率公路隧洞相对于传统小断面大扁平率隧道而言，其洞顶部分是关键的薄弱环节。一方面其洞顶部分存在过大的拉应力区导致其洞顶围岩稳定性差；另一方面支护结构自身的几何特征导致洞顶部分支护机构的内力过大，稳定性差。尽管改变支护结构的几何特征不可能，但从提高超大断面低扁平率公路隧洞洞室稳定性出发，一方面可以考虑改善洞顶部分的应力状态，消除过大拉应区的不利影响；一方面可以考虑提高洞顶岩体结构的自身承载能力或融支护结构于岩体之中，即通过对洞顶部分岩体的加固使岩体自身成为高承载力的支护结构，这样不仅可以减小施作支护结构所需空间的额外开挖工程量，同时也回避了额外支护结构自重的不利影响[3, 4]。为此本文基于隧洞“先成结构法”支护理念提出超大断面低扁平率公路隧洞先成预应力结构新型支护体系，即在隧洞开挖前采用“预应力+注浆”措施来消除隧洞顶部一定范围的拉应力区，既能改善岩体的应力状态，同时又加固了岩体，从而在隧洞顶部形成高承载力的预应力加固带，提高超大断面低扁平率公路隧洞的稳定性[5, 6]。对当前预应力技术现状及相关施工机具情况作细致分析后，本文主要针对矩形超大断面低扁平率公路隧洞研究先成预应力结构新型支护体系的可行性等相关问题。

3 新型支护体系的数值模拟

3.1 数值分析模型

分析相关4车道公路隧道设计资料和规范要求后，本文模拟的4车道矩形超大断面低扁平率公路隧道为一高8 m、宽20 m的平顶隧洞，隧洞断面尺寸如图1所示。在假定完全由先成预应力加固带承受洞顶围岩荷载的条件下，根据隧洞洞室普氏拱理论和预应力梁极限承载理论，确定预应力加固带范围为洞顶以上高3 m、宽30 m岩体。另外，为避免软岩条件下涉及的较大预应力损失问题，根据公路隧道设计规范（JTJ026-90）[7] 附录1提供的岩石等级划分中围岩抗压强度值，确定先成预应力加固带参数时取围岩的抗压强度

b

R=30 MPa（硬岩抗压强度的下限值），并在考虑适当安全储备的前提下确定

预应力加固带梁端应力为

p c

0.6f

σ==18 MPa，即预应力加固带梁端总预压应力为5.4×107 N。

图1 4车道平顶隧洞断面尺寸（单位：m）

Fig.1 The prototype of rectangular four-lane

tunnel with flat roof (unit: m)

采用FLAC3D数值分析平台，利用对称性建立了如图2所示的先成预应力结构新型支护体系平面应变分析模型，分析域的范围在水平向为160 m，竖向为88 m，并使洞室中心和模型中心相重合，这样模型边界均满足大于3倍的洞室尺度的要求；模型边界条件为底部竖向和水平向固定，左、右侧边界水平向固定，竖向自由。在确定针对中等围岩情况的公路隧洞展开分析后，参照文献公路隧道设计规范（JTJ026-90）附录1中提供的Ⅲ类围岩物理力学指标标准值，确定本次数值计算中围岩的力学参数重度γ=23.5 kN/m3，弹性模量E=3 100 MPa，泊松比µ=0.33，并假定围岩本构满足弹性关系。另外，通过提高预应力加固带范围的岩体弹性模量来考虑注浆效果；同时在该部分岩体中设置6根均匀分布的Cable结构单元，并在预应力加固带端部设置Shell单元，以预应力锚定板来模拟预应力加固结构，通过对Cable单元施加预应力（Pretension）来实现预应力加固过程[8]。

图2 先成预应力结构体系数值分析模型

Fig.2 Numerical model of the pre-built support system

围岩

隧洞

预应力加固带

241岩土力学 2008年

3.2 先成预应力结构效应分析

这里主要是分析先成预应力结构对提高超大断

面低扁平率隧洞稳定性的问题。同时为分析注浆效

果对整个预应力结构体系的影响，分别分析了预应

力加固区岩体弹性模量较原状围岩提高10倍和不

提高两种情况。具体包括预应力加固区岩体弹性模

量提高10倍的先成预应力结构加固隧洞的稳定性

分析；预应力加固区岩体弹性模量不提高的先成预

应力结构加固隧洞的稳定性分析和无先成预应力结

构的4车道矩形公路隧洞稳定性分析3种情况。在

对评价隧道围岩性状的指标做细致比选后决定取出

3种情况下洞周各点的最大和最小主应力、洞周切

向应力、开挖引起的洞周位移4个指标来比较分析

先成预应力结构在改善超大断面低扁平率公路隧道

洞室稳定性方面的效果。下面的比较分析中应力符

号拉为正、压为负。

（1）从隧洞周边的最大主应力的变化来看，采

用先成预应力结构加固能有效地改善隧洞开挖毛洞

的稳定性，尤其是洞顶、洞底的最大主拉应力得到

了显著减小，当注浆加固的岩体弹性模量有较大提

高的情况下（10倍）先成预应力结构的效果十分显

著，隧道洞周的最大主应力状态得到了明显的减小。图3、图4是3种模型洞顶和洞底最大主应力沿半洞跨的分布情况，其中横坐标数值为相应应力单元中心到跨中的距离用半洞跨（L=10 m）归一化处理后的数值。

图3 洞顶最大主应力沿半洞跨的分布

Fig.3 The maximum principal stresses along tunnel roof

（2）从洞周最小主应力和切向应力随先成预应力结构加固的变化来看，先成预应力结构能有效地改善洞顶、洞底的应力状态，尤其是注浆加固的岩体弹性模量有较大提高的情况下（10倍）先成预应力结构对洞顶应力状态的改善十分明显，但其对洞底应力状态的改善却不如注浆加固后弹性模量提高不大（1倍）的情况；这主要是加固区弹性模量提高越多，预应力加固的集中效果越好，预应力被有效地束缚在洞顶关键区域。因此，注浆加固后弹性模量提高越多，预应力加固的效果越好，先成预应力结构对洞顶应力状态的改善也越明显，对隧洞稳定性的改善效果越好；同时洞侧壁最小主应力随加固方案的变化也说明了这一点。图5是3种模型洞顶最小主应力沿半洞跨的分布情况，其中横坐标数值为相应应力单元中心到跨中的距离用半洞跨（L=10 m）归一化处理后的数值。

图4 洞底最大主应力沿半洞跨的分布

Fig.4 The maximum principal stresses along tunnel floor

图5 洞顶最小主应力沿半洞跨的分布

Fig.5 The minimum principal stresses along tunnel roof

（3）从3种模型开挖引起的洞周位移来看，先成预应力结构能显著地减小超大断面低扁平率公路隧洞开挖毛洞的洞顶沉降30 %左右，且洞顶沉降值的减小呈现与注浆加固效果关系不大的趋势。但其对于改善隧洞毛洞的洞底隆起位移没有作用，甚至采用先成预应力结构后洞底隆起位移还略有增大，且注浆效果越好，洞底隆起位移增大越多，但增大的相对量值很小。分析认为，采用先成预应力结构后，由于洞顶部分的结构刚度增大、位移减小，因此，开挖引起的能量释放被大幅度减小，开挖引起的竖向次应力在一定程度上转移到侧墙外侧。正是由于该部分的竖向应力增大，即使在洞底的最大主拉应力减小的情况下，还是导致了洞底隆起位移略

242

第1期 袁 勇等：超大断面低扁平率公路隧洞先成预应力结构新型支护体系数值模拟

有增大。同时先成预应力结构对于改善毛洞的侧壁挤出位移没有影响，尤其是注浆效果不佳的情况下（1倍弹性模量），毛洞的侧壁挤出位移增大很多，这对于隧道的侧壁稳定是相当不利的。但在注浆效果较好时（10倍弹性模量），采用先成预应力结构仅仅是使侧壁挤出位移略有增大，并不会使隧洞的侧壁稳定性有很大程度的恶化。分析认为，在注浆加固效果不佳的情况下，施加于预应力结构上的预应力在围岩中的分布比较分散，并不会象注浆效果较好的情况下被束缚在洞顶关键区域，在隧洞开挖后这部分次应力的释放引起了较大的侧壁挤出位移，但在注浆加固效果较好时，这部分次应力并不大，因此，引起的不良结果也要小很多。图6是3种模型开挖引起的洞顶沉降位移值沿半洞跨的分布情况，其中横坐标数值为相应位移单元中心到跨中的距离用半洞跨（L =10 m ）归一化处理后的数值。

图6 开挖引起的洞顶沉降沿半洞跨的分布

Fig.6 The settlements after excavation along tunnel roof

（4）为进一步分析先成预应力结构改善超大断面洞顶沉降的机制，取出3种情况下洞顶中轴线处围岩的竖向位移作比较分析，见图7。可以看出，先成预应力结构对于改善洞顶内部围岩的竖向沉降也具有积极意义，距离洞顶越近围岩的内部沉降因

图7 开挖引起的洞顶中轴线围岩深层沉降

Fig.7 The settlements of inner rock above

midpoint of tunnel roof

采用先成预应力结构减小越明显，在达到2.5倍洞高以后先成预应力结构对围岩内部深层位移减小的作用趋于稳定，减小的幅度稳定在20 %左右，因此先成预应力结构对于改善超大断面低扁平率公路隧洞的整体位移稳定性都具有积极意义。

另外，分析中还发现先成预应力结构对提高超大断面低扁平率公路隧道稳定性方面的作用还体现在将侧墙边缘的较高竖向应力转移至侧墙内部，这样使侧墙的应力集中得到减小，侧墙的应力比较均匀。尤其是注浆效果好的情况下采用先成预应力结构后整个侧墙的竖向应力明显趋于均匀，因此，对于克服侧墙的局部承载力不足以及侧墙边缘的局部剪切破坏问题具有重要意义。 3.3 先成预应力结构效应比较

在特定的围岩和注浆效果条件下，预应力水平不同的先成预应力结构对隧洞稳定性的效果将不同。分析不同预应力水平先成预应力结构的效果对于确定特定条件下适宜的预应力水平具有重要意义。因此，本文特别分析了在注浆效果比较好的情况下（预应力加固区弹性模量较原状围岩提高10倍）预应力水平分别为围岩抗压强度b R =30 MPa 的0倍（但同样提高预应力加固范围内的围岩弹性模量值）、0.2倍、0.4倍、0.6倍、0.8倍、1.0倍条

件下的先成预应力结构效应的差异，对应的预应力

水平分别为 1.6q ，3.2q ，4.8q ，6.4q ，8.0q ，其中

q hB γ=。式中的γ为围岩重度；h =8 m 为洞室高度；B =20 m 为洞室跨度。

通过对不同预应力水平先成预应力结构的超大断面低扁平率公路隧道开挖后的洞周应力和开挖引起的位移结果比较分析后，发现从应力的角度考虑，越高预应力水平的先成预应力结构对隧洞应力状态的改善效果越好，越有利于隧洞的稳定性。但从隧洞因开挖的位移来看，不宜采用过高的预应力水平。对于本论文假定的较好注浆加固效果条件下，在不超过围岩抗压强度的前提下，建议超大断面低扁平率公路隧洞先成预应力结构采用的预应力水平为5q ～8q （其中q hB γ=，h =8 m ，B =20 m ）。

4 结论及建议

利用FLAC 数值模拟平台研究了先成预应力结构对改善超大断面低扁平率公路隧洞洞室稳定性的效果，并在此基础上比较分析了不同预应力水平的

先成预应力结构的不同效应，以确定超大断面低扁平率公路隧道先成预应力结构合适的预应力水平。分析表明，采用先成预应力结构加固能有效地改善

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超大断面低扁平率公路隧洞开挖毛洞的稳定性，能有效地改善洞周的应力状态，减小开挖引起的洞顶沉降。尤其是洞顶、洞底的最大主拉应力得到了显著的改善，当注浆加固的岩体弹性模量有较大提高的情况下（10倍），先成预应力结构的效果十分显著，洞周的最大主应力状态得到了明显的改善。另外，先成预应力结构的效应还体现在减小洞顶以上围岩内部的竖向沉降和改善洞室侧墙内部的竖向压应力分布方面。对于本文假定的较好注浆加固效果条件下，在不超过围岩抗压强度的前提下，建议超大断面低扁平率公路隧洞先成预应力结构采用的预应力水平为5q～8q。

参考文献

[1] 谭光宗. 市区浅埋大跨度公路隧道施工技术[J]. 西部

探矿工程, 2002, 5: 87－88.

[2] 中交第一公路勘察设计研究院技术管理处（科技简报）.

广州绕城高速公路东二环龙头山将建大断面单洞为4

车道的隧道[EB/OL]. http://202.199.184.16/tsg/fwdz/ kjjb.htm.

[3] Gregory E Korbin, Tor L Brekke. Field Study of Tunnel

Prereinforcement[J]. Journal of the Geotechnical Engineering Division, 1978, 104(8): 1 091－1 108.

[4] Gregory E Korbin, Tor L Brekke. Model Study of Tunnel

Prereinforcement[J]. Journal of the Geotechnical Engineering Division, 1976, 102(9): 5－908.

[5] B P 伊梅尼托夫. 锚索注浆加固岩体[J]. 国外金属矿

山, 1990, (5): 63－66.

[6] WINDSOR C R. Rock reinforcement system[J].

International Journal of Rock Mechanics and Mining

Sciences, 1997, 34(6): 919－951.

[7] JTJ026－90, 公路隧道设计规范[S].

[8] 王胜辉. 超大断面低扁平率公路隧洞新型支护体系研

究[博士学位论文D]. 上海: 同济大学, 2005.

上接第239页

[13] 李邵军, 冯夏庭, 杨成祥. 基于三维地理信息的滑坡监

测及变形预测智能分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2004,

23(21): 3 673－3 678.

LI Shao-jun, FENG Xia-ting, YANG Cheng-xiang.

Landslide montoring and intelligent analysis of deformation prediction based on 3D geographic information[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics

and Engineering, 2004, 23(21): 3 673－3 678.

[14] 李邵军, 冯夏庭, 张希巍, 等. 边坡安全性评估的三维

智能信息系统开发应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2005,

24(19): 3 419－3 426.

LI Shao-jun, FENG Xia-ting, ZHANG Xi-wei, et al.

Study on the development and application of three

dimensional intelligent information analysis for slope

safety assessment[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(19): 3 419－3

426.

[15] 李邵军, 冯夏庭, 王威, 等. 岩土工程中基于栅格的三

维地层建模及空间分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2007,

26(3): 104－109.

LI Shao-jun, FENG Xia-ting, W AND Wei, et al. Spatial analysis based on three dimensional strata grid model for geotechnical engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(3): 104－109. [16] 邬伦, 刘瑜, 张晶, 等. 地理信息系统——原理、方法

和应用[M]. 北京: 科学出版社, 2002.

[17] 马小虎, 潘治庚, 石教英. 基于凹凸点判定的简单多边

形Delaunay三角刨分[J]. 计算机辅助设计与图形学学

报, 1999, 11(1): 1－3.

MA Xiao-hu, PAN Zhi-gen, SHI Jiao-ying. Delaunay triangulation of simple polygon based on determination of

convex-concave vertices[J]. Journal of Computer Aided

Design and Computer Graphics, 1999, 11(1): 1－3. [18] 孙家广. 计算机图形学[M]. 北京: 清华大学出版社,

1999.

[19] 刘勇奎, 高云, 黄有群. 一个有效的多边形裁减算法[J].

软件学报, 2003, 14(4): 845－856.

LIU Yong-kui, GAO Yun, HUANG You-qun. An

efficient algorithm for polygon clipping[J]. Journal of

Software, 2003, 14(4): 845－856.

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