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摘 要： 本文针对双车道公路隧道超浅段衬砌结构特性，以“结构-荷载”模型和截面强度检算理论，研究分析了大断面黄土公路隧道超浅埋段衬砌结构的力学效应及其截面强度的安全性，并借助FORTRAN计算机语言程序进行了辅助分析和计算，提出了公路隧道超浅段衬砌结构支护结构的力学分布特征及其截面强度的安全可靠性，据此评价了隧道的安全性，为今后类似工程的合理设计提供重要的理论支持。
关键词： 双车道；超浅埋黄土隧道；衬砌结构；力学特性；安全评价
【中图分类号】 TU443 【文献标识码】 A 【文章编号】 2236-1879（2018）03-0293-03
1 工程概况
镇原隧道位于庆阳市镇原县东南侧段家山及南川一带，隧道穿行黄土塬，进口布设于茹河右岸段家山村黄土山梁，进洞口位于盘连沟内，出口位于南川乡下沟左侧山梁。本隧道右线长度为4119m，左线长度为4135m，隧道为左右分离式双洞特长隧道，设计时速80Km/h。隧道进洞口为端墙式洞门，未设置明洞；隧道出口采用削竹式洞门，设置明洞左幅15m，右幅24m。隧道为黄土性质的土质隧道，最大埋深238m，围岩级别为Ⅳ、Ⅴ级围岩占70%。隧道进口处土体主体为离石黄土，含水量大，表层较为疏松，埋深浅，自稳性差，开挖极易坍塌。出口处均为中更新统下部较密实黄土，土体较为干燥，埋深浅，其自稳性差，开挖极易坍塌。
2隧道支护结构内力计算
隧道支护结构的受力完全取决于其与围岩的关系，新奥法提出了充分发挥围岩的自穩能力，让围岩承担围岩压力。而目前围岩压力的计算仍采用经验公式法，这也是我国《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）[1]所推荐的方法。在对隧道支护结构受力特征分析的过程中，首先，应据实判别出隧道实际埋深与理论埋深的相互关系，针对隧道设计断面做出的深浅埋的合理判断；然后，根据经验公式完成隧道围岩压力的合理计算；最终，计算出隧道衬砌结构典型断面处每一截面的强度安全系数，依此判断隧道结构的安全性。众所周知，隧道洞口段多为浅埋段，其支护结构的可靠性便备受关注了，它将直接影响整个隧道工程的施工安全。
2.1 隧道深浅埋判别。
按照荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判定。深浅埋分界值具体计算公式为下式（1）。
3 隧道支护结构计算实例
3.1 隧道支护参数与物理力学指标。
为更好地研究隧道洞口浅埋段支护结构的力学特性，本文以镇原隧道V浅埋段衬砌结构为背景，来研究分析浅埋段隧道衬砌结构的力学变化特征。图2为镇原隧道洞口段V级围岩衬砌结构设计图，衬砌厚度50cm， 采用C30 模筑混凝土， 图3为镇原隧道衬砌结构的单元划分图。由规范和设计资料查得镇原隧道支护材料的物理力学指标，并汇总表1中。根据图1和弹性链杆有限元知识及隧道衬砌结构内力计算FORTRAN程序的要求[3，4]，现将镇原隧道V级围岩浅埋段中某一断面处衬砌结构的每个截面的相关信息列于下表2中。
2. 隧道结构受力计算。
将衬砌结构所受荷载列于表1中可最终组成二次衬砌结构内力计算参数，即下表2。以表1和表2中的数据，借助隧道衬砌结构作用效应计算程序[4]进行系统计算和分析，本文最终计算得出了镇原隧道二衬支护结构作用效应，并将其结果汇总于镇原隧道二衬结构内力计算结果表中，即表3。同时，根据相关数值结果绘制了其受力特性分布图，即图4和图5。
4 结论
通过前面的分析得到了镇原公路隧道V级超浅埋段衬砌结构内力数值解和内力特性分布。在荷载对称、结构对称的情况下，本文通过计算结果和内力特性分布图等总结了两车道高速公路隧道衬砌支护结构的受力特点及其安全可靠性。具体得出以下几点结论：
1） 对于双车道公路隧道来说，其拱部范围较边墙部位受力要大，衬砌结构在拱顶有明显受弯迹象，呈现出衬砌脱离区，两侧拱肩有着明显向围岩挤压的迹象，呈现出衬砌抗力区；
2）从双车道公路隧道衬砌结构受力分析来看，衬砌结构的抗力区并非覆盖整个隧道边墙区域；
3）由结构受力分布特性可知，隧道的塑性变形区将较为集中，且分布于拱腰到拱脚区域内；
4）由隧道截面强度安全系数可看出，双车道公路隧道拱部的安全系数相对较小，应在施工过程中引起足够重视。
参考文献
[1] 《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004） [S]. 人民交通出版社出版
[2] 隧道与地下工程[M].中国建筑工业出版社，2010.
[3] 隧道力学数值方法[M].北京：中国铁道出版社，1994.
[4] 基于可靠度理论的黄土隧道衬砌结构安全评价与分析方法[D].西安：长安大学，2012.
[5] 《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005）[S].中国铁道出版社，2005.
关键词： 双车道；超浅埋黄土隧道；衬砌结构；力学特性；安全评价
【中图分类号】 TU443 【文献标识码】 A 【文章编号】 2236-1879（2018）03-0293-03
1 工程概况
镇原隧道位于庆阳市镇原县东南侧段家山及南川一带，隧道穿行黄土塬，进口布设于茹河右岸段家山村黄土山梁，进洞口位于盘连沟内，出口位于南川乡下沟左侧山梁。本隧道右线长度为4119m，左线长度为4135m，隧道为左右分离式双洞特长隧道，设计时速80Km/h。隧道进洞口为端墙式洞门，未设置明洞；隧道出口采用削竹式洞门，设置明洞左幅15m，右幅24m。隧道为黄土性质的土质隧道，最大埋深238m，围岩级别为Ⅳ、Ⅴ级围岩占70%。隧道进口处土体主体为离石黄土，含水量大，表层较为疏松，埋深浅，自稳性差，开挖极易坍塌。出口处均为中更新统下部较密实黄土，土体较为干燥，埋深浅，其自稳性差，开挖极易坍塌。
2隧道支护结构内力计算
隧道支护结构的受力完全取决于其与围岩的关系，新奥法提出了充分发挥围岩的自穩能力，让围岩承担围岩压力。而目前围岩压力的计算仍采用经验公式法，这也是我国《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）[1]所推荐的方法。在对隧道支护结构受力特征分析的过程中，首先，应据实判别出隧道实际埋深与理论埋深的相互关系，针对隧道设计断面做出的深浅埋的合理判断；然后，根据经验公式完成隧道围岩压力的合理计算；最终，计算出隧道衬砌结构典型断面处每一截面的强度安全系数，依此判断隧道结构的安全性。众所周知，隧道洞口段多为浅埋段，其支护结构的可靠性便备受关注了，它将直接影响整个隧道工程的施工安全。
2.1 隧道深浅埋判别。
按照荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判定。深浅埋分界值具体计算公式为下式（1）。
3 隧道支护结构计算实例
3.1 隧道支护参数与物理力学指标。
为更好地研究隧道洞口浅埋段支护结构的力学特性，本文以镇原隧道V浅埋段衬砌结构为背景，来研究分析浅埋段隧道衬砌结构的力学变化特征。图2为镇原隧道洞口段V级围岩衬砌结构设计图，衬砌厚度50cm， 采用C30 模筑混凝土， 图3为镇原隧道衬砌结构的单元划分图。由规范和设计资料查得镇原隧道支护材料的物理力学指标，并汇总表1中。根据图1和弹性链杆有限元知识及隧道衬砌结构内力计算FORTRAN程序的要求[3，4]，现将镇原隧道V级围岩浅埋段中某一断面处衬砌结构的每个截面的相关信息列于下表2中。
2. 隧道结构受力计算。
将衬砌结构所受荷载列于表1中可最终组成二次衬砌结构内力计算参数，即下表2。以表1和表2中的数据，借助隧道衬砌结构作用效应计算程序[4]进行系统计算和分析，本文最终计算得出了镇原隧道二衬支护结构作用效应，并将其结果汇总于镇原隧道二衬结构内力计算结果表中，即表3。同时，根据相关数值结果绘制了其受力特性分布图，即图4和图5。
4 结论
通过前面的分析得到了镇原公路隧道V级超浅埋段衬砌结构内力数值解和内力特性分布。在荷载对称、结构对称的情况下，本文通过计算结果和内力特性分布图等总结了两车道高速公路隧道衬砌支护结构的受力特点及其安全可靠性。具体得出以下几点结论：
1） 对于双车道公路隧道来说，其拱部范围较边墙部位受力要大，衬砌结构在拱顶有明显受弯迹象，呈现出衬砌脱离区，两侧拱肩有着明显向围岩挤压的迹象，呈现出衬砌抗力区；
2）从双车道公路隧道衬砌结构受力分析来看，衬砌结构的抗力区并非覆盖整个隧道边墙区域；
3）由结构受力分布特性可知，隧道的塑性变形区将较为集中，且分布于拱腰到拱脚区域内；
4）由隧道截面强度安全系数可看出，双车道公路隧道拱部的安全系数相对较小，应在施工过程中引起足够重视。
参考文献
[1] 《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004） [S]. 人民交通出版社出版
[2] 隧道与地下工程[M].中国建筑工业出版社，2010.
[3] 隧道力学数值方法[M].北京：中国铁道出版社，1994.
[4] 基于可靠度理论的黄土隧道衬砌结构安全评价与分析方法[D].西安：长安大学，2012.
[5] 《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005）[S].中国铁道出版社，2005.