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坪石隧道新奥法支护参数的设计验算及现场验证
●周建春魏琴（华南理工大学交通学院广州 510640）
●李希元（广东省公路工程建设集团公司广州 510635）
　　摘要：根据衬砌结构有限元分析方法及公路隧道设计规范，对京珠
高速公路坪石隧道S2～S4型支护参数进行设计验算，并结合新奥法施工
监控量测数据，对支护参数进行了对比分析。
关键词：公路隧道；新奥法监控量测；支护参数验算
图1　Ⅱ类支护设计示意
1　概述
坪石隧道是京珠国道主干线粤境高速公路小塘至甘塘段重要工程之一，
位于广东省乐昌市坪石镇灵石坝村辖区，为分离式单向行车双线隧道。
隧道左线全长510m（其中明洞长45m），右线全长505m。
隧道围岩为泥质粉砂岩、细砂岩，属软质岩石，隧道洞身围岩类别以Ⅳ
类为主，洞山处及局部地段为Ⅱ、Ⅲ类。在左右线进出洞口处，由于其围岩主要为强、弱风化岩层，
岩体风化较剧烈，风化节理裂隙较发育，隧道围岩不稳定。
隧道区共发育两个泉，隧道开挖过程中出现了涌水现象，对围岩稳定不利。
为保证坪石隧道的新奥法施工的顺利进行及验证支护参数，在坪石隧道
实施了施工监控量测必测和选测项目，必测项目包括地质及支护状况观察描述、周边位移、拱顶下沉免费论文本文来自http://wwww.coollw.com
、地表下沉量测；选测项目包括围岩内部位移量测、锚杆轴力量测、衬
砌应力量测、围岩压力及层间支护压力量测以及钢支撑应力量测。
本文根据衬砌结构有限元分析方法，利用现行公路隧道设计规范的规定
，对坪石隧道支护变形和内力进行了计算，并与新奥法施工监控量测的
数据进行对比，从而验证了设计支护参数的合理性。
图2　二次衬砌结构模型示意
图3　单元划分示意
2　坪石隧道支护参数的设计
除明洞结构外，坪石隧道左右线衬砌均按新奥法原理设计，采用复合式
衬砌，以锚杆、喷射混凝土、钢拱架（钢格栅）作为初期支护，模注混
凝土作为二次衬砌，在两次衬砌之间设PVC复合防水层。图1是坪石隧道
S2型支护设计简图，限于篇幅，S3、S4
型支护设计简图略。
　　　注：1表中正值表示受拉，负值表示受压：强度单位为MPa；
2表中“—”表示实测过程中传感器断线无最终实测值。
图4　S2型衬砌内力示意
图5　S3型衬砌内力示意
3　二次衬砌荷载效应计算
隧道围岩力学参数为：Ⅱ类围岩：泥质粉砂覆盖层，容重25．8kN／m3
，弹性模量3．32×106kPa，内聚力C＝30kPa，内摩擦角24°，泊松比
μ＝0．28。Ⅲ类

围岩：泥质粉砂覆盖层，容重25．8kN／m3，弹性模量3．32×106MPa，

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内聚力C＝30kPa，内摩擦角24°，泊松比μ＝0．28。Ⅳ类围岩：泥质
粉砂覆盖层，容重25．8kN／m3，弹性模量3．32×106kPa，内聚力C＝
30kPa，内摩擦角24°，泊松比μ＝0．28。
采用现行《公路隧道设计规范（JTJ026—90）》中的深、浅埋围岩压力
—结构模式，对二次衬砌杆系模型进行计算。图2是隧道衬砌计算程序
采用的基本结构计算模型简图。由于荷载与结构均对称，因此可取半边
对称结构计算（图3）。
按上述计算模型得到二次衬砌的内力后，通过组合即可得到作用在二衬
上的荷载效应。3种衬砌的荷载效应如图4～图6所示。
图6　S4型衬砌内力示意
图7　Ⅱ型衬砌配筋示意
4　二次衬砌支护参数验算
由结构设计原理可知，在衬砌的上、下边缘的弯曲正应力可由下式计算
（小偏心受压）
σt＝N
A±M
Wt，σb＝N
A±M
Wb式中　N———为换算截面重心处的轴力，M为截弯
矩；A———为换算横截面积；W———为换算截面上、下缘的截面模量
；t，b———分别表示截面上、下缘。
Ⅱ类支护拱顶处二衬截面上、下缘的弯曲正应力
计算如下：已知　b＝1m，h＝0．5m，
A＝bh＝0．5m2
I＝1
12bh3＝1
12×1×0．53＝1．04166×10－2m4
σt＝91．51×104N／A＋8．19×10×0．5／2

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1．04166×10－2
＝91．51×10－4N／0．5m2＋1．9656MPa＝1．8302MPa＋1．9656MPa＝
3．7958MPa
σt＝91．51×104N／A－8．19×10×0．5／2
1．04166×10－2
＝91．51×10－4N／0．5m2－1．9656MPa＝1．

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