雙連拱隧道中隔墻數(shù)值模擬分析

史作璟

(林同棪國(guó)際工程咨詢(xún)(中國(guó))有限公司 軌道事業(yè)部， 重慶 401121)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，雙連拱隧道作為一種新型大跨度隧道形式，憑借其整體線(xiàn)性流暢、施工占地少、空間利用率高，且雙連拱設(shè)置避免了洞口道路分幅，并可節(jié)省總體工程投資等諸多優(yōu)點(diǎn)，逐漸得到了工程界的廣泛認(rèn)可。但是雙連拱隧道開(kāi)挖跨度大，左右洞、不同工序相互交錯(cuò)施工對(duì)圍巖內(nèi)部應(yīng)力擾動(dòng)較大。因此，雙連拱三導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中，有必要在設(shè)計(jì)階段對(duì)作為主要承載結(jié)構(gòu)的中隔墻的應(yīng)力、位移等進(jìn)行更加深入的研究。

本文以重慶市高新區(qū)森谷路雙連拱隧道為工程背景，采用MIDAS GTS 2.6大型有限元軟件，對(duì)雙連拱隧道三導(dǎo)洞臺(tái)階法開(kāi)挖各施工工序進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究了各階段施工過(guò)程中中隔墻應(yīng)力及位移變化情況，對(duì)施工中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)提出了切實(shí)可行的處理建議。

1 工程概況

重慶市高新區(qū)森谷路南北走向，為城市次干路，設(shè)計(jì)時(shí)速為40 km/h，雙向四車(chē)道，隧道全長(zhǎng)199 m，為短隧道，見(jiàn)圖1。隧道最大埋深26 m，洞身采用復(fù)合式襯砌，按新奧法原理設(shè)計(jì)與施工。從受力情況優(yōu)劣及經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，隧道內(nèi)輪廓采用曲墻三心圓雙連拱斷面。隧道所處地區(qū)總體呈丘陵斜坡地貌，地形坡度約5°～35°，隧道下穿山脊，上覆土層為第四系粉質(zhì)粘土，厚約1.0 m左右，下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組泥巖、砂巖層。擬建隧道頂部為丘陵山脊，灌木、雜草叢生，無(wú)水體分布，地下水貧乏。

圖1 森谷路隧道總平面圖

2 計(jì)算模型

隧道工程數(shù)值模擬，通常采用面單元模擬圍巖及隧道開(kāi)挖體，采用梁?jiǎn)卧M隧道噴射混凝土及二次襯砌支護(hù)，采用植入式桁架模擬錨桿對(duì)圍巖的加固處理，通過(guò)定義單元的“生”或“死”，實(shí)現(xiàn)隧道不同工況數(shù)值模擬。

根據(jù)森古路雙連拱隧道實(shí)際結(jié)構(gòu)形式及工程地質(zhì)特征，運(yùn)用大型有限元軟件MIDAS GTS 260建立了適當(dāng)簡(jiǎn)化的地層結(jié)構(gòu)法平面計(jì)算模型(隧道埋深26 m)。模型兩側(cè)及底部取約3倍洞徑，上部取到地表。由于模型為平面模型，模型左右邊界約束水平方向位移，底部約束豎直方向位移，模型頂部取到地 表，為自由邊界。模型尺寸為120 m×100 m，網(wǎng)格采用平面四邊形單元進(jìn)行劃分，數(shù)值分析模型單元?jiǎng)澐忠?jiàn)圖2所示。圍巖本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫(kù)侖模型，襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性模型，圍巖及支護(hù)材料計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。雙連拱隧道中隔墻受力與穩(wěn)定與施工步序有密切關(guān)系，根據(jù)類(lèi)似工程實(shí)踐，本隧道施工步序采用三導(dǎo)洞臺(tái)階法開(kāi)挖進(jìn)行模擬，隧道開(kāi)挖步序圖見(jiàn)圖3所示。

表1 圍巖及支護(hù)材料計(jì)算參數(shù)表

圖2 數(shù)值分析模型單元 圖3 隧道開(kāi)挖步序圖

3 數(shù)值模擬分析

從整個(gè)開(kāi)挖施工步序上來(lái)看，雙連拱隧道中隔墻及其頂部圍巖在施工過(guò)程中始終處于擾動(dòng)狀態(tài)，中隔墻應(yīng)力及其豎向位移是最為敏感和復(fù)雜的。因此，在設(shè)計(jì)階段分析中隔墻應(yīng)力、位移及其受力變形規(guī)律對(duì)解析中隔墻失穩(wěn)機(jī)理以及控制施工風(fēng)險(xiǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3.1 中隔墻應(yīng)力分析

受到左右導(dǎo)洞開(kāi)挖及各開(kāi)挖施工階段的影響，中隔墻的應(yīng)力一直處于變化之中，圖4為森谷路隧道三導(dǎo)洞臺(tái)階法開(kāi)挖主要施工階段下中隔墻主應(yīng)力圖。從圖中可以看出：中隔墻在澆注完成后其應(yīng)力場(chǎng)表現(xiàn)為很有規(guī)律的對(duì)稱(chēng)分布，應(yīng)力值主要為微小的壓力，這也說(shuō)明中導(dǎo)洞開(kāi)挖導(dǎo)致了圍巖應(yīng)力重分布，中隔墻澆注完成時(shí)其承載力還未完全發(fā)揮。隨著施工開(kāi)挖的進(jìn)行，中隔墻內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生了較大變化，墻體內(nèi)受壓區(qū)縮減并趨于集中，墻頂及墻底出現(xiàn)局部受拉區(qū)，在整個(gè)施工過(guò)程中，中隔墻第一主應(yīng)力呈現(xiàn)出“對(duì)稱(chēng)—不對(duì)稱(chēng)—對(duì)稱(chēng)”分布過(guò)程，其產(chǎn)生最大壓應(yīng)力0.95 MPa，頂部產(chǎn)生最大拉應(yīng)力1.3 MPa，底部產(chǎn)生最大拉應(yīng)力1.6 MPa(此拉應(yīng)力為一個(gè)比較危險(xiǎn)的信號(hào)，其已很接近混凝土單軸極限抗拉強(qiáng)度，因此在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該考慮中隔墻頂部及底部可能產(chǎn)生的拉應(yīng)力)；從不同施工階段第三主應(yīng)力圖可以看出，開(kāi)挖施工過(guò)程中單側(cè)主洞的開(kāi)挖無(wú)形中會(huì)對(duì)中隔墻施加一個(gè)“偏壓荷載”，施工過(guò)程中中隔墻一直處于偏壓作用下，中隔墻偏壓值在左洞開(kāi)挖完成后達(dá)到最大，中隔墻中部左側(cè)輪廓線(xiàn)附近壓力約為4.4 MPa，而右側(cè)約為1.5 MPa，壓應(yīng)力變化了約66%，故在施工過(guò)程中中隔墻有因偏壓而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，左右主洞開(kāi)挖完成后，其第三主應(yīng)力表現(xiàn)為明顯的“X”狀分布。

Step4 第一主應(yīng)力圖 Step4 第三主應(yīng)力圖

Step6 第一主應(yīng)力圖 Step6 第三主應(yīng)力圖

Step9 第一主應(yīng)力圖 Step9 第三主應(yīng)力圖

Step11 第一主應(yīng)力圖 Step11 第三主應(yīng)力圖圖4 不同施工階段中隔墻主應(yīng)力圖

3.2 中隔墻位移分析

圖5為森谷路隧道三導(dǎo)洞臺(tái)階法開(kāi)挖主要施工階段下中隔墻位移圖。

Step4 豎向位移圖 Step4 水平位移圖

Step9 豎向位移圖 Step9 水平位移圖

Step11 豎向位移圖 Step11 水平位移圖

從圖中可以看出：隨著隧道施工步序的推進(jìn)，中隔墻水平位移值一直處于變化之中，但總體較微小，極值出現(xiàn)在左洞下臺(tái)階開(kāi)挖后，約0.16 mm；中導(dǎo)洞開(kāi)挖及中隔墻施做后，中隔墻豎直方向上總體表現(xiàn)為上升，最大豎向位移出現(xiàn)在中隔墻底部，約上升0.4 mm，隨著施工階段的推進(jìn)，中隔墻豎向位移分布狀態(tài)與應(yīng)力分布一致也呈現(xiàn)出“對(duì)稱(chēng)—不對(duì)稱(chēng)—對(duì)稱(chēng)”分布過(guò)程，施工過(guò)程中先開(kāi)挖一側(cè)較后開(kāi)挖一側(cè)對(duì)應(yīng)中隔墻豎向位移大，施工完成后，中隔墻頂部下沉約0.7 mm，底部隆起約0.2 mm?？傮w來(lái)說(shuō)，施工過(guò)程中中隔墻一直處于下沉狀態(tài)，開(kāi)挖工況對(duì)中隔墻位移影響較小，設(shè)計(jì)階段可暫不考慮，中隔墻下沉主要受其下部巖土層地基承載力決定，在設(shè)計(jì)中可考慮加固地基等措施提高地基承載力，阻止中隔墻下沉。

4 結(jié) 論

通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了雙連拱隧道中隔墻在不同工況下的應(yīng)力及位移情況，得出以下結(jié)論：

(1) 施工過(guò)程中中隔墻頂部及底部均會(huì)產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力，為保證中隔墻不背拉裂，應(yīng)在中隔墻內(nèi)部設(shè)置一定鋼筋，增強(qiáng)中隔墻局部抗拉強(qiáng)度。

(2) 施工過(guò)程中中隔墻會(huì)受到一定偏壓荷載，且有扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，因此在設(shè)計(jì)中可考慮在先開(kāi)挖主洞對(duì)側(cè)設(shè)置橫撐等措施減弱中隔墻偏壓狀態(tài)。

(3) 施工過(guò)程中中隔墻一直處于整體沉降狀態(tài)，為阻止中隔墻下沉，在設(shè)計(jì)中可考慮加固地基等措施提高地基承載力，阻止中隔墻下沉。

[參考文獻(xiàn)]

[1] JTGD70-2004,公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S] .北京:人民交通出版社,2004.

[2] 夏永旭,魯斌.雙連拱隧道中隔墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].公路,2005(8):167-169.

[3] 關(guān)寶樹(shù).隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集[M].北京:人民交通出版社,2003.

[4] 朱正國(guó),付迎春,陳明長(zhǎng).富溪連拱隧道兩種施工方案的力學(xué)分析[J].路基工程,2009(2):40-41.

[5] 陳秋南,趙明華,張永興,等.偏壓雙連拱隧道信息化施工與仿真分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(8):1723-1727.

[6] 楊宏波,曾恕輝.淺談公路雙跨連拱隧道中隔墻施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2001,38(6):44-47.