淺埋雙連拱隧道施工方法三維數(shù)值模擬分析

董小衛(wèi)，孫曉紅，胡 邦

(1.湖南省岳陽市交通質(zhì)量和安全監(jiān)督管理局，湖南 岳陽 414000; 2.岳陽市交通運輸局，湖南 岳陽 414000)

0 引言

雙連拱隧道對兩端接線地形要求不要，洞口工程量相對小，接線順直，具有一定的美觀性，同時，在可靠性、經(jīng)濟性和時間性(指工期)上與其他施工方案有較大的可行性，90年代中后期、特別是進入21世紀后，在我國公路、市政道路的中短隧道中應(yīng)用的較為廣泛［1，2］。連拱隧道結(jié)構(gòu)特殊，開挖斷面大，施工工序多，相互間影響大，對圍巖擾動次數(shù)多，施工過程中，圍巖、初期支護、二次襯砌及中隔墻等受力情況變化頻繁［3］，如何采用合理的設(shè)計和施工方法保證施工及運營過程中圍巖及隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性，仍是連拱隧道研究重點。為此，擬以岳陽市平江縣S207 百福隧道實際工程施工為依托，在V級圍巖淺埋條件下，采用FLAC3D對常用的3 種主要工法進行數(shù)值模擬，從位移、應(yīng)力、塑性區(qū)域分布等3 個方面進行分析，得出最優(yōu)工法，為類似地層條件下的隧道工法的選擇和分析提供一定的參考。

1 模擬計算

1.1 工程概況

百福隧道位于岳陽市平江縣北西端，隧道起止里程樁號K2+000～K2+383，為383 m 的雙連拱短隧道，其結(jié)構(gòu)斷面見圖1。隧道區(qū)屬剝蝕微丘地貌，山體形態(tài)平滑圓潤，因人為開挖呈不規(guī)則狀，山坡植被較發(fā)育，地形起伏變化較大，地面高程變化在80.0～114.64 m 之間，高差 10～30 m，隧道埋深約9～32 m，其中 K2+195～K2+240 為沖溝處，地面高程99.00～101.59 m，埋深9～11 m。隧道區(qū)出露的地層有第四系覆蓋層及白堊系上統(tǒng)粉砂巖、礫巖，不良地質(zhì)較發(fā)育。

圖1 百福隧道襯砌結(jié)構(gòu)斷面圖(單位:cm)

1.2 計算模型

本次計算范圍取K2+195～K2+255，平均埋深為9m，下部取至隧道初期支護仰拱下30 m，左右各取52.5 m，隧道長60 m，由于計算模型長度較短，在模型計算范圍內(nèi)適當做了一定簡化，即將原地面取平、隧道的平曲線取直、豎曲線取平，計算中用實體單元模擬圍巖初期支護、二次襯砌、中墻，計算模型總單元數(shù)為58 290 個，總節(jié)點數(shù)為61 721 個，具體模型見圖2。

1.3 計算參數(shù)

設(shè)計初期支護參數(shù)見表1，本文根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG D70—2004)［4］和相關(guān)規(guī)程、規(guī)范，結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)查、勘探、取樣測試以及室內(nèi)巖土試驗結(jié)果，綜合分析，類比以往工程經(jīng)驗，除系統(tǒng)錨桿通過提高所處圍巖物理力學指標來等效處理外，其余計算參數(shù)均為實際設(shè)計和施工的數(shù)值，具體見表2。

圖2 計算模型

表1 洞身設(shè)計支護參數(shù)表

1.4 計算工況

結(jié)合相關(guān)理論和實際施工條件及施工經(jīng)驗，采取新奧法進行施工，選取3 種工況進行模擬分析，具體見表3。

表2 計算材料物理力學指標表

表3 工況一覽表

2 計算結(jié)果分析

與一般單洞不同，“三洞”開挖工序多，會引起群洞效應(yīng)，對圍巖的擾動次數(shù)多，圍巖和隧道支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變變化也變得十分復雜。

2.1 位移分析

在右洞中部30 m 處拱頂位置選取特征點M，圖3是3 種工況下，M 點沉降隨中導洞、左右線開挖面推進的變化曲線?？梢钥闯觯? 種工況下M 點位移變化規(guī)律基本相同，以工況2 為例:中導洞開挖至24 m 處，即掌子面距離過M 點垂直于隧道軸線的平面6 m(約0.5B，B 為單洞隧道寬度，下同)處，M 點位移開始變化，開挖至42 m 處，即掌子面距離過M點垂直于隧道軸線的平面12 m(約1B)處，沉降基本完成，但引起的最終沉降量僅為0.12 mm，約占M點最終位移量的4.9%，基本可以忽略不計;左線開挖至18 m 處，即掌子面距離過M 點垂直于隧道軸線的平面12 m(約1B)處，M 點沉降開始加速，開挖至42 m 處，即掌子面距離過M 點垂直于隧道軸線的平面12 m(約1B)處，對M 點沉降的影響基本消失，左線開挖對M 點最終位移量的貢獻率為11%;右線開挖引起M 點的位移變化規(guī)律最明顯，在開挖面距離M 點12 m(約為B)處，M 點沉降開始加速，表明此時右洞開挖引起的卸載已經(jīng)開始，當開挖面到達M 點附近時，其沉降量增幅最大，當開挖面經(jīng)過M 點后18 m(1.5B)處，位移基本完成。若不計中導洞和左線洞室開挖產(chǎn)生的先期沉降，僅考察右洞開挖面的影響，則開挖面自距M 點前12 m 推進到M 點時產(chǎn)生的位移釋放系數(shù)為57.8%;開挖面經(jīng)過M 點18 m 后處，位移釋放系數(shù)為98.1%。由此可見，不同洞室開挖之間是存在相互影響的，受開挖面影響較大的圍巖區(qū)域范圍與開挖面大小和掌子面距圍巖的距離等因素密切相關(guān)，主要集中在開挖面前方1B 和后方1.5B 范圍內(nèi)，對于本模型也就是M點前方12 m 和后方18 m。從最終沉降量來看，工況2 最小，為2.09 mm，工況1 位移次之，為 2.45 mm，工況3 位移最大，為4.01 mm。

圖3 M 點沉降隨開挖面推進變化規(guī)律(數(shù)字前“－”表示左洞開挖，“+”表示右洞開挖，其余為中導洞開挖)

2.2 應(yīng)力分析

選取連拱隧道主要受力結(jié)構(gòu)中隔墻作為分析對象，中隔墻所受荷載主要來自兩部分，一是自身上方圍巖覆土壓力荷載;二是左、右主隧道施工后，經(jīng)初期支護傳至中隔墻頂部的壓力荷載，這部分荷載在施工期間“隨施工進程動態(tài)變化”［2］。由圖4可知:中隔墻最大主應(yīng)力分布不對稱，右側(cè)最大主應(yīng)力數(shù)值和分布區(qū)域均大于左側(cè)，出現(xiàn)了明顯的偏壓，這主要是由于右洞開挖時，一方面中導洞、左洞開挖對右洞圍巖造成了多次擾動，導致右洞圍巖自承能力降低，初期支護反力增加;另一方面不對稱開挖導致圍巖應(yīng)力多次重分布，中導洞、左洞穩(wěn)定過程中，可能導致右洞圍巖內(nèi)力增加。最大主應(yīng)力主要集中在左、右主隧道傳至中隔墻頂部的初期支護上，成為連拱隧道施工中的一個薄弱環(huán)節(jié)，因此在主隧道施工時，應(yīng)重點進行監(jiān)測，可以通過中隔墻另一側(cè)及時進行回填來抑制應(yīng)力集中，防患于未然。從最大主應(yīng)力數(shù)值來看，工況1 初期支護所受的最大主應(yīng)力值為4.44 MPa，工況2 最大主應(yīng)力值為3.92 MPa，工況3 最大主應(yīng)力值為5.13 MPa，工況2 最大主應(yīng)力最小，初期支護安全系數(shù)最高，這可能是由于工況1開挖分塊過多，工況3 一次開挖斷面過大，周邊圍巖出現(xiàn)了較嚴重的松弛和卸載，工況2 的初期支護與圍巖變形協(xié)調(diào)性最好，充分發(fā)揮了圍巖的自承能力，形成了較好的圍巖－支護共同作用體系。

圖4 隧道施工完成后中隔墻最終最大主應(yīng)力云圖

2.3 塑性區(qū)分布

由圖5可知:塑性區(qū)分布主要集中在洞室上方的地表、拱頂、仰拱拱腳、中隔墻墻角等部位，這也是沉降較大或應(yīng)力較集中的部位;工況1、工況3 右洞開挖產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍明顯比左洞要大，并與地表連通，說明如果開挖方式選擇不當，后擾動更易使圍巖處于拉伸剪切屈服狀態(tài)，造成位移、應(yīng)力增加，不利于結(jié)構(gòu)的安全;工況2 塑性區(qū)分布范圍最廣，拱頂塑性區(qū)分布相對最均勻，說明工況2的初期支護與圍巖變形協(xié)調(diào)性最好，最能充分發(fā)揮圍巖的自承作用，進一步解釋了上述工況2 特征點M 位移最小、中隔墻最大主應(yīng)力最小的原因。

圖5 隧道施工完成后塑性區(qū)分布圖

3 結(jié)論

結(jié)合工程實際，對淺埋連拱隧道主要施工工法進行了數(shù)值模擬計算，選取連拱隧道的典型特征點及關(guān)鍵部位對計算結(jié)果進行了分析，得到如下結(jié)論:

1)不同洞室開挖之間是存在相互影響的，受影響圍巖區(qū)域范圍與開挖面大小和掌子面距圍巖的距離等因素密切相關(guān)，主要集中在開挖面前方1B 和后方1.5B 范圍內(nèi)。

2)連拱隧道施工中隔墻將出現(xiàn)明顯的偏壓，左、右主隧道傳至中隔墻頂部的初期支護上可能會出現(xiàn)應(yīng)力集中，施工時應(yīng)重點關(guān)注。

3)從上述位移、應(yīng)力和塑性區(qū)等計算結(jié)果綜合分析來看，工法2 最適合本工程，并可以進一步進行優(yōu)化，如在左側(cè)主隧道施工時，中隔墻另一側(cè)可以先進行回填。

［1］申玉生，趙玉光.高速公路雙連拱隧道的中墻力學特性分析［J］.地下空間與工程學報，2005，1(2).

［2］李 強，王明年，李玉文.雙跨連拱隧道兩種中墻的空間力學效應(yīng)分析［J］.巖土力學，2006，27(4).

［3］張宇翔.軟質(zhì)巖體雙連拱隧道施工力學行為研究［J］.公路工程，2014，39(3).

［4］JTG D70 －2004，公路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.