隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計及臺階法施工數(shù)值模擬

張淇皓 韓竣崶

中建二局土木工程集團有限公司 北京 100000

我國公路隧道的建設(shè)較國外發(fā)達國家的水平還要落后許多，其主要原因就是科學技術(shù)的落后。公路隧道的建設(shè)一直是國外經(jīng)濟發(fā)達國家所重視的內(nèi)容，尤其是日本和一些北歐國家在公路隧道技術(shù)方面都處于領(lǐng)先地位。近年來，圍巖動態(tài)反饋分析技術(shù)、營運交通監(jiān)控和新奧法設(shè)計和施工等技術(shù)都得到廣泛推廣和應(yīng)用；同時，隧道掘進機方法、盾構(gòu)掘進方法、預制沉管方法等先進技術(shù)和工程方法也被廣泛應(yīng)用，這也就顯示出先進的科學技術(shù)和強大的工業(yè)基礎(chǔ)對公路隧道工程的支撐力。

1 總體設(shè)計

（1）確定隧道路線選線和位置。隧道路線和位置的確定。

（2）確定隧道的建筑限界和內(nèi)輪廓線。隧道限界和內(nèi)輪廓的確定。

（3）對隧道的襯砌進行力學計算并合理配筋。

（4）運用Midas進行臺階法開挖三維施工數(shù)值模擬。

2 隧道橫斷面的設(shè)計

2.1 隧道建筑限界

本公路隧道設(shè)計車速為120km/h的兩車道高速公路隧道，則隧道建筑限界的組成為：0.75m左側(cè)向?qū)挾萀+1.25m右側(cè)向?qū)挾?2×3.75m車道寬度+2×0.75m檢修道J。所以隧道建筑限界的凈寬為11.00m，凈高為5.0m。

2.2 繪制隧道內(nèi)輪廓線

根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTGD70-2014），公路隧道的內(nèi)輪廓線可利用三心圓畫法繪出，內(nèi)輪廓線如下圖1所示。

圖1 內(nèi)輪廓線圖（cm）

3 配筋計算

利用Midas進行二維襯砌結(jié)構(gòu)分析，得隧道襯砌的危險截面：

彎矩M=386.71kN·m，軸力N=-1125.53kN；

根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTGD70-2014），混凝土采用C30時，抗壓強度設(shè)計值，抗拉強度設(shè)計值，鋼筋采用HRB335，抗拉強度設(shè)計值和抗壓強度設(shè)計值；相對界限受壓區(qū)高度；鋼筋合力點至截面邊界的距離。

3.1 大小偏心的判別

3.2 配筋計算

隧道襯砌斷面采用相同配筋，選取14Φ28，HPB335鋼筋配筋率：

綜上所述，二次襯砌縱向每米里外兩側(cè)各配置14根HRB335Φ28的環(huán)向鋼筋。

4 Midas臺階法三維施工模擬分析

4.1 建模及劃分網(wǎng)格

圖2 隧道模型網(wǎng)格劃分

在臺階法施工工程中，隨著上部臺階和下部臺階的同時施工，一定會產(chǎn)生應(yīng)力在襯砌結(jié)構(gòu)中的重分布，利用Midas模擬整個施工進程，進而分析圍巖的應(yīng)力變化以及位移沉降變化。

4.2 圍巖應(yīng)力分析

圖3 開挖前的地應(yīng)力

由開挖前后的應(yīng)力可以看出，在隧道開挖之前，隧道周圍巖體的應(yīng)力從上到下均勻增大，最大值為。在隧道開挖之后，隧道周邊的巖體應(yīng)力發(fā)生重分布，構(gòu)成二次應(yīng)力場。

4.3 臺階法施工模擬

圖4 開挖后的地應(yīng)力

臺階法數(shù)值模擬位移云圖如下：

圖5 S1階段

圖6 S15階段

臺階法開挖后的最終位移云圖最大沉降為10.09mm，沉降主要集中在拱頂上部，仰拱上抬，因此在開挖過程中要注意及時支護，封閉成環(huán)。

5 結(jié)語

根據(jù)隧道曲線段的圍巖等級，確定深淺埋及荷載大小，通過Midas/NX進行隧道橫斷面二維襯砌數(shù)值分析，確定危險截面處的彎矩、軸力以及剪力的大小，進而對隧道橫斷面進行合理的配筋。同時，利用Midas/NX進行隧道臺階法開挖的三維施工模擬分析，確定在開挖過程中的隧道斷面的沉降大小。