大跨雙連拱黃土隧道力學效應(yīng)研究

韓 波 尹志雨

(1.山西省交通科技研發(fā)有限公司 太原 030032； 2.山西交科公路勘察設(shè)計院有限公司 太原 030032)

黃土地區(qū)公路隧道，力學效應(yīng)、施工方案及工藝等具有特殊性，需深入進行分析。本文以某座位于黃土丘陵區(qū)，起終點樁號為K63+940-K64+135全長195 m的大跨度雙連拱黃土隧道為例，依據(jù)有限元模擬和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究雙連拱黃土隧道力學效應(yīng)。

該隧道為連拱雙洞單向隧道，按高速公路標準設(shè)計，設(shè)計荷載：公路-I級。斷面尺寸為：凈2×10.25 m，采用三心圓(曲墻半圓拱形)曲中墻斷面。

圍巖級別綜合評價如下。

1) K63+940-K63+980段,長度：40 m，最大埋深39.8 m，圍巖以稍密～中密狀粉土為主，圍巖級別為V2級。

2) K63+980-K64+070段,長度：90 m，最大埋深64 m，圍巖以硬塑～堅硬狀粉質(zhì)黏土為主，圍巖級別為V1級。

3) K64+070-K64+135段,長度：65 m，最大埋深36 m，圍巖以稍密～中密狀粉土為主，圍巖級別為V2級。

1 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計

山嶺區(qū)高速公路隧道斷面尺寸較大，水文地質(zhì)復雜，按照“新奧法”原理，結(jié)合隧道埋深及圍巖級別的劃分，分段進行復合襯砌設(shè)計[1-2]。由于工程地質(zhì)的復雜性和不確定性，文中采用大型有限元軟件進行施工過程模擬，分析圍巖及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化與變形破壞規(guī)律，進一步優(yōu)化支護參數(shù)。最后在施工過程中，詳細掌握圍巖動態(tài)，進行實時監(jiān)控量測，根據(jù)量測數(shù)據(jù)適當調(diào)整支護參數(shù)，確保隧道結(jié)構(gòu)安全[3-7]。

2 淺埋偏壓段工程地質(zhì)

隧道淺埋偏壓段位于黃土丘陵區(qū)中陡坡上，圍巖以稍密～中密狀粉土為主，最大埋深39.8 m，圍巖級別為V2級，開挖過程易產(chǎn)生變形和小型塌方。淺埋偏壓段最不利橫斷面圖見圖1。

圖1 淺埋偏壓段最不利橫斷面圖

3 有限元分析

采用大型通用有限元軟件對結(jié)構(gòu)強度及圍巖穩(wěn)定性進行校驗計算，采用面單元Plane42模擬圍巖及中隔墻，采用梁單元beam3模擬彈性受力階段的連拱襯砌。模型單元總數(shù)約16 167～19 132個。材料物理力學參數(shù)表見表1。

表1 材料物理力學參數(shù)表

其中，圍巖材料采用DP準則進行模擬。在滿足工程要求的前提下，提高運算速度，同時能夠考慮圍巖的塑性變形。計算模型見圖2。

圖2 計算模型

4 計算結(jié)果

通過有限元模擬，對未開挖前自重應(yīng)力場作用、連拱隧道施工后圍巖應(yīng)力等進行計算分析。

4.1 未開挖前自重應(yīng)力場作用結(jié)果

自重作用下豎向位移分布圖見圖3。

圖3 自重作用下豎向位移分布圖(單位：m)

由圖3可知，在自重應(yīng)力場條件下，由于地形的偏壓導致初始位移場不對稱，隧道中軸線與中墻底部交點和圖中坐標原點一致，可見初始位移場相對隧道結(jié)構(gòu)也不對稱，右側(cè)連拱初始位移大于左側(cè)。

自重作用下豎向應(yīng)力分布圖見圖4。

圖4 自重作用下豎向應(yīng)力分布圖(單位：Pa)

由圖4可知，在自重應(yīng)力場條件下，由于地形的偏壓導致初始應(yīng)力場不對稱，隧道中軸線與中墻底部交點和圖中坐標原點一致，可見初始應(yīng)力場相對隧道結(jié)構(gòu)也不對稱，右側(cè)連拱初始應(yīng)力大于左側(cè)?？傮w上看應(yīng)力場線與地表形狀近似平行。

4.2 連拱隧道施工后圍巖應(yīng)力

圍巖豎向位移分布圖見圖5。

圖5 圍巖豎向位移分布圖(單位：m)

隧道施工后，考慮到施工中采用錨桿注漿對圍巖的加固作用，能夠減小原始地應(yīng)力場所產(chǎn)生的應(yīng)力不對稱，分析中考慮了圍巖加固圈的圍巖物理材料性能的提高，開挖后位移云圖相對初始云圖有變化，但變化主要集中在右側(cè)連拱襯砌頂部位置。從基底位移來看，基底不均勻位移差值為約2.4 mm，與初始基底存在不均勻位移差值基本一致。

2) 圍巖豎向應(yīng)力分布圖見圖6。

圖6 圍巖豎向應(yīng)力分布圖(單位：Pa)

由圖6可見，隧道施工后應(yīng)力發(fā)生了大范圍的重分布，左右側(cè)連拱的拱腰部分、中隔墻頂部及底部的圍巖應(yīng)力較大。圍巖最大壓應(yīng)力為1.5～2.4 MPa，較初始壓應(yīng)力增大了0.868～1.768 MPa，一般來說此應(yīng)力較小，圍巖在施工過程中能保持穩(wěn)定，但考慮本隧道地質(zhì)條件較差，施工過程中需結(jié)合具體地質(zhì)條件和圍巖狀況進行校核。

4.3 連拱隧道施工后襯砌內(nèi)力

隧道采用復合式襯砌，通過對襯砌結(jié)構(gòu)彎矩、軸力、剪力的力學計算，進行襯砌的結(jié)構(gòu)安全性驗算。

圖7 施工后襯砌內(nèi)力

由圖7可見，隧道襯砌的彎矩值、軸力值及剪力值均較小，但仍需根據(jù)計算結(jié)果對襯砌配筋進行優(yōu)化設(shè)計。

5 地基承載力

開挖后所需地基承載力在仰拱下部基本與初始應(yīng)力場一致，僅在中隔墻下部需要較大的地基承載力。施工應(yīng)嚴格按照設(shè)計的施工工序進行施工，主洞開挖后需及時施作仰拱，同時做好主洞與中隔墻的連接，并按要求及時做好監(jiān)控量測。地基承載力沿隧道橫向分布圖見圖8。經(jīng)計算隧道底部所需地基承載力平均值為240 kPa。

圖8 地基承載力沿隧道橫向分布圖

6 監(jiān)控量測分析

監(jiān)控量測是黃土隧道襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的重要依據(jù)之一。通過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，工程技術(shù)人員可以實時掌握圍巖和支護結(jié)構(gòu)的力學動態(tài)和穩(wěn)定程度，據(jù)此采取相應(yīng)的處理措施，合理優(yōu)化施工方案和支護參數(shù)，提前警示事故與險情，以防事故發(fā)生，確保隧道施工安全，有助于節(jié)約工程投資。

該隧道監(jiān)控量測的項目有拱頂下沉和周邊收斂，我們可通過洞內(nèi)變形收斂量測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整。在整個監(jiān)測周期內(nèi)對左線ZK64+130-ZK63+945段19個斷面和右線YK64+130-YK63+950段20個斷面，及中導洞K64+126.5-K63+945段19個斷面進行拱頂下沉和周邊收斂監(jiān)測。右洞的拱頂下沉和周邊收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2、表3。

表2 右洞拱頂下沉數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

表3 右洞周邊收斂數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

通過實時監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，可以看出整個圍巖在施工過程中處于可控狀態(tài)，與前文的有限元模擬分析結(jié)論相一致。整個監(jiān)測周期內(nèi)，該隧道圍巖穩(wěn)定性差，局部含水量較大，圍巖變形較大，穩(wěn)定周期較長，監(jiān)測頻率及時間需根據(jù)實際情況動態(tài)調(diào)整。為了防止圍巖侵限，應(yīng)及時、動態(tài)地調(diào)整圍巖預留變形量，保證隧道凈空。根據(jù)圍巖的變形量及穩(wěn)定性，優(yōu)化支護襯砌參數(shù)，實時調(diào)整施工方案，保證結(jié)構(gòu)安全。

7 結(jié)論

1) 由于該隧道存在偏壓，在自重應(yīng)力作用下，右側(cè)初始位移和應(yīng)力均大于左側(cè)。隧道施工后圍巖應(yīng)力發(fā)生了大范圍的重分布，左右側(cè)連拱的拱腰部分、中隔墻頂部及底部的圍巖應(yīng)力較大。通過對隧道襯砌結(jié)構(gòu)彎矩、軸力、剪力的力學計算，彎矩值、軸力值和剪力值均較小。雙連拱隧道的中隔墻尺由于承受較大的應(yīng)力，需對中隔墻基底承載力進行驗算，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2) 在施工過程中，應(yīng)嚴格實時監(jiān)控量測，及時反饋監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，把握圍巖及支護的動態(tài)變化規(guī)律。

黃土地區(qū)雙連拱隧道結(jié)構(gòu)復雜，水文地質(zhì)特性多變，不利因素較多，增加了施工難度。但是，如果在施工過程中，及時優(yōu)化調(diào)整支護參數(shù)和施工工藝，嚴格控制變形量，施工質(zhì)量和安全度會大幅提高。