不等高三連拱隧道襯砌變形分析及控制措施

王 剛，朱得華，于少輝，熊炎林，白中坤

(1.中鐵隧道集團技術中心，河南洛陽 471009;2.河南科技大學規(guī)劃與建筑工程學院，河南洛陽 471003)

0 引言

連拱隧道是隨著我國隧道建設的迅速發(fā)展而出現(xiàn)的新型大跨度隧道形式，連拱隧道和分離式隧道是目前隧道的2種形式［1］。雖然以往的分離式隧道具有技術成熟、設計施工相對簡單等優(yōu)勢，但在目前城市土地價格和環(huán)保意識日益增長的情況下，連拱隧道開始發(fā)揮其特有的優(yōu)越性。如占地面積少，空間利用率高，更適應地形條件，能夠保護城市環(huán)境，工程數(shù)量相對較小等，這也使得連拱隧道在城市地下交通中的應用越來越廣。連拱隧道有開挖跨度大［2－3］、施工困難等工程難點，國內(nèi)外眾多科研施工人員對連拱隧道進行了必要的研究。如:鄧建等［4］用同濟曙光巖土及地下工程設計與施工分析軟件(GeoFBA2D)，對某高速公路不等跨連拱隧道的施工全過程進行有限元模擬，得出隧道圍巖應力、圍巖位移、初期支護與二次襯砌的接觸壓力、中墻內(nèi)力隨施工過程的變化規(guī)律;來弘鵬等［5］、李德宏［6］通過現(xiàn)場測試工作，對圍巖與初期支護接觸壓力、初期支護與二次襯砌接觸壓力及各測試部位圍巖壓力隨施工進展的變化規(guī)律進行研究;崔雋等［7］通過對北京市第1條雙連拱隧道(黑古沿雙連拱隧道)的監(jiān)控量測，發(fā)現(xiàn)隧道先施工洞室結構受力比后施工洞室大，并且在施工過程中會出現(xiàn)反復交替的現(xiàn)象;陳秋南等［8］對我國連拱隧道的設計理論、現(xiàn)場施工量測情況和隧道動態(tài)施工力學分析研究做了一些綜合概述，并針對目前連拱隧道設計施工中存在的問題做了探討;盧耀宗等［9］提出了連拱隧道中隔墻巖柱跳槽式開挖的施工方案，該方案中各施工階段應力傳遞明確，施工順序簡單，可縮短施工工期，利用UDEC對其進行了數(shù)值模擬，結果表明中隔墻巖柱跳槽式開挖的施工方案是合理的;夏才初等［10］根據(jù)3種方法計算的相思嶺隧道的圍巖壓力，用有限元法分析了連拱隧道的中墻應力，通過與實測中墻應力值相比較，得到了確定中墻應力較為準確的圍巖壓力計算方法，并分析了圍巖彈性抗力對連拱隧道中墻應力的影響?？梢?，目前的研究熱點大多針對等高連拱隧道的數(shù)值模擬及施工工藝方面，而對具有超大跨度、跨高不等、明挖施工等特點的城市地下三連拱隧道研究甚少。因此，本文以京石鐵路DK278+824～DK279+389里程段明挖不等高三連拱隧道為例，重點針對超大跨不等高三連拱明挖隧道，通過受力分析和數(shù)值模擬驗證，找出不等高連拱隧道結構變形的原因并給出相應的控制措施，以期為今后類似工程的施工設計提供借鑒。

1 工程概況

1.1 場地概況

京石鐵路DK278+824～DK279+389里程段明挖連拱隧道位于石家莊市區(qū)。隧道地處山前沖洪積平原區(qū)內(nèi)，位于既有京廣線及東側，地下通過，既有建筑物密集，道路、地下管線和管道較多。沿線地形平坦，地面高程70.81 ～74.53 m。

1.2 地質(zhì)條件

據(jù)歷史記載，區(qū)內(nèi)未發(fā)生過6級以上的地震災害。依據(jù)石家莊市區(qū)所處的大地構造環(huán)境、地殼結構特征、新構造運動特征、斷裂活動和地震活動條件劃分，石家莊市區(qū)在區(qū)域上屬基本穩(wěn)定型。

1.3 水文條件

工程區(qū)域地下水位埋深大，主要含水層為砂、卵石層，地下水位很低并逐年下降，且未來幾十年水位上升的可能性極小。另外由于隧道的標高遠高于地下水位，因此可以不考慮地下水對工程的影響。

1.4 地層條件

本場地勘探深度內(nèi)揭露的地層有第四系全新統(tǒng)人工填土層(Q4ml)、第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)和第四系上更新統(tǒng)沖洪積層(Q3al+pl)。隧道所處地層巖性主要為雜填土，其組成成分復雜，土質(zhì)松散，密實程度較差，工程性質(zhì)不好。

2 隧道受力機制分析

2.1 工程施工過程

工程斷面如圖1所示。隧道為明挖法施工，采用C35鋼筋混凝土施作整體式襯砌。其中石青線隧道在里程DK278+824～DK279+389段的標高要高于其他兩跨隧道，因此成為不等高三連拱隧道。具體施工過程為:開挖基坑至隧道底板標高—澆筑鋼筋混凝土，形成整體式襯砌—回填土至地表。

圖1 隧道斷面圖Fig.1 Cross-section of tunnel

2.2 變形受力分析

為了便于分析，可以將整個不等高三連拱隧道理想化為平面應變問題。為了對比，分析了等高和不等高2種情況下三連拱隧道的受力異同點，其受力情況如圖2所示。由于鋼筋混凝土的變形剛度遠大于隧道所在土層的變形剛度，因此襯砌的整體變形是主要的。

對比圖2中等高和不等高2種情況下三連拱隧道的受力情況，可以看到在不等高三連拱隧道中，由于石青線隧道跨高較高，其受力情況比等高三連拱隧道更加復雜，而其他兩跨隧道的受力基本一致。所以，重點對跨高較高的石青線隧道進行具體分析，這也是其受力變形的關鍵點。石青線隧道受到的外力有上覆土層的自重壓力P1、覆土的側向土壓力P2、隧道外側覆土的側向土壓力P3和隧道底板向上的土壓力P4。其中P1和P2使鋼筋混凝土襯砌有逆時針整體轉動變形的趨勢，而P3和P4為阻礙這種逆時針轉動變形趨勢的阻抗力。從這一受力特點可以得出:要控制隧道的變形，關鍵是要采取措施抑制這種整體轉動的趨勢。

2.3 變形控制措施

在跨高較高的石青線隧道底板下部澆筑一定厚度的變形剛度很大的片石混凝土來代替原先土層，以此來控制變形，見圖3。其控制變形的力學機制為:石青線隧道受到P1和P2的壓力產(chǎn)生逆時針的轉動變形趨勢，使得底板對其下部有一個向下的壓力作用(P4的反作用力)，此時片石混凝土受到這一壓力作用將產(chǎn)生壓縮變形(向下)來協(xié)調(diào)上部底板鋼筋混凝土的向下位移。由于片石混凝土的變形剛度(彈性模量)遠大于原先土層的變形剛度，因此，其變形單位長度所產(chǎn)生的阻抗力(P4)遠遠大于原先土層產(chǎn)生的阻抗力，能夠阻礙底板混凝土的向下位移。

圖3 片石混凝土充填示意圖Fig.3 Rubble concrete backfilling

3 數(shù)值模擬

3.1 計算模型

計算模型如圖4所示，模型簡化為平面應變計算模式。計算域水平方向為89 m，垂直方向為49 m，隧道尺寸和襯砌尺寸根據(jù)設計圖紙設定。

邊界條件:左右邊界水平方向位移固定，底部邊界垂直方向位移固定，頂部邊界至地表為自由邊界。材料參數(shù)根據(jù)勘察資料和相關規(guī)范選取，見表1。由于采用明挖法施工，混凝土襯砌受到上部覆土的初始自重應力荷載可以采用如下方法實現(xiàn):先將混凝土襯砌的彈性模量設置為很大(約1 000倍)，計算至平衡，然后將模型中所有單元的位移場清除;將混凝土襯砌的應力場清除且將其彈性模量改回真實值，此時就可以得到由上覆土體自重產(chǎn)生的初始應力場。材料本構模型選取見表1。計算設定2種工況:1)石青線隧道襯砌底板下部為原始土層;2)石青線隧道襯砌底板下部為片石混凝土代替原始土層。

圖4 計算模型Fig.4 Calculation model

3.2 結果分析

通過對上述2種工況進行計算，得到高跨隧道(石青線)底板襯砌的豎向位移分布。以離開O點的距離為橫軸(如圖3所示)，豎直向下的位移大小為縱軸，2種工況的位移變化曲線如圖5所示。

表1 材料力學參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of different materials

圖5 2種工況下底板混凝土豎向位移變化曲線Fig.5 Curves of variations of vertical displacement of floor concrete under two different conditions

由計算結果得知:1)工況1中由于底板下部為原始土層，彈性模量較小，因此在受到上方鋼筋混凝土襯砌向下的壓力后，變形較大，最大豎向位移接近4 mm。2)工況2中由于底板下部為片石混凝土，彈性模量很大，能夠很好地抑制上方鋼筋混凝土襯砌產(chǎn)生的豎向下沉，其最大豎向位移接近0.084 39 mm。3)由于工況2中片石混凝土的彈性模量大約是工況1中相應部位土層彈性模量的3個數(shù)量級，因此從圖中可以看到，工況1中的位移大約是工況2中位移的2個數(shù)量級。4)工況1中底板的豎向位移隨離開O點的距離近似成線性增加(由于下部為土層，彈性模量較小)，反映該高跨隧道的混凝土襯砌有逆時針整體轉動的趨勢，這也進一步驗證了P1和P2對其有逆時針轉動力矩的受力特點。因此，底板下部澆筑片石混凝土，可以有效地阻止上部整體式鋼筋混凝土襯砌的豎向位移，并且很小的豎向位移就能對上部底板混凝土襯砌產(chǎn)生很大的阻抗力(P4)，充分抑制轉動變形趨勢。

4 結論與建議

本文以京石鐵路DK278+824～DK279+389里程段三連拱隧道為例，針對城市環(huán)境、明挖法施工、超大跨度及跨高不等進行了相應的受力分析，找出了襯砌變形的原因及特點，提出了相應的控制措施，并通過數(shù)值模擬進行了驗證。結論如下:

1)相比跨高相等的三連拱隧道，跨高不等的三連拱隧道受力更復雜，其中高跨隧道(石青線)受到覆土壓力及側向土壓力，襯砌有逆時針整體轉動的趨勢，這是其變形的關鍵因素。

2)通過在高跨隧道(石青線)底板下部澆筑變形剛度較大的片石混凝土來替代變形剛度較小的原始土層，可以很好地抑制底板鋼筋混凝土襯砌的豎向位移。

3)通過數(shù)值模擬驗證了結論2)中的控制措施。計算結果表明:工況1中底板鋼筋混凝土襯砌豎向變形遠大于工況2;工況1中底板沉降近似線性變化，表明其上部隧道的整體式襯砌發(fā)生整體扭轉，進一步驗證了力學分析的結論。

在今后的研究中，建議考慮地下水對不等高三連拱隧道的影響(如果埋深淺，季節(jié)性雨水的下滲也應考慮)，尤其在高跨隧道與低跨隧道的連接處(圖3中的O點)，由于其施工工序多，防水問題將成為決定工程質(zhì)量的關鍵。

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