偏壓情況下連拱隧道施工順序的數(shù)值分析

李苗，徐霞飛，付貴海

偏壓情況下連拱隧道施工順序的數(shù)值分析

李苗1，徐霞飛2，付貴海1

(1.湖南城市學院土木工程學院，湖南益陽413000；2.湖南省武靖高速公路建設開發(fā)有限公司，湖南邵陽422400)

采用有限元法數(shù)值模擬云南思小高速公路的雙連拱隧道中導洞施工法分步開挖過程，研究雙連拱隧道在偏壓作用下施工過程的力學行為．通過動態(tài)數(shù)值模擬，得到隧洞在不同開挖順序下圍巖的應力變化和塑性區(qū)的發(fā)展范圍以及中隔墻、襯砌的應力情況；對比分析不同施工方案各關鍵工序的模擬結果，并從應力轉(zhuǎn)移的角度分析洞室開挖的影響，得到偏壓作用下連拱隧道施工順序的優(yōu)選方案．

偏壓連拱隧道；施工順序；應力轉(zhuǎn)移；數(shù)值分析

上世紀30年代開始了連拱隧道的建設，70年代得到較大發(fā)展．與分離式獨立隧道相比，其優(yōu)勢在于[1]：節(jié)省引線占地，改善公路線形，地形受限小；結構跨度大、整體性好；綜合造價較獨立隧道低．目前，連拱隧道的設計與施工均達到較高水平．德國Wuerzburg隧道長達5 100 m[2]，1974年日本首次修建伊祖雙連拱隧道[3]．于上世紀90年代，我國陸續(xù)采用連拱隧道方案，在云南、湖南、福建和廣東等省份修建公路連拱隧道達幾十座[4]，已建和在建的總數(shù)已位居世界之首[5]．我國雙連拱隧道的基本特征是淺埋中短長度，80%以上埋深在30 m內(nèi)，與歐美的情況較接近[6-8]，較日本略大，一般不超過60 m[7]．連拱隧道相對分離式隧道結構復雜，開挖斷面增大，開挖、支護交錯進行，施工中體系需多次轉(zhuǎn)換，隧道圍巖應力變化復雜．目前連拱隧道可供借鑒的施工經(jīng)驗較少，缺乏完整適用的設計施工方法，相應的研究少，導致設計與施工具有較大的盲目性．我國連拱隧道多采用三導洞施工法，該方法施工工序復雜．中導洞施工法施工工序相對較少，但要求地質(zhì)條件較好，對隧道圍巖影響也較大，制約了其推廣．因此，有必要對圍巖及支護結構在中導洞施工法不同開挖順序下的受力情況進行分析，為連拱隧道的設計施工提供科學依據(jù)．

依據(jù)云南思小高速公路連拱隧道設計資料，進行二維有限元建模．數(shù)值模擬不同開挖方案下雙連拱隧道洞室的施工過程，分析隧道圍巖應力情況、塑性區(qū)發(fā)展以及中隔墻與襯砌的應力狀況．

1 計算模型

1.1模型建立

選取典型斷面進行數(shù)值分析，模型處于偏壓狀態(tài)，左洞為埋深較深一側，左洞最大埋深為40 m，如圖1所示．圍巖、中隔墻與襯砌均使用等參平面四邊形單元，錨桿為二維桿單元，整個連拱隧道有限元模型共劃分3 466個單元．斷面頂面為地表，即自由面；斷面兩側(左右邊界)采用水平約束，底部計算邊界采用豎向約束．隧道有限元模型以及支護結構有限元模型如圖2、3所示．

圖1 計算模型示意圖

圖2 連拱隧道有限元模型

圖3 支護結構有限元模型

1.2模型假定

①所有材料均質(zhì)連續(xù)，且各向同性；

②巖體不考慮構造應力影響，初始應力場僅由自重形成；

③按平面應變問題分析，不考慮空間效應；④不考慮變形時效性[9]．

1.3圍巖與支護材料

基于隧道設計資料與《公路隧道設計規(guī)范》對材料的物理力學指標加以選取，如表1所示．

1.4材料屈服準則

選取DP(Drucker-Prager)材料屈服準則進行圍巖應力分析，該準則對Von Mises屈服準則進行了修正，考慮了靜水壓力因素對巖土屈服的影響．Drucker-Prager準則表達式如下．

式中I1為應力張量第一不變量，J2為應力偏張量第二不變量，表達式分別為：

1s、2s、3s分別為第一、第二及第三主應力；a、k都是與巖土內(nèi)摩擦角j、粘聚力c相關的參數(shù)，

表1 材料參數(shù)

1.5連拱隧道施工順序的模擬分析方案

本次計算根據(jù)隧道左右洞不同的開挖順序(其中左洞為埋深較深一側)，模擬了三種不同的中導洞法施工過程，方案分類如表2所示．針對不同方案，分別進行數(shù)值計算，詳細分析關鍵工序下洞室圍巖應力場的變化以及支護結構的受力情況，然后對各施工方案進行討論，得到較合理的開挖順序．

表2 開挖方案及關鍵工序說明

2 結果分析

對比分析不同開挖方案各關鍵工序的計算結果，分析數(shù)據(jù)的選取應遵循：(一)反映洞室斷面開挖后圍巖、中隔墻與襯砌等支護結構的應力突變；(二)反映圍巖、中隔墻與襯砌等在各階段的最不利受力情況．因此，選取各洞室斷面開挖后支護階段的數(shù)據(jù)進行對比分析．

計算初始地應力，如圖4、5所示，圍巖1s為-1.04 MPa～3.47 KPa，3s為-2.64 MPa～-0.03 MPa，地表為受拉狀態(tài)．

圖4 原巖應力1s

圖5 原巖應力3s

對比三種開挖方案的圍巖應力值，拉應力（圖6）最大是方案二右洞室先開挖，方案三兩側洞室同時開挖次之，方案一左洞室先開挖的拉應力最小；圍巖壓應力值(圖7)最大的開挖方案是兩洞室同時開挖，最小的方案是先開挖左洞室．綜合以上分析結果，方案一左洞室先開挖的方案有利于控制圍巖拉、壓應力最大值；也說明從圍巖的穩(wěn)定角度考慮，采取埋深較大一側洞室先開挖的方案更有利．各開挖方案施工過程中應力最值出現(xiàn)的位置見表3．

表3 施工過程中圍巖應力最值的位置

圖6 圍巖max1s

圖7 圍巖min3s

圖8 圍巖最大塑性應變

表4 洞室頂拱最終沉降(mm)

各方案的圍巖頂拱最終沉降計算結果如表4所示，沉降值由大到小排序依次是：方案三(兩側洞室同時開挖)、方案二(右洞室先開挖)、方案一(左洞室先開挖)．因此，采取先開挖左洞室的方案對控制洞室頂拱沉降更合適．

洞室圍巖的塑性應變變化如圖8所示，洞室上臺階開挖后，方案三的塑性應變增幅最大，方案一的圍巖塑性應變較為穩(wěn)定，采用方案二的圍巖塑性應變增幅較大．對比各方案的最終塑性應變值，先施工左洞室的方案最優(yōu)，先施工右洞室為最不利方案．各開挖方案施工過程中圍巖最大塑性應變區(qū)位置如表5所示．

表5 施工過程中圍巖最大塑性應變區(qū)的位置

對比各方案初次襯砌的應力變化如圖9、10所示，先施工左洞室，初襯拉應力最小．左右洞室同時開挖，初襯壓應力最?。紤]到施作二襯前初襯對洞室的穩(wěn)定作用，為防止初襯受拉開裂，宜選擇先開挖左洞室的方案．各開挖方案施工過程中初襯應力最值的位置如表6所示．

圖9 初次襯砌1maxs

圖10 初次襯砌3mins

表6 施工過程中初襯應力最值的位置

對比分析各方案二次襯砌的應力，如圖11、12所示，方案三的二襯應力很小，表明剛施作完的二襯未發(fā)揮承載能力，故不參與比較．采用先施工左洞室方案，二襯的應力較先施工右洞室方案大，但仍滿足強度要求．各開挖方案施工過程中二襯應力最值的位置見表7．

圖11 二次襯砌1maxs

圖12 二次襯砌3mins

對比各方案中隔墻的應力值如圖13、14所示，先開挖左洞室中隔墻拉應力最大，左右洞室同時開挖次之．采用先開挖右洞室的方案應力最小，因此更有利于控制墻體的最大應力．中隔墻應力最值位置如表8所示．

表7 施工過程中二襯應力最值的位置

圖13 中隔墻max1s

圖14 中隔墻min3s

表8 施工過程中中隔墻應力最值的位置

3 應力轉(zhuǎn)移的影響

對地下工程進行開挖后，為抵抗不均勻變形，巖體會自我調(diào)節(jié)，形成壓力拱這一現(xiàn)象．若將圍巖視作結構，巖體處于壓力拱中，且承擔自重及圍巖以上的荷載，并阻止上方巖體的坍塌，具有拱的力學特征[10]．洞室的開挖使得拱體自重及其上部荷載的傳遞會發(fā)生路線偏離(向洞室兩側)，即形成應力轉(zhuǎn)移[11]，產(chǎn)生應力集中的區(qū)域，如圖15所示．由圖16、17所示，較大的壓應力區(qū)出現(xiàn)在已開挖洞室埋深較大的一側(左側)，與應力轉(zhuǎn)移的結果相符．

圖15 應力轉(zhuǎn)移示意圖

圖16 開挖左洞后的圍巖3s

圖17 開挖右洞后的圍巖3s

比較兩側洞室在方案一、二開挖順序下的計算結果，先開挖淺埋深一側洞室會使得洞室左側形成較大的地應力區(qū)域．下一步開挖深埋深洞室時，較大的地應力對施工是個不利因素，甚至會產(chǎn)生“巖爆”的現(xiàn)象．反之，先開挖深埋深洞室，后開挖淺埋深洞室，則避免了施工過程中大地應力區(qū)域的形成，如圖17所示．所以，考慮應力轉(zhuǎn)移帶來的影響，在偏壓條件下，較好的開挖方案是先開挖埋深較深的洞室．

4 結論

依托云南省思小高速公路雙連拱隧道工程，對連拱隧道開挖順序進行數(shù)值模擬分析，并結合應力轉(zhuǎn)移分析，得出以下結論．

(1)先開挖埋深較深一側洞室后開挖埋深較淺一側洞室，對于圍巖穩(wěn)定、拱頂沉降、塑性應變、初支結構受力具有較好效果，采用先淺埋深洞室后深埋深洞的開挖順序，有利于二襯結構和中隔墻的受力．

(2)根據(jù)圍巖、中隔墻以及襯砌的主應力最值計算結果，可知結構易發(fā)生破壞的位置．

圍巖：仰拱底部、頂拱與中導洞交匯處與中導洞墻腳處；中隔墻：與初襯交接處、底座兩端；初次襯砌：上半斷面初襯拱頂、上下半斷面初襯交接內(nèi)、外側，即交接處存在主應力差值最大值；二次襯砌：中隔墻與二襯頂拱、仰拱交接處，二襯頂拱、仰拱內(nèi)側．

(3)綜合考慮數(shù)值模擬分析結果，并結合應力轉(zhuǎn)移原理，連拱隧道施工的優(yōu)選方案為先開挖深埋深的洞室，后開挖淺埋深的洞室．

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[2]朱漢華,傅鶴林,潘明軍,范臻輝.公路連體隧道的設計與施工[J].中國鐵道科學,2003(8):96-100.

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(責任編校：陳智全)

Numerical Simulation Study on Construction Process of Partial Pressure in JointArch Tunnel

LI Miao1,XU Xia-fei2,FU Gui-hai1
(1.College of Civil Engineering,Hunan City University,Yiyang,Hunan 413000,China;2.Wugang Jingzhou Highway Construction and Development Co.,Ltd.,Shaoyang,Hunan 422400,China)

Advancing middle drift construction process of Si-xiao joint arch tunnel in Yunnan is simulated with FEM,and then the structural mechanics behavior in joint arch tunnel construction under partial pressure is studied.The results under different excavation sequences which are the surrounding rock stress variation,plastic area development,stress of tunnel’s mid-partition and lining are got through dynamic numerical simulation.By means of comparatively analyzing simulation results on key steps of various construction schemes and stress transfer effect on tunnel excavation,optimized construction scheme of partial pressure joint arch tunnel finally is obtained.

partial pressure joint arch tunnel;construction process;stress transfer;numerical simulation

TU455

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2015.01.001

1672–7304(2015)01–0001–06

2015-01-10

湖南省教育廳一般科技計劃資助項目(14C0214)；湖南省教育廳青年科技資助項目(13B010)

李苗(1980-)，男，漢族，湖南益陽人，講師，主要從事橋梁健康監(jiān)測及損傷識別的研究．