某淺埋大跨隧道小凈距段中隔墻厚度優(yōu)化研究

李光凱，于濤源，王春光，于亮

（煙臺市公路管理局，山東 煙臺 264000）

1 概 述

由于受地形、地質(zhì)條件限制以及隧道分建帶來的展線困難與占地多等因素影響，在城市隧道工程建設(shè)中越來越多地選擇小凈距隧道的結(jié)構(gòu)形式。小凈距隧道相對于連拱隧道，施工工藝簡單、工程造價節(jié)??；相對于普通分離式隧道，可增加路線布線的自由度、減小分離式路基的規(guī)模、減少隧道洞口的開挖工程量及有利于環(huán)保。因此，小凈距隧道對提高交通運輸效率、保護與利用自然環(huán)境、加快經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展等均有重大的現(xiàn)實意義。小凈距隧道是繼分離式隧道、連拱隧道后出現(xiàn)的一種適應(yīng)性較強的新型隧道形式,我國已有一定的成功經(jīng)驗，表現(xiàn)出其良好的安全、經(jīng)濟和實用性。根據(jù)國內(nèi)外成果，確定小凈距隧道最小安全凈距的基本原則為：在特定地形及埋深條件下、特定的圍巖地質(zhì)條件下、特定的隧道最大開挖寬度、特定的施工方案和特定的支護襯砌型式下，中隔墻不采取額外加固措施，中隔墻的位移和主應(yīng)力不發(fā)生顯著變化。提出位移和主應(yīng)力不發(fā)生顯著變化的原則是基于以下認識：當左右隧道凈距較大，兩隧道基本沒有相互影響或影響不大，圍巖處于彈性應(yīng)力狀態(tài)時，應(yīng)力和變形隨隧道凈距近似呈直線變化；隨著左右隧道凈距的減小，應(yīng)力場和位移場在中間區(qū)域發(fā)生疊加，圍巖出現(xiàn)部分塑性區(qū)，這時圍巖處于彈塑性狀態(tài)，應(yīng)力和位移隨凈距的變化呈現(xiàn)非線性的關(guān)系；當凈距減小到一定程度，圍巖出現(xiàn)大范圍的塑性變形導致破壞，這時應(yīng)力和變形隨凈距的減小顯著增大，表明圍巖喪失了穩(wěn)定。因此把應(yīng)力和位移發(fā)生突變以前的凈距作為小凈距隧道的最小安全凈距?；谏鲜鏊枷?，本文利用數(shù)值分析軟件選取煙臺市五卒山隧道淺埋大跨小凈距段進行數(shù)值建模分析，優(yōu)化中隔墻的厚度指導施工[1-6]。

2 數(shù)值建模及參數(shù)分析

假定隧道為無限長，隧道開挖變形為平面應(yīng)變問題，左邊界取60 m；右邊界取70m；上邊界到地表面；下邊界-55m，隧道開挖跨度為17.52m，根據(jù)經(jīng)驗分別取1.0B(17.52m)、0.75B(13.14m)、0.6B(10.51m)、0.5B(8.76m)、0.4B(7.00m)、0.3B(5.27m)、0.2B(3.50m)(B為隧道的開挖跨度)共計7種凈距大小，對隧道施工過程進行施工力學計算分析。以0.75B凈距為例，模型節(jié)點數(shù)為8958，單元數(shù)為4356，（如圖1）。隧道開挖斷面為馬蹄形隧道，根據(jù)施工組織設(shè)計，利用CRD法開挖（如圖2）；采取帷幕注漿+工字鋼+噴射鋼筋混凝土作為初期支護，工字鋼+噴射混凝土作為臨時支護，巖體物理力學參數(shù)（見表1）。

圖1 有限差分網(wǎng)格

圖2 開挖步序圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬，得到不同凈距下中隔墻內(nèi)各監(jiān)測點處的最大主應(yīng)力和合位移變化曲線（如圖3-圖6）。

圖3 不同凈距時中隔墻各監(jiān)測點最大主應(yīng)力變化曲線

圖4 不同凈距時中隔墻各監(jiān)測點最小主應(yīng)力變化曲線

由圖3-圖6可以看出，最大主應(yīng)力在D=0.3B和D=0.5B的時候出現(xiàn)了兩次明顯的突變，最小主應(yīng)力在D=0.5B時出現(xiàn)突變，合位移在D=0.3B和D=0.5B時發(fā)生突變，由合位移圖可以看出，當D=0.3B時，中隔墻和隧道邊墻大部分部位產(chǎn)生>15cm的位移，此時中隔墻已經(jīng)全部進入拉破壞狀態(tài)，圍巖已經(jīng)失去了承重能力，隧道處于不穩(wěn)定狀態(tài)，不能保證隧道的安全建設(shè)。

巖體加固前后的物理力學參數(shù) 表1

4 結(jié) 論

圖5 不同凈距時中隔墻各監(jiān)測點合位移變化曲線

圖6 不同凈距時隧道邊墻監(jiān)測點合位移變化曲線

在采取帷幕注漿+工字鋼+噴射鋼筋混凝土作為初期支護，工字鋼+噴射混凝土作為臨時支護，利用CRD工法開挖的條件下，當凈距D>0.5B時，中隔墻不會出現(xiàn)最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力以及位移的集中；當D<0.5B時，中隔墻會出現(xiàn)最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力以及位移的集中。根據(jù)應(yīng)力和位移發(fā)生突變以前的凈距作為小凈距隧道的最小安全凈距的原則，取凈距D=0.6B，即10.51m。

[1]李云鵬,王芝銀,韓常領(lǐng)等.不同圍巖類別小間距隧道施工過程模擬研究[J].巖土力學,2006,27(1):11-17.

[2]雷振宇.超小間距隧道的拆撐分析[J].同濟大學學報(自然科學版),2008,36(7):932-936.

[3]喬春江,朱光儀.超小凈距隧道的設(shè)計與研究[J].公路,2006,7(7):179-184.

[4]夏才初,龔建伍,唐穎等.大斷面小凈距公路隧道現(xiàn)場監(jiān)測分析研究[J].巖石力學與工程學報,2007,26(1):44-50.

[5]莊寧,廖少明,孫忠成等.大跨度小凈距群洞隧道施工方案優(yōu)化研究[J].地下空間與工程學報,2007,3(1):96-100.

[6]霍明,趙永國,韓常領(lǐng).小間距隧道的工程特點與關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新[J].公路,2009,5(5):259-263.