小凈距隧道在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定分析

（重慶交通大學(xué)，土木工程學(xué)院 重慶 400074）

小凈距隧道在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定分析

彭 濤

（重慶交通大學(xué)，土木工程學(xué)院 重慶 400074）

為緩解我國公路交通運(yùn)輸?shù)膲毫?，小凈距隧道以其?dú)特的優(yōu)勢而在城市公路建設(shè)中頻繁出現(xiàn)。本文以重慶市渝中區(qū)連接隧道為依托，采用有限元軟件ANSYS對復(fù)雜環(huán)境下的小凈距隧道做了穩(wěn)定分析。研究結(jié)果表明：圍巖位移計(jì)算值小于規(guī)范允許值；初支階段局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，主要發(fā)生在拱頂、拱腳處。該研究方法對類似小凈距隧道的穩(wěn)定分析有較大借鑒意義。

小凈距隧道；穩(wěn)定分析；復(fù)雜環(huán)境；圍巖位移

0 引言

伴隨著我國交通運(yùn)輸量逐漸加大，越來越多的農(nóng)村人口流入到城市，導(dǎo)致城市交通變得愈加擁擠。為緩解城市的地面交通壓力，地下交通變成為最佳發(fā)展方向。交通行業(yè)作為我國的支柱產(chǎn)業(yè)之一，對提高人民的生活水平起到了至關(guān)重要的作用。因此，高速公路里程變得更長，鑒于我國是一個(gè)多山的國家，為縮短里程而穿越山脈不得不開挖隧道。小凈距隧道由于接線短、占地量小、節(jié)約資源等優(yōu)點(diǎn)，由于小凈距隧道的這些特點(diǎn)而被大量工程技術(shù)人員所看重。在我國城市地下交通中和高速公路建設(shè)中，小間距隧道變得更加普遍。本文以渝中連接隧道為依托，利用有限元軟件ANSYS重點(diǎn)研究了左右不同跨度小凈距隧道在復(fù)雜荷載下的穩(wěn)定性分析。

1 項(xiàng)目概述

1.1工程概況

本文的研究對象為渝中區(qū)連接隧道暗挖斷，出口段與解放碑地下環(huán)道相接。左右隧道跨徑不同，最淺埋深為5.6m，左右隧道最小凈距為4.2m，該段地表建筑物有重慶市第一人民醫(yī)院保留門診樓、道門口農(nóng)貿(mào)市場。地質(zhì)情況由地表而下依次為雜填土，砂巖及砂質(zhì)泥巖互層且節(jié)理裂隙不發(fā)育，完整度較好，因此其自承能力較強(qiáng)。整個(gè)圍巖級別為IV級，因此不宜用全斷面法開挖。

1.2物理力學(xué)參數(shù)及地表荷載

按地層結(jié)構(gòu)法計(jì)算整個(gè)模型所采用的力學(xué)參數(shù)主要分為圍巖的力學(xué)參數(shù)和隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)，詳見表1。

表1 物理力學(xué)參數(shù)表

2 有限元計(jì)算模型分析

2.1開挖工序

鑒于實(shí)際施工情況，采用先開挖左洞后開挖右洞。左洞采用先外側(cè)后內(nèi)側(cè)的CD法施工，右洞采用環(huán)形導(dǎo)坑預(yù)留核心土開挖。主要的開挖工序?yàn)椋篴)左洞左側(cè)上臺階開挖，b)左洞左側(cè)下臺階開挖，c)左洞右側(cè)上臺階開挖，d)左洞右側(cè)下臺階開挖，e)左洞仰拱、二襯澆筑，f)右洞超前支護(hù)施作，g)右洞中導(dǎo)坑開挖，h)右洞左側(cè)導(dǎo)坑上臺階開挖，i)右洞左側(cè)導(dǎo)坑下臺階開挖，j)右洞右側(cè)導(dǎo)坑上臺階開挖，k)右洞右側(cè)導(dǎo)坑下臺階開挖，l)右洞核心土開挖、拆除臨時(shí)支撐m)右洞仰拱、二襯澆筑。

2.2有限元單元?jiǎng)澐帜Ｐ?/p>

本次計(jì)算的隧道埋深為6.0m。計(jì)算模型頂部取至地表面，隧道的左、右側(cè)及其下邊界都取三倍洞徑。模型大小為135m×56m，共20635個(gè)單元，20096個(gè)節(jié)點(diǎn)。圍巖、初支及二襯均采用Plane42，錨桿采用link1單元，工字鋼采用beam3單元。頂部為自由邊界，底部施加豎向約束，左右兩側(cè)各施加水平約束，計(jì)算模型如圖1。

2.3模型計(jì)算結(jié)果

第1步為在自重應(yīng)力場作用下求解巖土體的應(yīng)力，計(jì)算得出巖土體水平最大應(yīng)力為-0.60MPa，豎直最大應(yīng)力為-1.40MPa。第2步為在地表建筑物作用下的巖土體應(yīng)力分布，在地表臨近建筑物作用下，巖土體水平最大應(yīng)力為-0.65MPa，豎直最大應(yīng)力為-1.62MPa。最后為右隧道在右洞仰拱、二襯澆筑（即第16步）完成后，計(jì)算得出巖土體水平位移最大值為-0.65mm，豎向位移最大值為2.11mm；初期支護(hù)第一主應(yīng)力最大值為0.21MPa，初期支護(hù)第三主應(yīng)力最下值為-8.03MPa；二襯第一主應(yīng)力最大值為0.29MPa，二襯第三主應(yīng)力最下值為-1.08MPa。其中，各施工不最大地表位移見圖2所示。

圖1 分析計(jì)算模型

圖2 各施工步最大地表位移

2.4驗(yàn)算分析

1)圍巖位移分析：整個(gè)圍巖級別劃分為Ⅳ級，隧道埋深為6.0m，其周邊允許相對位移為0.15%～0.50%；隧道開挖的最大寬度為22.1m，最大高度為13.72m，因而允許相對位移為：13.72×0.15%=0.01728m=17.28mm。數(shù)值分析最后得出最大相對水平位移為0.74mm，最大豎向位移為2.73mm，二者均<17.28mm，滿足要求。

2)二砌應(yīng)力分析：C30混凝土的軸心抗壓設(shè)計(jì)值為15.0MPa，彎曲抗壓為16.5MPa，抗拉設(shè)計(jì)值為1.47MPa。數(shù)值計(jì)算結(jié)果得出壓應(yīng)力最大值為2.14MPa小于設(shè)計(jì)值；拉應(yīng)力值最大為0.68MPa小于設(shè)計(jì)值，故滿足要求。

3 結(jié)論

通過對重慶市渝中連接隧道暗挖段在左洞采用中隔壁法施工，右洞采用環(huán)形開挖留核心土施工的情況下，通過ANSYS軟件分析得出，最終圍巖位移值小于規(guī)范容許值，二次襯砌整體應(yīng)力皆小于設(shè)計(jì)值，滿足安全要求。綜上所述，渝中連接隧道暗挖段左洞采用中隔壁法施工且右洞采用環(huán)形開挖留核心土施工的方法可行。這種分析計(jì)算方法對類似工程具有一定的借鑒指導(dǎo)作用。

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U45

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1007-6344（2017）06-0027-01

彭濤（1991- ）男，漢族，四川巴中人，碩士研究生，主要研究橋梁與隧道方向