連拱隧道中隔墻優(yōu)化設(shè)計研究

(湖南省懷芷高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 懷化 418000)

0 引言

連拱隧道與單洞隧道的最大區(qū)別是中隔墻，在連拱隧道中中隔墻部位最為關(guān)鍵。國內(nèi)許多連拱隧道在后期運(yùn)營過程中，中隔墻頂部出現(xiàn)開裂、滲水現(xiàn)象，這對隧道結(jié)構(gòu)不利，給行車安全帶來隱患。劉庭金等[1]對云南省連拱隧道襯砌開裂及滲漏水進(jìn)行了調(diào)查分析，結(jié)果顯示襯砌開裂滲水往往是施工、設(shè)計、地質(zhì)等綜合因素導(dǎo)致的；夏才初等[2]對相思嶺連拱隧道中隔墻應(yīng)力進(jìn)行了研究，研究表明中隔墻頂部容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，給中隔墻開裂造成隱患；申玉生[3]對軟弱圍巖雙連拱隧道設(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，表明中隔墻與初期支護(hù)連接部分是施工關(guān)鍵所在。國內(nèi)對連拱隧道研究得較多，但連拱隧道中隔墻部分的設(shè)計、施工不夠完善。本文依據(jù)具體的工程實例，結(jié)合施工的便捷性，對連拱隧道中隔墻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并通過數(shù)值計算，論述了設(shè)計的合理性。

1 連拱隧道中隔墻優(yōu)化設(shè)計

懷芷高速公路毛里坡連拱隧道主洞初期支護(hù)外輪廓半徑為6.69 m，中隔墻頂部圍巖采用Ф42小導(dǎo)管進(jìn)行注漿，見圖1，中隔墻高6 m，中隔墻頂部為R=3.2 m的圓弧，寬2.18 m，見圖2，初期支護(hù)工字鋼與中隔墻通過高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，見圖3。

圖1 原設(shè)計襯砌

圖2 中隔墻(單位： cm)

圖3 高強(qiáng)螺栓連接

上述連拱中隔墻部分的設(shè)計存在著一些不足之處，與中隔墻頂部連接段，初期支護(hù)半徑偏小，這容易導(dǎo)致初期支護(hù)及中隔墻頂部應(yīng)力集中，且主線左右兩側(cè)的初期支護(hù)沒形成一整體，對結(jié)構(gòu)受力不利；中隔墻頂部為圓曲面，這不利于與初期支護(hù)的工字鋼進(jìn)行連接；高強(qiáng)膨脹螺栓一般是通過風(fēng)鎬在中隔墻頂部進(jìn)行鉆孔，然后埋設(shè)，而中隔墻頂部周圍施工空間狹小，這無疑增加了高強(qiáng)螺栓施工的難度，高強(qiáng)螺栓鉆孔會對混凝土產(chǎn)生損傷及打入高強(qiáng)螺栓會產(chǎn)生局部應(yīng)力，這是中隔墻開裂的重要原因之一；另外中隔墻底部沒有進(jìn)行相關(guān)設(shè)計。

針對上述問題，本文對連拱隧道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，與中隔墻頂部連接段，擴(kuò)大初期支護(hù)半徑，見圖4，范圍為45°，半徑增大至8.76 m，且主洞左右兩側(cè)初期支護(hù)之間設(shè)置Ф25水平拉桿，拉桿與工字鋼進(jìn)行焊接；中隔墻頂部兩側(cè)采用直面，見圖5，能與初期支護(hù)工字鋼充分連接；初期支護(hù)工字鋼與中隔墻頂部采用鋼板進(jìn)行焊接，見圖6，中隔墻澆筑混凝土之前，墻頂通長埋設(shè)鋼板B,并預(yù)埋Ф22鋼筋(縱向間距30 cm)，初期支護(hù)工字鋼通過鋼板A與中隔墻頂部鋼板B進(jìn)行焊接(滿焊)，這大大增加了施工的便捷性，同時也避免了高強(qiáng)螺栓的施工對混凝土產(chǎn)生的損傷；中隔墻底部設(shè)置Ф22錨桿，使中隔墻與地基形成一整體。

圖4 優(yōu)化后襯砌設(shè)計

圖5 優(yōu)化后中隔墻(單位: cm)

圖6 鋼板焊接(單位： mm)

2 數(shù)值計算

上文對連拱隧道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，下文通過數(shù)值計算，從第1主應(yīng)力、位移等兩個方面，對原設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行對比，計算軟件為Midas gts-NX。

采用地層結(jié)構(gòu)法，圍巖設(shè)定為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，初期支護(hù)、中隔墻、強(qiáng)風(fēng)化巖均采用實體單元進(jìn)行模擬，錨桿采用植入式桁架進(jìn)行模擬，二次襯砌采用梁單元進(jìn)行模擬，初期支護(hù)及圍巖承擔(dān)35%的圍巖壓力，二次襯砌承擔(dān)65%的圍巖壓力。材料參數(shù)見表1，計算模型見圖7。

2.1 初期支護(hù)應(yīng)力分析

主要分析中隔墻頂部初期支護(hù)的第1主應(yīng)力，見圖8、圖9。

從圖8、圖9中可以看出，原設(shè)計中隔墻頂部初期支護(hù)最大應(yīng)力值為4.01 MPa，優(yōu)化設(shè)計中隔墻頂部初期支護(hù)最大應(yīng)力值為2.3 MPa，初期支護(hù)擴(kuò)大拱腳之后最大壓應(yīng)力有所減小，避免了應(yīng)力集中。

表1 材料參數(shù)表材料單元類型模型類型彈性模量E/(106kN·m-2)初期支護(hù)實體單元彈性31錨桿植入式桁架單元彈性100中隔墻實體單元彈性31二次襯砌梁單元摩爾庫倫31強(qiáng)風(fēng)化砂巖實體單元摩爾庫倫1泊松比v容重(γ)/(kN·m-3)容重(飽和)/(kN·m-3)粘聚力c/MPa摩擦角?/(°)0．2250．2580．2260．2260．352．1210．130

圖7 計算模型

圖8 原設(shè)計初期支護(hù)第1主應(yīng)力

圖9 優(yōu)化設(shè)計初期支護(hù)第1主應(yīng)力

2.2 中隔墻應(yīng)力分析

主要分析中隔墻頂部的第1主應(yīng)力，見圖10、圖11。從中可以看出，原設(shè)計中隔墻頂部最大應(yīng)力為3.43 MPa，優(yōu)化設(shè)計中隔墻頂部最大應(yīng)力為1.74 MPa，墻頂最大應(yīng)力值均發(fā)生在與初期支護(hù)連接的部位，優(yōu)化設(shè)計后的應(yīng)力有所減小。

圖10 原設(shè)計中墻第1主應(yīng)力

圖11 優(yōu)化設(shè)計中隔墻第1主應(yīng)力

2.3 中隔墻位移分析

主要分析墻頂豎向位移，見圖12、圖13。

圖12 原設(shè)計中墻應(yīng)力

圖13 優(yōu)化設(shè)計中隔墻應(yīng)力

從圖中可以得知，原設(shè)計墻頂最大豎向位移為2.68 mm，發(fā)生在頂部兩側(cè)，優(yōu)化設(shè)計墻頂豎向位移均衡布置，最大值為1.52 mm，有所減小。

3 結(jié)論

針對目前連拱隧道中隔墻部分設(shè)計的不足，本文對連拱隧道中隔墻部分進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，主要有以下結(jié)論：

1) 與中隔墻頂部連接段，擴(kuò)大初期支護(hù)半徑，范圍為45°，主洞左右兩側(cè)初期支護(hù)之間設(shè)置Ф25水平拉桿，拉桿與工字鋼進(jìn)行焊接；中隔墻頂部兩側(cè)采用直面；墻頂通長埋設(shè)鋼板，初期支護(hù)工字鋼與中隔墻頂部采用鋼板進(jìn)行焊接，中隔墻底部設(shè)置Ф22錨桿。

2) 通過數(shù)值計算可以得出：與原設(shè)計進(jìn)行比較，中隔墻頂部初期支護(hù)最大應(yīng)力值、中隔墻頂部最大應(yīng)力值、中隔墻頂部豎向位移等均有所減小，表明優(yōu)化設(shè)計更合理。

[1] 劉庭金,朱合華,夏才初,等.云南省連拱隧道襯砌開裂和滲漏水調(diào)查結(jié)構(gòu)及分析[J].中國公路學(xué)報,2004 ,17(2) :64-67.

[2] 夏才初,劉金磊.相思嶺連拱隧道中墻應(yīng)力研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2000 ,19 (S):1115-1119.

[3] 申玉生.軟弱圍巖雙連拱隧道設(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2005.