暗挖區(qū)間仰拱對支護結(jié)構(gòu)影響數(shù)值分析
——以合肥地鐵2號線為例 ①

任怡東， 曹廣勇

(安徽建筑大學建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點實驗室,安徽 合肥 230601)

0 引 言

仰拱結(jié)構(gòu)是設(shè)置在隧道底部的一種反拱結(jié)構(gòu)，其目的是使隧道在施工過程中整體支護效應增強，是組成隧道上部襯砌結(jié)構(gòu)的重要部分。在隧道仰拱施工方面，不少學者進行了大量研究。王明年[1]等對各種地質(zhì)情況下隧道仰拱對支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性力學效應進行研究，給出了仰拱施工的合理仰拱半徑，并給出了相應的施工意見。杜明慶[2]、張龍[3]、李德武[4]、朱星汁[5]等對仰拱在各種荷載作用下仰拱的施工工藝及支護力學效應進行研究，結(jié)果都表明仰拱施工能有效抑制隧道頂部沉降與底部隆起，對隧道施工的安全性提供了保障。李宗順[6]、時亞昕[7]等通過對仰拱整體襯砌的施工工藝進行研究，給出了仰拱施工過程中注意事項，并對仰拱規(guī)范施工給出了寶貴的意見。上述研究集中于仰拱的施工整體性及施工工藝進行研究，并沒有對隧道仰拱施工的整體力學性能進行研究。因此對隧道仰拱施工的整體力學效應亟待研究。

工程背景選用的是合肥市軌道交通2號線與3號錢交匯處某暗挖段隧道施工為背景，采用有限元軟件Midas進行數(shù)值模擬，對比分析了有仰拱施工與無仰拱施工各種力學效應，旨在對今后類似膨脹土地區(qū)的隧道施工與相關(guān)研究提供借鑒。

1 工程概況

合肥市軌道交通西七里塘車站位于潛山路與長江西路交叉口，同時也是地鐵2號線與3號線的換乘車站，有著極其重要的樞紐意義。兩車站均為島式結(jié)構(gòu)車站，沿路口十字敷設(shè)。暗挖區(qū)間經(jīng)過現(xiàn)場地質(zhì)勘探按照地質(zhì)條件與巖土工程特性分為以下幾層：人工填筑土層：(0～3m)，黏土層(3～5m)，隧道周圍巖土的主要組成成分為：風化巖層、黏土層。地質(zhì)橫斷面圖如圖1所示。

2 計算模型的建立

2.1 模型假設(shè)

計算模型選用的Midas有限元軟件自帶的實體單元，通過查找線性結(jié)構(gòu)文獻資料選用摩爾庫倫本構(gòu)關(guān)系[8]。二次支護與初期支護采用板單元進行模擬，為了使模擬效果的力學效應與超前小導管與管棚注漿的加固效應相同，模擬采用適當提高加固區(qū)土層的物理力學參數(shù)(內(nèi)摩擦角、彈性模量及粘聚力)，同時將鋼拱架和加固土層噴混的彈性模量折算成總的彈性模量[9]。同時根據(jù)現(xiàn)場區(qū)間施工地質(zhì)條件及其隧道施工工藝建立有限元模型，模型尺寸為40m×30m×15m，為研究仰拱半徑對隧道襯砌整體支護效應影響，先選取仰拱半徑為16m。計算模型模型如圖2所示。

圖1 隧道地質(zhì)橫斷面(單位：m)

(a)無仰拱隧道模型圖 (b)有仰拱隧道模型圖

約束條件：地面采用軟件自帶的自由邊界，左側(cè)面、右側(cè)面、底面均3選用法向支撐力，模型采用各面混合體進行網(wǎng)格劃分，考慮周圍圍巖各種地質(zhì)條件及襯砌支撐的影響。

2.2 圍巖和支護材料參數(shù)的確定

模型中采用的物理力學參數(shù)見表1、表2。

表1 圍巖的物理力學參數(shù)

表2 支護結(jié)構(gòu)的物理力學參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 豎向位移及豎向應力分析

設(shè)置仰拱的豎向位移量與豎向應力是研究仰拱受力特性的重要指標，由圖3可知：圖3(a)與圖3(b)豎向位移應力云圖與豎向應力云圖發(fā)展趨勢相同，均表象為隧道頂部豎向位移量最小，底部豎向位移量最大，而隧道豎向應力云圖發(fā)展趨勢與其大致相同。但在隧道頂部，豎向應力越大，位移量越小，圖3(a)與圖3(b)隧道最大豎向位移分別為為21.7mm、19.8mm，豎向位移減少量為9.6%；在應力云圖中，圖3(c)與圖3(d)最大豎向應力分別為0.297MPa、0.256MPa，減少量為15.1%，同時由豎向應力云圖可知差別最大的為隧道底部應力，圖3(c)、圖3(d)底部最大應力為0.234MPa、0.221MPa，底部隧道應力減少量為5.6%，隧道頂部豎向應力大致相同；綜上可知，隧道設(shè)置仰拱支護結(jié)構(gòu)能夠有效減少隧道豎向位移及應力，尤其對隧道隧道底部隆起量的控制，但對于隧道頂部沉降量的控制效果不明顯。

圖3 豎向位移及應力云圖

3.2 剪應力分析

圖4(a)、(b)剪應力分布趨勢大致相同，均表現(xiàn)為右上角與左下角隧道邊角處的剪應力最大，左上角與右下角剪應力最小，同時隧道頂部所受的剪應力也較大，圖4(a)的最大剪應力是圖4(b)的2倍不止；圖4(c)與圖4(d)的塑性區(qū)表現(xiàn)為隧道底部兩角塑性區(qū)最大，但有仰拱隧道支護的塑性區(qū)較無仰拱塑性區(qū)范圍明顯減少。由表3可知設(shè)置仰拱能夠有效減少隧道周圍圍巖的剪應力，特別是對于隧道底部的剪應力減少量最為明顯，塑性區(qū)的范圍明顯減少，表明仰拱能增加周圍圍巖襯砌的整體性，有效防止隧道周圍圍巖發(fā)生剪切破壞。

圖4 剪應力云圖與塑性區(qū)圖

表3 隧道剪應力值對比表

3.3 仰拱半徑分析

仰拱半徑作為隧道仰拱能否達到最優(yōu)效果的重要決定因素，建模是分別選取仰拱半徑R2=2R1(R1為拱頂半徑值)為13m到19m共7組，對該7組模型的洞周收斂值、拱低隆起值以及拱頂沉降值進行分析，分析結(jié)果如圖9、10、11所示。由圖5-7可知當R2的取值為16m時，拱頂沉降位移圖、工地隆起位移圖與洞周收斂位移圖均發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，再由表4可知，當半徑R2為16m時，各值均達到最有效果，故取R2為16m時，隧道仰拱施工達到最優(yōu)效果，能保證隧道施工的安全性。

表4 隧道不同仰拱半徑各項位移值對比

圖5 不同半徑拱頂沉降位移圖

圖6 不同半徑拱底隆起位移圖

圖7 不同半徑洞周收斂位移圖

4 結(jié) 語

通過施工進程中改變仰拱半徑，找出最合理的仰拱半徑，并通過有限元軟件的的有仰拱隧道與仰拱隧道的各種力學效應的對比分析，可得出以下結(jié)論：

(1)通過有限元模型Midas數(shù)值模擬對比分析可知，仰拱對于隧道在施工過程中產(chǎn)生的底部隆起量特別有效，但對隧道施工頂部沉降量抑制效果不明顯，故在設(shè)置仰拱施工的隧道工程中，應采取其他有效措施防止隧道頂部塌陷沉降，保證施工安全。

(2)隧道仰拱的存在，能有效抑制隧道襯砌的剪應力，使得隧道底部塑性區(qū)明顯減少，防止隧道周圍襯砌發(fā)生剪切破壞；同時隧道仰拱支護結(jié)構(gòu)的能夠有效改善隧道洞周襯砌的整體應力，與隧道襯砌組成一個整體，保證襯砌結(jié)構(gòu)安全性。

(3)由模型拱頂沉降、拱底隆起以及隧道洞周收斂分析可知，當仰拱半徑設(shè)置為16m時，雖然右拱腰處橫向位移略增，但能夠顯著降低拱頂沉降和拱底隆起值，有利于整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為該隧道可設(shè)置的最佳仰拱半徑。