淺埋偏壓雙連拱隧道施工順序的有限元數值模擬分析

唐 偉,張紅薇

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司城交分院,天津 300251；2.西南交通大學土木工程學院，成都 610031)

1 概述

連拱隧道作為一種新的公路隧道結構形式,因其占地面積小、線形流暢、線路布線方便等優點,被廣泛應用[1]。但其設計相對復雜,對施工技術要求比較高,開挖斷面跨度大,開挖需分多步進行,對圍巖擾動次數較多,圍巖與支護結構的受力狀態復雜多變；開挖和支護相互交錯,使得圍巖應力變化和襯砌荷載轉換復雜,尤其是中隔墻,受力更復雜,拉、壓、剪、彎均有,中隔墻的下沉和水平位移決定連拱隧道結構的整體穩定性[2～4]。

2 工程概況

某高速公路連拱隧道長度為560 m,處于玄武巖臺地區,巖層主要為玄武巖,厚度在150 m以上。地表巖層風化嚴重,質地疏松,隧道圍巖為Ⅱ類；地形起伏不大,隧道最大埋深約為23 m,其余埋深18～20 m,屬于淺埋隧道。由于隧道處于山坡處,加上雙連拱隧道跨度比較大,受地形偏壓作用。

隧道襯砌斷面如圖1所示,中隔墻為復合式結構形式,開挖跨度為23.35 m,開挖高度為10.05 m。

圖1 隧道襯砌斷面(單位：cm)

3 有限元模型的建立

3.1 模型的選取

在模型中,水平向右為X正方向,豎直向上為Z方向,隧道縱向為Y方向。根據有限元計算理論,水平向左、右兩側分別取隧道跨度的3倍,上邊界取至地表,下邊界取隧道高度的3倍,隧道縱向取40 m。邊界條件施加位移約束：左、右兩個側面施加X向約束,前、后兩個面施加Y向約束,底面施加Z向約束,上表面為自由面。整個模型近3萬個節點,14萬多個單元。

3.2 施工順序

隧道采用三導洞法施工。地形偏壓作用下,應選擇合理的施工順序。結合工程的偏壓情況,分別討論“先外后內”和“先內后外”兩種不同的施工順序。“先外后內”指先施工埋深較小一側主洞,再施工埋深較大一側主洞的施工順序；“先內后外”指先施工埋深較大一側主洞,再施工埋深較小一側主洞的施工順序[5]。圖2為施工順序平面示意,圖3為斷面施工順序。

圖2 施工順序平面(單位：m)

圖3 斷面施工順序

3.3 計算參數的選取

巖體風化較嚴重,對由試驗得到的巖體力學參數進行折減,以求更接近圍巖的真實狀態。對于錨噴支護,其作用并非利用材料本身的強度來提供支護力以限制圍巖的變形,而是與圍巖共同作用,及時加固巖層,限制圍巖塑性區的發展,以提高圍巖的承載能力,使之成為承載結構的一部分。因此,對錨桿、鋼筋網片、噴射混凝土及超前注漿等支護的模擬,可以通過適當提高加固區域內圍巖力學參數的方法來實現。模型中各材料的物理力學計算參數如表1所示。

表1 各材料的計算參數

3.4 地應力的釋放

該隧道埋深較小,地應力只考慮重力場。隧道開挖后,地應力的釋放不是一次性完成的,與地質條件、施工方法等有關。結合新奧法施工原理,地應力的釋放可以認為在開挖和初期支護兩個階段完成。在計算中可以取以下釋放系數：開挖0.6,初期支護0.4。

4 計算準則

該模型采用MIDAS/GTS計算。在計算中,巖體和圍巖加固區均采用M-C屈服準則；噴射混凝土采用板單元來模擬,進行彈性計算；對于二次襯砌和混凝土中隔墻,材料為鋼筋混凝土,進行彈性計算,其應力-應變關系遵守胡克定律。

在MIDAS/GTS中,所有材料模型都采用關聯流動準則,即塑性應變向量垂直于屈服面,根據理想彈塑性材料的定義,屈服面并不隨著材料的逐漸屈服而發生改變,因此,沒有強化準則[7]。

5 計算結果分析

整體模型如圖4所示(本模型中地形偏壓率為1.38)。

圖4 模型整體網格

5.1 圍巖位移

隧道開挖后,圍巖因有了臨空面會向隧道空間發生收斂,主要表現在拱頂下沉、隧底隆起以及拱腰位置處巖層的水平收斂等,圍巖在水平向的位移比較小,豎向位移相對較大。因此,在計算結果中,對隧道圍巖的豎向位移進行重點分析。選取圖2所示的第4施工段中拱頂點和隧底點的豎向位移進行分析。圖5和圖6分別為“先外后內”和“先內后外”施工順序的圍巖豎向位移。

圖5 “先外后內”施工順序的圍巖豎向位移

圖6 “先內后外”施工順序中圍巖豎向位移

可以看出：兩種施工順序中,目標點豎向位移的變化趨勢基本相同。導洞施工階段,各點位移比較小；先行洞施工后,先行洞側各點的位移增長比較快,后行洞各點的位移基本不變；當主洞施工至目標點所在斷面時,其目標點的豎向位移迅速增大。在后續施工中,位移持續增大,但增大的比較緩慢。另外,淺埋側主洞上斷面開挖后,4個目標點的豎向位移均發生突變：拱頂下沉急劇增大,隧底隆起迅速減小。全施工完后,埋深大一側的位移大于埋深小一側的位移。

表2為拱頂和隧底各點的最大位移值。可以看出：兩主洞圍巖的變形是不對稱的。水平方向上,拱頂圍巖由深埋側向淺埋側移動,隧底圍巖由淺埋側向深埋側移動,內側主洞位移大于外側主洞的位移；豎直方向上的位移也是內側的大于外側的。就兩種施工順序而言,“先內后外”中外側主洞的最大拱頂下沉量大于“先外后內”中的對應值,其他各豎向位移基本上相等；水平方向中,“先內后外”中拱頂的位移值大于“先外后內”中的對應值。

表2 圍巖最大位移 mm

5.2 圍巖應力

隧道開挖后,拱頂、隧底、兩側拱腳處巖層應力比較大,中隔墻上下巖層的應力變化比較明顯；兩主洞圍巖應力分布是不對稱的,埋深較大一側的圍巖應力大。就兩種施工順序而言,對應部位的應力相差不大,偏壓對其影響不明顯。

從縱向應力上來看,主洞開挖對本側圍巖應力的影響較大,主要集中在本側掌子面前方3～4個施工循環的距離,對另一側的影響很小。主洞上斷面開挖后,掌子面的縱向應力迅速釋放；未開挖的下斷面的縱向壓應力迅速減小,甚至出現反向的拉應力,這對維護掌子面的穩定性是很有利的。

5.3 中隔墻應力

中隔墻是結構的關鍵部位,不僅承受圍巖壓力,還要承受兩主洞傳遞的荷載。受力狀態比較復雜,拉、壓、彎、扭均有,中隔墻的下沉和水平位移決定連拱隧道的整體穩定性[8]。本隧道中隔墻為復合式結構。選取中隔墻的中部和頂部的點,來分析其應力變化情況。圖7、圖8為各點的豎向應力變化。

圖7 “先外后內”施工順序的豎向應力

圖8 “先內后外”施工順序的豎向應力

可以看出：兩種施工順序中,各點豎向應力的變化趨勢基本一致,主洞施工中,中隔墻靠近主洞一側的應力增大較快,另一側應力增長很緩慢。 “先外后內”施工順序中,施工結束后,中隔墻中部兩側壓應力值基本相等,約為3.7 MPa,頂部兩側壓力相差較大,深埋側比淺埋側約大0.9 MPa；“先內后外”順序中,中部兩側壓應力不相等,內側應力比外側的大20%左右,頂部應力值相差更大,內側的比外側的幾乎大了1倍,偏壓比較嚴重。

表3是各點的水平應力值。水平應力比豎向應力要小,但其應力狀態相對復雜,同一工況中,拉、壓均有。中隔墻外側(淺埋側)頂部應力變換相對頻繁,總的來說,“先內后外”施工順序中,各部位的應力變化幅度比“先外后內”中的要大一些。中隔墻會發生一些偏移,主要取決于兩側水平應力值。

表3 水平向應力值 MPa

5.4 初期支護應力

隧道開挖后,應及時施作初期支護,以便能夠及時支護圍巖,協調圍巖的變形,并限制圍巖發生大的變形；還可以及時封閉圍巖,防止巖層風化、侵蝕。

隧道開挖后,兩主洞初期支護的應力分布是不對稱的,先行施工一側主洞的支護應力比后行施工一側的支護應力大；靠近中隔墻部位的初期支護應力比遠離中隔墻一側的大。就兩種施工順序而言,“先內后外”施工順序中,兩主洞的應力差值較大,“先外后內”中的相對較小。表4為圖2第四施工段中兩主洞初期支護拱頂有效應力的最大值。可以看出：兩種施工順序中,外(淺埋側)拱頂初期支護的有效壓應力的差值較大,內(深埋側)拱頂初期支護的有效壓應力的差值相對小一些。

表4 拱頂有效應力最大值 MPa

5.5 圍巖塑性區

圖9和圖10是隧道的圍巖塑性區分布情況。

圖9 “先外后內”的圍巖塑性區分布

圖10 “先內后外”的圍巖塑性區分布

不管是“先內后外”,還是“先外后內”,兩種施工順序中,圍巖的塑性區分布基本上一致。只不過“先內后外”中的相對大一些。圍巖塑性區主要分布在內側主洞內側拱腳處、中隔墻底部兩腳趾處、外側導洞的仰拱處。從分析結果來看,拱頂、拱腰圍巖沒有出現塑性區,說明錨桿、超前注漿等措施能夠有效的加固圍巖,限制圍巖塑性區的發展。

6 結論

經過上述分析研究,可以得出如下結論。

(1)地形偏壓作用下,兩主洞圍巖相對應位置的應力、變形是不對稱的。埋深較大一側的比埋深較小一側的大。主洞施工對同側圍巖的影響比較大,對另一側主洞影響很小。

(2)偏壓作用下,中隔墻應力變化比較頻繁,先行洞開挖完后,其偏壓程度最嚴重；后行洞施工后,中隔墻的偏壓程度逐步減小,全施工完后,偏壓程度最小,但此時壓應力最大。“先內后外”工序中中隔墻的偏壓程度比“先外后內”的大。

(3)地形偏壓下,初期支護的應力分布：靠近中隔墻處的應力值比遠離中隔墻一側的大；主洞開挖對初期支護的應力分布有影響。“先內后外”中兩主洞初期支護的應力差值比“先外后內”的大。

(4)兩工況中圍巖塑性區分布基本一致,主要分布在主洞兩側拱腳處、中隔墻底部兩腳趾處,偏壓對圍巖塑性區的分布影響較小。

在地質條件不好的情況下,對淺埋連拱隧道,采用三導洞半斷面開挖法能夠有效的控制圍巖的變形,有利于圍巖的穩定。偏壓情況下,“先外后內”和“先內后外”兩種施工順序中,圍巖和支護結構的力學行為是不同的,“先外后內”施工順序更有利于隧道的穩定。在施工中,兩主洞之間要保持一定的施工間距,約為1～2倍的主洞跨度,以減少兩主洞之間的施工干擾,確保圍巖的穩定性和完整性。

[1] 丁文其.龍山淺埋大跨連拱隧道方案優化分析[J].巖石力學與工程學報,2005,24(22)：4042-4047.

[2] 賈永剛.雙連拱隧道兩種工法的施工力學分析[J].巖石力學與工程學報,2005,24(A02)5727～5732

[3] 余曉林.軟弱圍巖條件下連拱隧道施工階段的受力分析[J].西部探礦工程,2003,14(4)：66-68.

[4] 何 川,林 剛,汪會幫.公路連拱隧道[M].北京：人民交通出版社,2006．

[5] 高 紅.巖土材料屈服破壞準則研究[D].北京：中國科學院研究生院，2007.

[6] 朱青峰.不穩定地層大跨度雙聯拱隧道綜合施工技術[J].鐵道標準設計，2009(2)：104-105.

[7] 陳少華,李 勇.連拱隧道的結構分析[J].中國公路學報,2000,13(1)：48-51.