大跨雙連拱黃土隧道力學效應研究

韓 波 尹志雨

(1.山西省交通科技研發有限公司 太原 030032； 2.山西交科公路勘察設計院有限公司 太原 030032)

黃土地區公路隧道，力學效應、施工方案及工藝等具有特殊性，需深入進行分析。本文以某座位于黃土丘陵區，起終點樁號為K63+940-K64+135全長195 m的大跨度雙連拱黃土隧道為例，依據有限元模擬和現場監測數據，研究雙連拱黃土隧道力學效應。

該隧道為連拱雙洞單向隧道，按高速公路標準設計，設計荷載：公路-I級。斷面尺寸為：凈2×10.25 m，采用三心圓(曲墻半圓拱形)曲中墻斷面。

圍巖級別綜合評價如下。

1) K63+940-K63+980段,長度：40 m，最大埋深39.8 m，圍巖以稍密～中密狀粉土為主，圍巖級別為V2級。

2) K63+980-K64+070段,長度：90 m，最大埋深64 m，圍巖以硬塑～堅硬狀粉質黏土為主，圍巖級別為V1級。

3) K64+070-K64+135段,長度：65 m，最大埋深36 m，圍巖以稍密～中密狀粉土為主，圍巖級別為V2級。

1 隧道結構設計

山嶺區高速公路隧道斷面尺寸較大，水文地質復雜，按照“新奧法”原理，結合隧道埋深及圍巖級別的劃分，分段進行復合襯砌設計[1-2]。由于工程地質的復雜性和不確定性，文中采用大型有限元軟件進行施工過程模擬，分析圍巖及結構的應力變化與變形破壞規律，進一步優化支護參數。最后在施工過程中，詳細掌握圍巖動態，進行實時監控量測，根據量測數據適當調整支護參數，確保隧道結構安全[3-7]。

2 淺埋偏壓段工程地質

隧道淺埋偏壓段位于黃土丘陵區中陡坡上，圍巖以稍密～中密狀粉土為主，最大埋深39.8 m，圍巖級別為V2級，開挖過程易產生變形和小型塌方。淺埋偏壓段最不利橫斷面圖見圖1。

圖1 淺埋偏壓段最不利橫斷面圖

3 有限元分析

采用大型通用有限元軟件對結構強度及圍巖穩定性進行校驗計算，采用面單元Plane42模擬圍巖及中隔墻，采用梁單元beam3模擬彈性受力階段的連拱襯砌。模型單元總數約16 167～19 132個。材料物理力學參數表見表1。

表1 材料物理力學參數表

其中，圍巖材料采用DP準則進行模擬。在滿足工程要求的前提下，提高運算速度，同時能夠考慮圍巖的塑性變形。計算模型見圖2。

圖2 計算模型

4 計算結果

通過有限元模擬，對未開挖前自重應力場作用、連拱隧道施工后圍巖應力等進行計算分析。

4.1 未開挖前自重應力場作用結果

自重作用下豎向位移分布圖見圖3。

圖3 自重作用下豎向位移分布圖(單位：m)

由圖3可知，在自重應力場條件下，由于地形的偏壓導致初始位移場不對稱，隧道中軸線與中墻底部交點和圖中坐標原點一致，可見初始位移場相對隧道結構也不對稱，右側連拱初始位移大于左側。

自重作用下豎向應力分布圖見圖4。

圖4 自重作用下豎向應力分布圖(單位：Pa)

由圖4可知，在自重應力場條件下，由于地形的偏壓導致初始應力場不對稱，隧道中軸線與中墻底部交點和圖中坐標原點一致，可見初始應力場相對隧道結構也不對稱，右側連拱初始應力大于左側。總體上看應力場線與地表形狀近似平行。

4.2 連拱隧道施工后圍巖應力

圍巖豎向位移分布圖見圖5。

圖5 圍巖豎向位移分布圖(單位：m)

隧道施工后，考慮到施工中采用錨桿注漿對圍巖的加固作用，能夠減小原始地應力場所產生的應力不對稱，分析中考慮了圍巖加固圈的圍巖物理材料性能的提高，開挖后位移云圖相對初始云圖有變化，但變化主要集中在右側連拱襯砌頂部位置。從基底位移來看，基底不均勻位移差值為約2.4 mm，與初始基底存在不均勻位移差值基本一致。

2) 圍巖豎向應力分布圖見圖6。

圖6 圍巖豎向應力分布圖(單位：Pa)

由圖6可見，隧道施工后應力發生了大范圍的重分布，左右側連拱的拱腰部分、中隔墻頂部及底部的圍巖應力較大。圍巖最大壓應力為1.5～2.4 MPa，較初始壓應力增大了0.868～1.768 MPa，一般來說此應力較小，圍巖在施工過程中能保持穩定，但考慮本隧道地質條件較差，施工過程中需結合具體地質條件和圍巖狀況進行校核。

4.3 連拱隧道施工后襯砌內力

隧道采用復合式襯砌，通過對襯砌結構彎矩、軸力、剪力的力學計算，進行襯砌的結構安全性驗算。

圖7 施工后襯砌內力

由圖7可見，隧道襯砌的彎矩值、軸力值及剪力值均較小，但仍需根據計算結果對襯砌配筋進行優化設計。

5 地基承載力

開挖后所需地基承載力在仰拱下部基本與初始應力場一致，僅在中隔墻下部需要較大的地基承載力。施工應嚴格按照設計的施工工序進行施工，主洞開挖后需及時施作仰拱，同時做好主洞與中隔墻的連接，并按要求及時做好監控量測。地基承載力沿隧道橫向分布圖見圖8。經計算隧道底部所需地基承載力平均值為240 kPa。

圖8 地基承載力沿隧道橫向分布圖

6 監控量測分析

監控量測是黃土隧道襯砌結構優化設計的重要依據之一。通過監控量測數據，工程技術人員可以實時掌握圍巖和支護結構的力學動態和穩定程度，據此采取相應的處理措施，合理優化施工方案和支護參數，提前警示事故與險情，以防事故發生，確保隧道施工安全，有助于節約工程投資。

該隧道監控量測的項目有拱頂下沉和周邊收斂，我們可通過洞內變形收斂量測數據，實現動態調整。在整個監測周期內對左線ZK64+130-ZK63+945段19個斷面和右線YK64+130-YK63+950段20個斷面，及中導洞K64+126.5-K63+945段19個斷面進行拱頂下沉和周邊收斂監測。右洞的拱頂下沉和周邊收斂監測數據見表2、表3。

表2 右洞拱頂下沉數據統計表

表3 右洞周邊收斂數據統計表

通過實時監控量測數據分析，可以看出整個圍巖在施工過程中處于可控狀態，與前文的有限元模擬分析結論相一致。整個監測周期內，該隧道圍巖穩定性差，局部含水量較大，圍巖變形較大，穩定周期較長，監測頻率及時間需根據實際情況動態調整。為了防止圍巖侵限，應及時、動態地調整圍巖預留變形量，保證隧道凈空。根據圍巖的變形量及穩定性，優化支護襯砌參數，實時調整施工方案，保證結構安全。

7 結論

1) 由于該隧道存在偏壓，在自重應力作用下，右側初始位移和應力均大于左側。隧道施工后圍巖應力發生了大范圍的重分布，左右側連拱的拱腰部分、中隔墻頂部及底部的圍巖應力較大。通過對隧道襯砌結構彎矩、軸力、剪力的力學計算，彎矩值、軸力值和剪力值均較小。雙連拱隧道的中隔墻尺由于承受較大的應力，需對中隔墻基底承載力進行驗算，保證結構的穩定性。

2) 在施工過程中，應嚴格實時監控量測，及時反饋監控量測數據，把握圍巖及支護的動態變化規律。

黃土地區雙連拱隧道結構復雜，水文地質特性多變，不利因素較多，增加了施工難度。但是，如果在施工過程中，及時優化調整支護參數和施工工藝，嚴格控制變形量，施工質量和安全度會大幅提高。