史作璟

(林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司 軌道事業(yè)部， 重慶 401121)

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，雙連拱隧道作為一種新型大跨度隧道形式，憑借其整體線性流暢、施工占地少、空間利用率高，且雙連拱設置避免了洞口道路分幅，并可節(jié)省總體工程投資等諸多優(yōu)點，逐漸得到了工程界的廣泛認可。但是雙連拱隧道開挖跨度大，左右洞、不同工序相互交錯施工對圍巖內(nèi)部應力擾動較大。因此，雙連拱三導洞開挖過程中，有必要在設計階段對作為主要承載結(jié)構(gòu)的中隔墻的應力、位移等進行更加深入的研究。

本文以重慶市高新區(qū)森谷路雙連拱隧道為工程背景，采用MIDAS GTS 2.6大型有限元軟件，對雙連拱隧道三導洞臺階法開挖各施工工序進行了數(shù)值模擬分析，研究了各階段施工過程中中隔墻應力及位移變化情況，對施工中可能出現(xiàn)的風險提出了切實可行的處理建議。

1 工程概況

重慶市高新區(qū)森谷路南北走向，為城市次干路，設計時速為40 km/h，雙向四車道，隧道全長199 m，為短隧道，見圖1。隧道最大埋深26 m，洞身采用復合式襯砌，按新奧法原理設計與施工。從受力情況優(yōu)劣及經(jīng)濟性出發(fā)，隧道內(nèi)輪廓采用曲墻三心圓雙連拱斷面。隧道所處地區(qū)總體呈丘陵斜坡地貌，地形坡度約5°～35°，隧道下穿山脊，上覆土層為第四系粉質(zhì)粘土，厚約1.0 m左右，下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組泥巖、砂巖層。擬建隧道頂部為丘陵山脊，灌木、雜草叢生，無水體分布，地下水貧乏。

圖1 森谷路隧道總平面圖

2 計算模型

隧道工程數(shù)值模擬，通常采用面單元模擬圍巖及隧道開挖體，采用梁單元模擬隧道噴射混凝土及二次襯砌支護，采用植入式桁架模擬錨桿對圍巖的加固處理，通過定義單元的“生”或“死”，實現(xiàn)隧道不同工況數(shù)值模擬。

根據(jù)森古路雙連拱隧道實際結(jié)構(gòu)形式及工程地質(zhì)特征，運用大型有限元軟件MIDAS GTS 260建立了適當簡化的地層結(jié)構(gòu)法平面計算模型(隧道埋深26 m)。模型兩側(cè)及底部取約3倍洞徑，上部取到地表。由于模型為平面模型，模型左右邊界約束水平方向位移，底部約束豎直方向位移，模型頂部取到地 表，為自由邊界。模型尺寸為120 m×100 m，網(wǎng)格采用平面四邊形單元進行劃分，數(shù)值分析模型單元劃分見圖2所示。圍巖本構(gòu)關系采用摩爾-庫侖模型，襯砌支護結(jié)構(gòu)采用彈性模型，圍巖及支護材料計算參數(shù)見表1。雙連拱隧道中隔墻受力與穩(wěn)定與施工步序有密切關系，根據(jù)類似工程實踐，本隧道施工步序采用三導洞臺階法開挖進行模擬，隧道開挖步序圖見圖3所示。

表1 圍巖及支護材料計算參數(shù)表

圖2 數(shù)值分析模型單元 圖3 隧道開挖步序圖

3 數(shù)值模擬分析

從整個開挖施工步序上來看，雙連拱隧道中隔墻及其頂部圍巖在施工過程中始終處于擾動狀態(tài)，中隔墻應力及其豎向位移是最為敏感和復雜的。因此，在設計階段分析中隔墻應力、位移及其受力變形規(guī)律對解析中隔墻失穩(wěn)機理以及控制施工風險具有重要的現(xiàn)實意義。

3.1 中隔墻應力分析

受到左右導洞開挖及各開挖施工階段的影響，中隔墻的應力一直處于變化之中，圖4為森谷路隧道三導洞臺階法開挖主要施工階段下中隔墻主應力圖。從圖中可以看出：中隔墻在澆注完成后其應力場表現(xiàn)為很有規(guī)律的對稱分布，應力值主要為微小的壓力，這也說明中導洞開挖導致了圍巖應力重分布，中隔墻澆注完成時其承載力還未完全發(fā)揮。隨著施工開挖的進行，中隔墻內(nèi)部應力發(fā)生了較大變化，墻體內(nèi)受壓區(qū)縮減并趨于集中，墻頂及墻底出現(xiàn)局部受拉區(qū)，在整個施工過程中，中隔墻第一主應力呈現(xiàn)出“對稱—不對稱—對稱”分布過程，其產(chǎn)生最大壓應力0.95 MPa，頂部產(chǎn)生最大拉應力1.3 MPa，底部產(chǎn)生最大拉應力1.6 MPa(此拉應力為一個比較危險的信號，其已很接近混凝土單軸極限抗拉強度，因此在設計階段就應該考慮中隔墻頂部及底部可能產(chǎn)生的拉應力)；從不同施工階段第三主應力圖可以看出，開挖施工過程中單側(cè)主洞的開挖無形中會對中隔墻施加一個“偏壓荷載”，施工過程中中隔墻一直處于偏壓作用下，中隔墻偏壓值在左洞開挖完成后達到最大，中隔墻中部左側(cè)輪廓線附近壓力約為4.4 MPa，而右側(cè)約為1.5 MPa，壓應力變化了約66%，故在施工過程中中隔墻有因偏壓而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的風險，左右主洞開挖完成后，其第三主應力表現(xiàn)為明顯的“X”狀分布。

Step4 第一主應力圖 Step4 第三主應力圖

Step6 第一主應力圖 Step6 第三主應力圖

Step9 第一主應力圖 Step9 第三主應力圖

Step11 第一主應力圖 Step11 第三主應力圖圖4 不同施工階段中隔墻主應力圖

3.2 中隔墻位移分析

圖5為森谷路隧道三導洞臺階法開挖主要施工階段下中隔墻位移圖。

Step4 豎向位移圖 Step4 水平位移圖

Step9 豎向位移圖 Step9 水平位移圖

Step11 豎向位移圖 Step11 水平位移圖

從圖中可以看出：隨著隧道施工步序的推進，中隔墻水平位移值一直處于變化之中，但總體較微小，極值出現(xiàn)在左洞下臺階開挖后，約0.16 mm；中導洞開挖及中隔墻施做后，中隔墻豎直方向上總體表現(xiàn)為上升，最大豎向位移出現(xiàn)在中隔墻底部，約上升0.4 mm，隨著施工階段的推進，中隔墻豎向位移分布狀態(tài)與應力分布一致也呈現(xiàn)出“對稱—不對稱—對稱”分布過程，施工過程中先開挖一側(cè)較后開挖一側(cè)對應中隔墻豎向位移大，施工完成后，中隔墻頂部下沉約0.7 mm，底部隆起約0.2 mm?？傮w來說，施工過程中中隔墻一直處于下沉狀態(tài)，開挖工況對中隔墻位移影響較小，設計階段可暫不考慮，中隔墻下沉主要受其下部巖土層地基承載力決定，在設計中可考慮加固地基等措施提高地基承載力，阻止中隔墻下沉。

4 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬方法研究了雙連拱隧道中隔墻在不同工況下的應力及位移情況，得出以下結(jié)論：

(1) 施工過程中中隔墻頂部及底部均會產(chǎn)生一定的拉應力，為保證中隔墻不背拉裂，應在中隔墻內(nèi)部設置一定鋼筋，增強中隔墻局部抗拉強度。

(2) 施工過程中中隔墻會受到一定偏壓荷載，且有扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)風險，因此在設計中可考慮在先開挖主洞對側(cè)設置橫撐等措施減弱中隔墻偏壓狀態(tài)。

(3) 施工過程中中隔墻一直處于整體沉降狀態(tài)，為阻止中隔墻下沉，在設計中可考慮加固地基等措施提高地基承載力，阻止中隔墻下沉。

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