周 亮

(湖南省湘西公路橋梁建設(shè)有限公司，湖南 吉首 416000)

0 引言

雖然連拱隧道引入我國(guó)較晚，其以占地少，影響公路線性小等優(yōu)點(diǎn)在公路、市政道路中廣泛應(yīng)用［1］，近年來(lái)，我國(guó)修建較多的大跨度雙連拱隧道，如起初修建的廣州白云山隧道，跨度較大，達(dá)31.5 m，還有滬蓉高速公路馮家埡口隧道、福泉高速公路相思嶺隧道、云南大保高速公路元磨隧道等。

雙連拱隧道由于施工工序復(fù)雜，跨度大，施工時(shí)中隔墻、襯砌及圍巖等結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)復(fù)雜，受力情況隨開挖過(guò)程頻繁變化，這給施工安全帶來(lái)較大困難，如何保證施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中中隔墻、襯砌及圍巖的穩(wěn)定，是工程研究的重點(diǎn)。特別是當(dāng)隧道通過(guò)破碎、結(jié)構(gòu)松散的全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化巖體時(shí)，施工過(guò)程中的圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力將更加復(fù)雜，中隔墻、襯砌、拱腰及拱腳等部位的受力將顯著加大，中隔墻反復(fù)出現(xiàn)偏心受壓，影響隧道整體穩(wěn)定性，研究隧道施工過(guò)程中的力學(xué)行為是保證施工安全的關(guān)鍵［2，3］。

雙連拱隧道的施工方法很多，主要有中導(dǎo)洞、側(cè)壁導(dǎo)洞法、多步施工法等，本文以某采用側(cè)壁導(dǎo)洞法施工的雙連拱隧道為背景，通過(guò)建立數(shù)值計(jì)算模型，模擬隧道開挖及支護(hù)過(guò)程，并計(jì)算了各施工步下的圍巖、中隔墻等的力學(xué)響應(yīng)，并分析隧道圍巖的穩(wěn)定性，可為類似工程提供參考。

1 隧道概況及設(shè)計(jì)參數(shù)

本連拱隧道為雙向6 車道，單洞路面凈寬12.5 m，凈高8.0 m，隧道全長(zhǎng)220 m，進(jìn)出口樁號(hào)分別為K21+125、K21+345，隧道處于正常下坡路段，沒(méi)有超高，縱坡坡度1.3%，隧道最大埋深14.8 m，最小埋深5.7 m，屬于淺埋隧道。

根據(jù)設(shè)計(jì)階段的地質(zhì)勘察報(bào)告，隧道長(zhǎng)度范圍內(nèi)圍巖分級(jí)均Ⅵ級(jí)，進(jìn)出口段圍巖破碎情況更為嚴(yán)重，本次數(shù)值計(jì)算選取進(jìn)口段樁號(hào)為K21+148 斷面進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

根據(jù)本隧道的具體設(shè)計(jì)情況，隧道支護(hù)采用復(fù)合式襯砌，根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)文件，隧道設(shè)計(jì)的總體原則是按新奧法原理設(shè)計(jì)的，以錨桿、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼架組成初期支護(hù)的聯(lián)合支護(hù)體系，以模板砌筑鋼筋混凝土作為二次襯砌。具體設(shè)計(jì)參數(shù)為:初期支護(hù)，格柵鋼架間距0.75 m，Φ6 鋼筋網(wǎng)20 cm ×20 cm，Φ25 錨桿，長(zhǎng) 4.0 m，間距 1.0 m ×1.0 m，噴射C25 早強(qiáng)混凝土，厚度0.3 m;二次襯砌為模筑鋼筋混凝土，標(biāo)號(hào)C30，洞周厚度均為0.6 m。

本隧道采用側(cè)壁導(dǎo)洞法進(jìn)行開挖施工，具體施工工序如下(見圖1):

圖1 側(cè)壁導(dǎo)洞法施工步圖

中導(dǎo)洞開挖、支護(hù)，中隔墻澆筑，中導(dǎo)洞回填→兩側(cè)導(dǎo)洞內(nèi)外側(cè)上半部分開挖及支護(hù)→兩側(cè)導(dǎo)洞內(nèi)外側(cè)下半部分開挖、支護(hù)→中部上半斷面的開挖及支護(hù)(中部預(yù)留巖土體)→左右洞室中部預(yù)留巖土體的開挖→左右洞中部下半部分開挖及支護(hù)→拆除臨時(shí)支護(hù)→隧道左右洞進(jìn)行二次襯砌。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

一般情況下，可根據(jù)隧道圍巖地質(zhì)條件、開挖面積及地應(yīng)力場(chǎng)水平等影響因素來(lái)選取計(jì)算影響范圍，本次計(jì)算采用試算的方式確定模型大小，以避免邊界條件對(duì)二維有限元計(jì)算的影響，試算結(jié)果表明，當(dāng)隧道左右側(cè)模型范圍大于40 m 時(shí)，左右邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果沒(méi)有影響;當(dāng)隧道底部模型范圍大于20 m時(shí)，底部邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果無(wú)影響。因此，最后選定模型范圍為水平寬度為130 m，豎直高度為42。確立取值根據(jù)地質(zhì)資料，本隧道穿越區(qū)段巖土層主要包括人工填土、全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖。計(jì)算模型采用三角形單元，上部邊界采用自由邊界，底部水平、豎直方向均約束，兩側(cè)邊界僅水平方向約束。

計(jì)算程序通過(guò)設(shè)置對(duì)應(yīng)的施工步來(lái)模擬施工中的隧道開挖過(guò)程，并模擬施加錨桿、襯砌等支護(hù)對(duì)隧道圍巖的影響，以期達(dá)到模擬隧道開挖、支護(hù)施工全過(guò)程的目的［4～6］。模型計(jì)算網(wǎng)格劃分圖如圖2。

圖2 模型計(jì)算網(wǎng)格劃分圖

2.2 計(jì)算參數(shù)

本次計(jì)算中，計(jì)算材料采用的彈塑性(平面應(yīng)變)本構(gòu)模型、D －P 屈服準(zhǔn)則。隧道圍巖、中隔墻砌筑體、中隔墻回填采用實(shí)體單元模擬，施加的錨桿和初襯采用板單元模擬，而二次襯砌則采用梁?jiǎn)卧M，在初襯和二襯之間的接觸面上設(shè)置了接觸面單元，共劃分了 5 138 個(gè)單元［7～9］。由地質(zhì)勘查報(bào)告及設(shè)計(jì)文件提供的參數(shù)，計(jì)算中使用的各種材料的物理、力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 兩側(cè)導(dǎo)洞內(nèi)外側(cè)上半部分開挖及支護(hù)［10］

建立上述模型后，當(dāng)進(jìn)行兩側(cè)導(dǎo)洞內(nèi)外側(cè)上半部分開挖及支護(hù)后，得到的圍巖、中隔墻的數(shù)值應(yīng)力及塑性區(qū)如圖3所示。

由圖可知，左右洞拱腰及開挖導(dǎo)洞的下方角落處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，左洞拱腰處大小為－531 kPa，直角處為－536 kPa，應(yīng)力集中的范圍都較小，呈點(diǎn)狀區(qū)域，圍巖其余位置豎直應(yīng)力未出現(xiàn)集中現(xiàn)象。中隔墻豎直應(yīng)力最大處發(fā)生在中下部以及下部角隅處左右側(cè)(表面?zhèn)?位置，左側(cè)最大豎直應(yīng)力大小為－304 kPa，右側(cè)對(duì)應(yīng)位置為－303 kPa，中隔墻兩側(cè)的豎直應(yīng)力最大值基本相同，但從圖中可看出，左側(cè)的應(yīng)力區(qū)要略大于右側(cè)，其余位置豎直應(yīng)力對(duì)稱分布。圍巖塑性區(qū)主要出現(xiàn)左右洞拱腰處，中隔墻左右側(cè)墻中部也分布有較大范圍的塑性區(qū)。

圖3 兩側(cè)導(dǎo)洞內(nèi)外側(cè)上半部分開挖及支護(hù)后圍巖、中隔墻豎直應(yīng)力及塑性區(qū)分布

3.2 兩側(cè)導(dǎo)洞內(nèi)外側(cè)下半部分開挖、支護(hù)

當(dāng)進(jìn)行兩側(cè)導(dǎo)洞內(nèi)外側(cè)下半部分開挖、支護(hù)后，得到的圍巖、中隔墻的數(shù)值應(yīng)力及塑性區(qū)如圖4所示。

圖4 兩側(cè)導(dǎo)洞內(nèi)外側(cè)下半部分開挖、支護(hù)后圍巖、中隔墻豎直應(yīng)力及塑性區(qū)分布

由圖可知，左右洞拱腰處、拱腳處的豎直應(yīng)力集中現(xiàn)象有明顯改善，這些豎直應(yīng)力的大小有小幅度的增加，左洞拱腰處大小為－589 kPa，右洞拱腰處為－592 kPa，整體來(lái)看，開挖面附近圍巖豎直應(yīng)力均有所增大。對(duì)比左右洞圍巖豎直應(yīng)力分布可知，其基本以路線中線軸對(duì)稱分布。中隔墻豎直應(yīng)力較上一施工開挖步有較大幅度的增長(zhǎng)，左側(cè)最大豎直應(yīng)力發(fā)生在左側(cè)下部角隅處，大小為－1 177 kPa，較上一施工步增大287.2%，右側(cè)角隅處未見明顯的應(yīng)力集中，最大豎直應(yīng)力發(fā)生在中部截面最小處，大小為－882 kPa，較上一施工步增大191.1%。可以看出雖然中隔墻豎直應(yīng)力有所增大，但大小依然在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，整個(gè)中隔墻未出現(xiàn)拉應(yīng)力，說(shuō)明其整體受力狀態(tài)較好。

拱腰處的塑性區(qū)分布有所增大，中導(dǎo)洞側(cè)墻墻角處出現(xiàn)小面積的塑性區(qū)分布，此外，左右洞中部未開挖斷面的中下部均出現(xiàn)較大范圍的塑性區(qū)分布，這主要是因?yàn)?，該區(qū)域?yàn)橄乱浑A段開挖區(qū)域未進(jìn)行初期支護(hù)，圍巖在開挖臨空后，在豎直應(yīng)力重分布且增大后，進(jìn)入屈服狀態(tài)，形成了較大范圍的塑性區(qū)。這種塑性區(qū)應(yīng)分兩種情況分析:①若塑性區(qū)迅速發(fā)展，且位移量測(cè)有突變現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)進(jìn)行必要的臨時(shí)支護(hù)，避免產(chǎn)生坍塌，影響隧道施工安全;②若塑性區(qū)分布雖然較大，前一施工步完成后未繼續(xù)發(fā)展，且位移測(cè)量數(shù)據(jù)收斂時(shí)，可不進(jìn)行特殊處理，因?yàn)楸緮嗝婕礊橄乱浑A段開挖斷面。

3.3 中部上半斷面的開挖及支護(hù)(中部預(yù)留巖土體)

當(dāng)進(jìn)行中部上半斷面的開挖及支護(hù)后，得到的圍巖、中隔墻的數(shù)值應(yīng)力及塑性區(qū)如圖5所示。

由圖可知，中部上半斷面的開挖及支護(hù)后，隧道洞周及中隔墻的豎直應(yīng)力繼續(xù)增長(zhǎng)，左洞拱腰處最大豎直應(yīng)力為－741 kPa，較上一施工步增長(zhǎng)25.8%，右洞拱腳最大豎直應(yīng)力為－744 kPa。左右洞拱頂與上一開挖步交界點(diǎn)處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，但豎直應(yīng)力絕對(duì)值不大，為－395 kPa，此外中導(dǎo)洞側(cè)墻墻角處應(yīng)力集中現(xiàn)象有所發(fā)展，范圍增大，最大豎直應(yīng)力也有較大幅度的增長(zhǎng)，大小為－833 kPa，兩側(cè)對(duì)稱分布。對(duì)比左右洞圍巖豎直應(yīng)力分布可知，其基本以路線中線軸對(duì)稱分布。中隔墻豎直應(yīng)力較上一施工開挖步繼續(xù)增長(zhǎng)，左側(cè)最大豎直應(yīng)力發(fā)生在左側(cè)下部角隅處，大小為－1 383 kPa，較上一施工步增大17.5%，最大豎直應(yīng)力發(fā)生位置與上一施工步相同，右側(cè)角隅處未見明顯的應(yīng)力集中，最大豎直應(yīng)力發(fā)生在中部截面最小處，大小為－1 079 kPa，較上一施工步增大22.3%?？梢钥闯鲭m然中隔墻豎直應(yīng)力有所增大，但其數(shù)值大小依然在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，整個(gè)中隔墻未出現(xiàn)拉應(yīng)力，說(shuō)明其整體受力狀態(tài)依然較好。

本開挖步后，左右洞拱腰處的塑性區(qū)分布未見明顯變化，中導(dǎo)洞側(cè)墻墻角處的塑性區(qū)范圍繼續(xù)發(fā)展擴(kuò)大，這與應(yīng)力發(fā)展規(guī)律相同，此外，中導(dǎo)洞兩側(cè)拱腰也出現(xiàn)了塑性區(qū)，整體來(lái)看，塑性區(qū)分布范圍基本以路線中線對(duì)稱分布。

圖5 中部上半斷面的開挖及支護(hù)后圍巖、中隔墻豎直應(yīng)力及塑性區(qū)分布

3.4 拆除臨時(shí)支護(hù)并施加二襯

當(dāng)完成拆除臨時(shí)支護(hù)并施加二襯后，得到的圍巖、中隔墻的數(shù)值應(yīng)力及塑性區(qū)如圖6所示。

圖6 拆除臨時(shí)支護(hù)并施加二襯后圍巖、中隔墻豎直應(yīng)力及塑性區(qū)分布

由圖可知，完成拆除臨時(shí)支護(hù)并施加二襯后，隧道圍巖應(yīng)力重新分布，隧道洞周及中隔墻的豎直應(yīng)力均有所增加。左右洞圍巖基本對(duì)稱分布，拱腰、拱腳處的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解，左洞拱腰處豎直應(yīng)力大小為－991 kPa，右洞拱腰處豎直應(yīng)力大小為－987 kPa，數(shù)值應(yīng)力增大主要是因?yàn)槌跗谥ёo(hù)拆除后，圍巖應(yīng)力重分布引起的。

中隔墻豎直應(yīng)力也有所增大，其最大豎直應(yīng)力分布在中隔墻左右側(cè)下部的角隅處(表面?zhèn)?，大小為－3 155 kPa。中隔墻左側(cè)中部最大豎直應(yīng)力為－2 830 kPa，右側(cè)中部最大豎直應(yīng)力為－2 821 kPa，左右側(cè)仍存在較小的偏壓，但幅度非常小，在可承受范圍內(nèi)。其余部位的豎直應(yīng)力基本呈對(duì)稱分布，大小均有所增大，其原因與圍巖應(yīng)力增大一樣，都是因?yàn)榕R時(shí)支護(hù)拆除導(dǎo)致應(yīng)力重分布所致。

左右洞塑性區(qū)分布范圍基本對(duì)稱，左右兩側(cè)拱腰至拱腳的塑性區(qū)范圍有所減小，但中隔墻下部巖體出現(xiàn)了與中隔墻成45°角對(duì)稱分布的塑性區(qū)，其產(chǎn)生的原因?yàn)橹懈魤ψ鳛橹饕d體承擔(dān)上部巖體的重力，并將其傳遞至其下巖體，導(dǎo)致下部巖體應(yīng)力增大引起塑性屈服。

支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況見圖7和圖8所示。

圖7 初襯受力情況

由此可知，初期支護(hù)軸力均為正，說(shuō)明初襯處于受壓狀態(tài)，沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力，最小軸力出現(xiàn)在拱頂，仰拱中部軸力也較小，拱腰處軸力最大。最大彎矩也出現(xiàn)在拱腳處，初襯的軸力和彎矩基本呈對(duì)稱分布，大小均在材料的強(qiáng)度范圍內(nèi)。二襯的軸力和彎矩與初襯有相同的分布規(guī)律，軸力均為正，二襯也都處于受壓狀態(tài)，較大軸力和彎矩均分布于拱腳處，內(nèi)側(cè)靠近中隔墻處的拱腳軸力最大。由于隧道斷面對(duì)稱開挖，左右洞室軸力、彎矩基本都呈對(duì)稱分布。

圖8 二襯受力情況

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)軟弱巖體雙連拱隧道施工力學(xué)行為進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，并對(duì)隧道開挖支護(hù)全過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算分析，得到如下結(jié)論:

1)隧道斷面對(duì)稱開挖時(shí)，隧道圍巖、中隔墻及襯砌支護(hù)的受力基本對(duì)稱分布，避免了圍巖偏壓以及中隔墻的偏心受壓，利于隧道施工穩(wěn)定。

2)兩側(cè)導(dǎo)洞內(nèi)外側(cè)下半部分開挖、支護(hù)后，左右洞中部未開挖斷面的中下部均出現(xiàn)較大范圍的塑性區(qū)分布，此處臨空面較大，施工中這是一個(gè)容易產(chǎn)生破壞的區(qū)域，特別是在松散的軟巖體中，若位移量測(cè)數(shù)據(jù)不收斂時(shí)，應(yīng)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行必要的臨時(shí)支護(hù)(注漿、錨桿或鋼支撐支護(hù))，避免發(fā)生坍塌，影響隧道施工安全。

3)拆除臨時(shí)支護(hù)后，左右洞室圍巖應(yīng)力、中隔墻最大豎直應(yīng)力均處于最大值，此步驟應(yīng)全面測(cè)量拱頂、拱腰及地表等變形數(shù)據(jù)，并繪制相應(yīng)曲線，做好沉降預(yù)測(cè)分析，并及早地施加二襯，確保圍巖穩(wěn)定。

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