熊曉暉

（中鐵十一局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430061）

0 引言

仰拱施工,一直是隧道鉆爆法施工工序中的一道關(guān)鍵工序[1-2]，其進(jìn)度影響施工工期、隧道質(zhì)量和施工安全控制。仰拱結(jié)構(gòu)混凝土與填充混凝土，可分開澆筑或一體澆筑，國內(nèi)目前以分開澆筑方式為主，極少數(shù)鐵路項(xiàng)目開展了一體澆筑法的研究與應(yīng)用[3]。

目前，隧道仰拱與填充混凝土分開澆筑施工方案，普遍采用全液壓履帶式自行棧橋配合整體式仰拱及填充模板裝置施工作業(yè)[4-5]，需要解決施工車輛安全通行和仰拱同步作業(yè)問題，克服仰拱及填充混凝土施工時(shí)需反復(fù)裝拆及倒運(yùn)、仰拱與仰拱填充需分別支模澆筑、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、混凝土施工質(zhì)量難以保障等缺點(diǎn)。仰拱與仰拱填充采用一體澆筑時(shí)，僅需要安裝端頭模板、中心水溝模板與邊墻曲模，不需要安裝仰拱腹模，能提高施工效率，加快仰拱與仰拱填充的施工進(jìn)度。

與分開澆筑相比，仰拱與填充一體澆筑時(shí)，仰拱的受力狀態(tài)發(fā)生了改變，仰拱和填充混凝土的整體性更好。但是，當(dāng)遇到仰拱上浮的受力工況時(shí)，填充混凝土將處于受拉狀態(tài)，表面更容易形成裂縫[6]，導(dǎo)致積水滲入仰拱基底，日積月累造成仰拱基底積水和軟化、路面翻漿冒泥等病害。本文基于軟巖隧道的流變特性（III級(jí)圍巖），采用地層-結(jié)構(gòu)法對(duì)仰拱與填充一體澆筑后的隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力狀況進(jìn)行數(shù)值模擬，以揭示這種不利狀況的影響范圍。

本文基于巖石的黏、彈、塑3 種變形特性展開研究[7]，根據(jù)隧道開挖現(xiàn)場監(jiān)測變形數(shù)據(jù)，擬合軟巖流變變形的本構(gòu)模型，得到軟巖流變模型參數(shù)，對(duì)仰拱與填充一體澆筑時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，進(jìn)行施工過程仿真，并考察仰拱和填充混凝土在軟巖流變過程中的受力變化。

1 數(shù)值模型

仰拱與填充一體澆筑施工過程數(shù)值模擬，主要考察仰拱和填充在澆筑后的受力和變形問題，尤其是由于隧道軟巖流變過程中，噴錨支護(hù)混凝土和襯砌混凝土應(yīng)力重分布后，填充混凝土的變形問題。隧道從開挖、噴錨支護(hù)、襯砌支護(hù)到巖體流變過程，是典型的三維力學(xué)問題，但開挖支護(hù)完成后的流變問題可以簡化成平面應(yīng)變問題，本項(xiàng)目主要考察巖體流變過程中，仰拱與填充一體澆筑時(shí)，仰拱和填充的力學(xué)變化過程，因此，采用平面應(yīng)變模型進(jìn)行模擬。

1.1 數(shù)值模型計(jì)算域的選取

本文采用典型的III 級(jí)圍巖雙線高速鐵路隧道進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，隧道襯砌結(jié)構(gòu)斷面如圖1 所示，主要考察深埋隧道的受力問題，由于巖體流變影響區(qū)域較大，數(shù)值計(jì)算域以隧道為中心，選取400m×400m 范圍的巖體進(jìn)行計(jì)算。

圖1 隧道襯砌結(jié)構(gòu)斷面（單位：cm）

1.2 開挖過程和邊界條件

開挖過程設(shè)置為：隧道開挖→巖體流變→噴錨支護(hù)→巖體流變→襯砌及仰拱支護(hù)→巖體流變，數(shù)值分析的目的是研究襯砌及仰拱支護(hù)后的巖體流變過程。計(jì)算域的頂邊為自由邊界，底邊限制垂直方向的位移，左右兩邊限制水平方向的位移。

1.3 混凝土和巖體的本構(gòu)模型

噴錨混凝土采用C20 混凝土，襯砌混凝土和填充混凝土采用C35 混凝土，數(shù)值模型中采用摩爾-庫倫模型。

采用Drucker Prager 屈服準(zhǔn)則描述軟巖的本構(gòu)關(guān)系，采用時(shí)間相關(guān)的硬化定律描述巖體的流變，假定流變過程中材料的應(yīng)力基本保持不變，應(yīng)變率表示為：

根據(jù)試驗(yàn)及變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，軟巖的材料參數(shù)如表1 所示。

表1 隧道巖體材料參數(shù)

2 結(jié)果與分析

本文數(shù)值分析的主要目的是研究襯砌及仰拱支護(hù)后巖體流變對(duì)一體澆筑的仰拱填充的受力影響，開挖及支護(hù)分析流程為：隧道開挖→巖體流變→噴錨支護(hù)→巖體流變→襯砌及仰拱支護(hù)→巖體流變，主要對(duì)比分析仰拱填充一體澆筑與分開澆筑時(shí)的受力特性。

2.1 拱頂位移

圖2 給出了開挖后拱頂豎向位移隨時(shí)間變化的規(guī)律，為了方便表達(dá)，橫坐標(biāo)時(shí)間是歸一化后的時(shí)間坐標(biāo)，各施工階段的具體時(shí)間如表2 所示。從圖2 中可見：

表2 隧道開挖及支護(hù)各施工階段時(shí)間

圖2 開挖后拱頂豎向位移隨時(shí)間變化曲線

（1）隧道開挖后，直到變形穩(wěn)定，拱頂豎向位移約13cm，其中，大約10cm 發(fā)生在隧道開挖階段。

（2）噴錨支護(hù)后，流變階段拱頂位移進(jìn)一步釋放。

（3）襯砌施工后，拱頂位移變化放緩，前期流變階段拱頂位移略有增加，后期流變階段拱頂位移趨于穩(wěn)定。

2.2 二次襯砌仰拱（與填充）的應(yīng)力

為了揭示仰拱和填充一體澆筑工藝混凝土的受力特性，本文對(duì)比分析了同等條件下，仰拱和填充分開澆筑的結(jié)果。模型a 為仰拱和填充一體澆筑，模型b 為仰拱和填充分開澆筑；分開澆筑時(shí)，認(rèn)為仰拱混凝土和填充混凝土之間存在滑移變形，二者變形不協(xié)調(diào)，因此數(shù)值仿真中，模型b 忽略了填充混凝土，僅考察仰拱的受力。仰拱和填充一起澆筑時(shí)，分析在不同施工階段的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分布情況發(fā)現(xiàn)：

（1）模型a 和模型b 在仰拱和填充施工完成后的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力都處于較低的水平，二者的應(yīng)力分布略有差異。

（2）仰拱和填充施工完成，圍巖流變60d 后，模型a和模型b 的拉應(yīng)力分布出現(xiàn)較大不同，仰拱和填充一體澆筑時(shí)，較大拉應(yīng)力出現(xiàn)在二次襯砌拱腳外側(cè)以及填充混凝土的頂部，填充混凝土頂部的局部區(qū)域出現(xiàn)了大于0.1MPa 的拉應(yīng)力，因此，仰拱和填充一體澆筑時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)措施防止填充混凝土因拉應(yīng)力過大出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；另一方面，與模型b 相比，仰拱和填充一體澆筑時(shí)，填充混凝土分擔(dān)了仰拱的部分拉應(yīng)力，降低了仰拱區(qū)域的拉應(yīng)力水平。一體澆筑時(shí)，仰拱局部區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力（出現(xiàn)在邊墻排水溝填充混凝土邊界處），主要是由截面突變帶來的應(yīng)力集中引起。仰拱和填充分開澆筑時(shí)，仰拱頂部大部分區(qū)域沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，僅在拱腳外部局部區(qū)域出現(xiàn)了拉應(yīng)力。

（3）仰拱和填充施工完成圍巖流變60d 后，模型a和模型b 中，仰拱和二次襯砌的壓應(yīng)力分布大致相同，最大壓應(yīng)力分別為3.43MPa 和3.52MPa，都出現(xiàn)在拱腰和拱腳局部區(qū)域。

（4）仰拱和填充施工完成圍巖流變100d 后，模型a和模型b 的仰拱和二次襯砌拉應(yīng)力、壓應(yīng)力最大值和分布狀態(tài)趨于穩(wěn)定，與圍巖流變60d 后的結(jié)果相比差異不大，說明圍巖流變對(duì)二次襯砌和仰拱的影響，主要出現(xiàn)在施工完成后的有限時(shí)間內(nèi)，二次襯砌和仰拱支護(hù)使隧道結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。

2.3 圍巖的應(yīng)力

分析仰拱和填充一體澆筑施工過程中，圍巖局部區(qū)域的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分布情況發(fā)現(xiàn)：

（1）開挖完成后，圍巖頂部和底部的第一主應(yīng)力水平較高，最大拉應(yīng)力達(dá)到0.326MPa，巖體靠近拱腳部位的局部壓應(yīng)力達(dá)到14.7MPa。

（2）噴錨支護(hù)完成后，圍巖頂部和底部的第一主應(yīng)力快速下降，最大拉應(yīng)力下降為0.086MPa，巖體靠近拱腳部位局部最大壓應(yīng)力下降為12.4MPa。

（3）二次襯砌和仰拱施工完成后，圍巖頂部和底部的第一主應(yīng)力進(jìn)一步下降，最大拉應(yīng)力小于0，圍巖處于受壓狀態(tài)，受壓區(qū)域從拱腳部位圍巖向拱腰部位轉(zhuǎn)移，巖體最大壓應(yīng)力也從靠近拱腳部位轉(zhuǎn)移到靠近拱腰部位，圍巖最大壓應(yīng)力約9.87MPa。

（4）流變60d 后，圍巖的第一主應(yīng)力進(jìn)一步降低，拱腰部位的圍巖受壓區(qū)域范圍擴(kuò)大，最大壓應(yīng)力略有下降，大約9.05MPa。

（5）流變80d 后，圍巖的應(yīng)力分布幾乎不再發(fā)生變化，巖體壓應(yīng)力分布趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)束語

本文采用地層-結(jié)構(gòu)法,對(duì)隧道仰拱和填充一體澆筑混凝土過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，基于軟巖的流變特性，研究仰拱與填充一體澆筑時(shí)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀況，重點(diǎn)考察圍巖流變對(duì)仰拱和填充受力的不利影響，并形成以下結(jié)論：

（1）模擬隧道開挖—支護(hù)的施工過程時(shí)，隧道開挖后直到變形穩(wěn)定，拱頂豎向位移約13cm，其中大約10cm 發(fā)生在隧道開挖階段，后期支護(hù)和流變階段的位移較小。

（2）二次襯砌和仰拱支護(hù)成環(huán)以后，圍巖流變變形得到控制，圍巖流變60d 以后，圍巖和支護(hù)的受力及變形都不發(fā)生大的變化，圍巖流變100d 以后，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。

（3）圍巖流變對(duì)仰拱和填充一體化澆筑有不利影響，最突出的影響是填充混凝土頂部，在施工完成60d后,因圍巖流變出現(xiàn)拉應(yīng)力，局部拉應(yīng)力大于0.1MPa，因此，仰拱和填充一體化澆筑時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)措施防止填充混凝土因拉應(yīng)力過大出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；雖然填充混凝土出現(xiàn)了局部拉應(yīng)力，但是與仰拱和填充分開澆筑方案相比，填充混凝土分擔(dān)了仰拱的部分拉應(yīng)力，降低了仰拱區(qū)域的第一主應(yīng)力水平。