浅埋偏压双连拱隧道施工顺序的有限元数值模拟分析

唐 伟,张红薇

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司城交分院,天津 300251；2.西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

1 概述

连拱隧道作为一种新的公路隧道结构形式,因其占地面积小、线形流畅、线路布线方便等优点,被广泛应用[1]。但其设计相对复杂,对施工技术要求比较高,开挖断面跨度大,开挖需分多步进行,对围岩扰动次数较多,围岩与支护结构的受力状态复杂多变；开挖和支护相互交错,使得围岩应力变化和衬砌荷载转换复杂,尤其是中隔墙,受力更复杂,拉、压、剪、弯均有,中隔墙的下沉和水平位移决定连拱隧道结构的整体稳定性[2～4]。

2 工程概况

某高速公路连拱隧道长度为560 m,处于玄武岩台地区,岩层主要为玄武岩,厚度在150 m以上。地表岩层风化严重,质地疏松,隧道围岩为Ⅱ类；地形起伏不大,隧道最大埋深约为23 m,其余埋深18～20 m,属于浅埋隧道。由于隧道处于山坡处,加上双连拱隧道跨度比较大,受地形偏压作用。

隧道衬砌断面如图1所示,中隔墙为复合式结构形式,开挖跨度为23.35 m,开挖高度为10.05 m。

图1 隧道衬砌断面(单位：cm)

3 有限元模型的建立

3.1 模型的选取

在模型中,水平向右为X正方向,竖直向上为Z方向,隧道纵向为Y方向。根据有限元计算理论,水平向左、右两侧分别取隧道跨度的3倍,上边界取至地表,下边界取隧道高度的3倍,隧道纵向取40 m。边界条件施加位移约束：左、右两个侧面施加X向约束,前、后两个面施加Y向约束,底面施加Z向约束,上表面为自由面。整个模型近3万个节点,14万多个单元。

3.2 施工顺序

隧道采用三导洞法施工。地形偏压作用下,应选择合理的施工顺序。结合工程的偏压情况,分别讨论“先外后内”和“先内后外”两种不同的施工顺序。“先外后内”指先施工埋深较小一侧主洞,再施工埋深较大一侧主洞的施工顺序；“先内后外”指先施工埋深较大一侧主洞,再施工埋深较小一侧主洞的施工顺序[5]。图2为施工顺序平面示意,图3为断面施工顺序。

图2 施工顺序平面(单位：m)

图3 断面施工顺序

3.3 计算参数的选取

岩体风化较严重,对由试验得到的岩体力学参数进行折减,以求更接近围岩的真实状态。对于锚喷支护,其作用并非利用材料本身的强度来提供支护力以限制围岩的变形,而是与围岩共同作用,及时加固岩层,限制围岩塑性区的发展,以提高围岩的承载能力,使之成为承载结构的一部分。因此,对锚杆、钢筋网片、喷射混凝土及超前注浆等支护的模拟,可以通过适当提高加固区域内围岩力学参数的方法来实现。模型中各材料的物理力学计算参数如表1所示。

表1 各材料的计算参数

3.4 地应力的释放

该隧道埋深较小,地应力只考虑重力场。隧道开挖后,地应力的释放不是一次性完成的,与地质条件、施工方法等有关。结合新奥法施工原理,地应力的释放可以认为在开挖和初期支护两个阶段完成。在计算中可以取以下释放系数：开挖0.6,初期支护0.4。

4 计算准则

该模型采用MIDAS/GTS计算。在计算中,岩体和围岩加固区均采用M-C屈服准则；喷射混凝土采用板单元来模拟,进行弹性计算；对于二次衬砌和混凝土中隔墙,材料为钢筋混凝土,进行弹性计算,其应力-应变关系遵守胡克定律。

在MIDAS/GTS中,所有材料模型都采用关联流动准则,即塑性应变向量垂直于屈服面,根据理想弹塑性材料的定义,屈服面并不随着材料的逐渐屈服而发生改变,因此,没有强化准则[7]。

5 计算结果分析

整体模型如图4所示(本模型中地形偏压率为1.38)。

图4 模型整体网格

5.1 围岩位移

隧道开挖后,围岩因有了临空面会向隧道空间发生收敛,主要表现在拱顶下沉、隧底隆起以及拱腰位置处岩层的水平收敛等,围岩在水平向的位移比较小,竖向位移相对较大。因此,在计算结果中,对隧道围岩的竖向位移进行重点分析。选取图2所示的第4施工段中拱顶点和隧底点的竖向位移进行分析。图5和图6分别为“先外后内”和“先内后外”施工顺序的围岩竖向位移。

图5 “先外后内”施工顺序的围岩竖向位移

图6 “先内后外”施工顺序中围岩竖向位移

可以看出：两种施工顺序中,目标点竖向位移的变化趋势基本相同。导洞施工阶段,各点位移比较小；先行洞施工后,先行洞侧各点的位移增长比较快,后行洞各点的位移基本不变；当主洞施工至目标点所在断面时,其目标点的竖向位移迅速增大。在后续施工中,位移持续增大,但增大的比较缓慢。另外,浅埋侧主洞上断面开挖后,4个目标点的竖向位移均发生突变：拱顶下沉急剧增大,隧底隆起迅速减小。全施工完后,埋深大一侧的位移大于埋深小一侧的位移。

表2为拱顶和隧底各点的最大位移值。可以看出：两主洞围岩的变形是不对称的。水平方向上,拱顶围岩由深埋侧向浅埋侧移动,隧底围岩由浅埋侧向深埋侧移动,内侧主洞位移大于外侧主洞的位移；竖直方向上的位移也是内侧的大于外侧的。就两种施工顺序而言,“先内后外”中外侧主洞的最大拱顶下沉量大于“先外后内”中的对应值,其他各竖向位移基本上相等；水平方向中,“先内后外”中拱顶的位移值大于“先外后内”中的对应值。

表2 围岩最大位移 mm

5.2 围岩应力

隧道开挖后,拱顶、隧底、两侧拱脚处岩层应力比较大,中隔墙上下岩层的应力变化比较明显；两主洞围岩应力分布是不对称的,埋深较大一侧的围岩应力大。就两种施工顺序而言,对应部位的应力相差不大,偏压对其影响不明显。

从纵向应力上来看,主洞开挖对本侧围岩应力的影响较大,主要集中在本侧掌子面前方3～4个施工循环的距离,对另一侧的影响很小。主洞上断面开挖后,掌子面的纵向应力迅速释放；未开挖的下断面的纵向压应力迅速减小,甚至出现反向的拉应力,这对维护掌子面的稳定性是很有利的。

5.3 中隔墙应力

中隔墙是结构的关键部位,不仅承受围岩压力,还要承受两主洞传递的荷载。受力状态比较复杂,拉、压、弯、扭均有,中隔墙的下沉和水平位移决定连拱隧道的整体稳定性[8]。本隧道中隔墙为复合式结构。选取中隔墙的中部和顶部的点,来分析其应力变化情况。图7、图8为各点的竖向应力变化。

图7 “先外后内”施工顺序的竖向应力

图8 “先内后外”施工顺序的竖向应力

可以看出：两种施工顺序中,各点竖向应力的变化趋势基本一致,主洞施工中,中隔墙靠近主洞一侧的应力增大较快,另一侧应力增长很缓慢。 “先外后内”施工顺序中,施工结束后,中隔墙中部两侧压应力值基本相等,约为3.7 MPa,顶部两侧压力相差较大,深埋侧比浅埋侧约大0.9 MPa；“先内后外”顺序中,中部两侧压应力不相等,内侧应力比外侧的大20%左右,顶部应力值相差更大,内侧的比外侧的几乎大了1倍,偏压比较严重。

表3是各点的水平应力值。水平应力比竖向应力要小,但其应力状态相对复杂,同一工况中,拉、压均有。中隔墙外侧(浅埋侧)顶部应力变换相对频繁,总的来说,“先内后外”施工顺序中,各部位的应力变化幅度比“先外后内”中的要大一些。中隔墙会发生一些偏移,主要取决于两侧水平应力值。

表3 水平向应力值 MPa

5.4 初期支护应力

隧道开挖后,应及时施作初期支护,以便能够及时支护围岩,协调围岩的变形,并限制围岩发生大的变形；还可以及时封闭围岩,防止岩层风化、侵蚀。

隧道开挖后,两主洞初期支护的应力分布是不对称的,先行施工一侧主洞的支护应力比后行施工一侧的支护应力大；靠近中隔墙部位的初期支护应力比远离中隔墙一侧的大。就两种施工顺序而言,“先内后外”施工顺序中,两主洞的应力差值较大,“先外后内”中的相对较小。表4为图2第四施工段中两主洞初期支护拱顶有效应力的最大值。可以看出：两种施工顺序中,外(浅埋侧)拱顶初期支护的有效压应力的差值较大,内(深埋侧)拱顶初期支护的有效压应力的差值相对小一些。

表4 拱顶有效应力最大值 MPa

5.5 围岩塑性区

图9和图10是隧道的围岩塑性区分布情况。

图9 “先外后内”的围岩塑性区分布

图10 “先内后外”的围岩塑性区分布

不管是“先内后外”,还是“先外后内”,两种施工顺序中,围岩的塑性区分布基本上一致。只不过“先内后外”中的相对大一些。围岩塑性区主要分布在内侧主洞内侧拱脚处、中隔墙底部两脚趾处、外侧导洞的仰拱处。从分析结果来看,拱顶、拱腰围岩没有出现塑性区,说明锚杆、超前注浆等措施能够有效的加固围岩,限制围岩塑性区的发展。

6 结论

经过上述分析研究,可以得出如下结论。

(1)地形偏压作用下,两主洞围岩相对应位置的应力、变形是不对称的。埋深较大一侧的比埋深较小一侧的大。主洞施工对同侧围岩的影响比较大,对另一侧主洞影响很小。

(2)偏压作用下,中隔墙应力变化比较频繁,先行洞开挖完后,其偏压程度最严重；后行洞施工后,中隔墙的偏压程度逐步减小,全施工完后,偏压程度最小,但此时压应力最大。“先内后外”工序中中隔墙的偏压程度比“先外后内”的大。

(3)地形偏压下,初期支护的应力分布：靠近中隔墙处的应力值比远离中隔墙一侧的大；主洞开挖对初期支护的应力分布有影响。“先内后外”中两主洞初期支护的应力差值比“先外后内”的大。

(4)两工况中围岩塑性区分布基本一致,主要分布在主洞两侧拱脚处、中隔墙底部两脚趾处,偏压对围岩塑性区的分布影响较小。

在地质条件不好的情况下,对浅埋连拱隧道,采用三导洞半断面开挖法能够有效的控制围岩的变形,有利于围岩的稳定。偏压情况下,“先外后内”和“先内后外”两种施工顺序中,围岩和支护结构的力学行为是不同的,“先外后内”施工顺序更有利于隧道的稳定。在施工中,两主洞之间要保持一定的施工间距,约为1～2倍的主洞跨度,以减少两主洞之间的施工干扰,确保围岩的稳定性和完整性。

[1] 丁文其.龙山浅埋大跨连拱隧道方案优化分析[J].岩石力学与工程学报,2005,24(22)：4042-4047.

[2] 贾永刚.双连拱隧道两种工法的施工力学分析[J].岩石力学与工程学报,2005,24(A02)5727～5732

[3] 余晓林.软弱围岩条件下连拱隧道施工阶段的受力分析[J].西部探矿工程,2003,14(4)：66-68.

[4] 何 川,林 刚,汪会帮.公路连拱隧道[M].北京：人民交通出版社,2006．

[5] 高 红.岩土材料屈服破坏准则研究[D].北京：中国科学院研究生院，2007.

[6] 朱青峰.不稳定地层大跨度双联拱隧道综合施工技术[J].铁道标准设计，2009(2)：104-105.

[7] 陈少华,李 勇.连拱隧道的结构分析[J].中国公路学报,2000,13(1)：48-51.