浅埋偏压连拱隧道施工数值模拟分析★

2012-03-10王舒

山西建筑 2012年31期

王舒

(贵州民族大学建筑工程学院，贵州贵阳 550025)

0 引言

随着我国社会经济的发展，高速公路建设呈现出蓬勃发展的趋势，尤其是在我国西部得到了大规模的发展。在高速公路建设中，隧道如雨后春笋般出现。在山区修建隧道时，由于受到地形及路线等因素限制时，常设计成连拱隧道，特别是在隧道进洞段及出洞段浅埋地层中，易形成浅埋偏压连拱隧道，给设计和施工带来了不少困难，所以开展浅埋偏压连拱公路隧道设计与施工关键技术研究具有重要意义。

本文主要概述了隧道采用中导洞施工方法，并且进行了两种不同施工顺序的数值模拟分析，分别从围岩、初期支护、中墙这三个方面对不同施工顺序进行了对比以及分析，选出合理的施工顺序。

1 有限元模型建立

以依托工程为原型，建立有限元模型。在建立模型时，取地面坡角30°，浅埋侧隧道埋深10 m，围岩级别为Ⅴ级，衬砌混凝土采用C25，中墙采用C25钢筋混凝土，锚杆所在区取为加固圈，加固区围岩级别取为Ⅳ级。各计算参数见表1。本模型选取中墙两边各50 m，下部选至隧道底部35 m，上部选至地面，建立有限元模型(见图1)。

表1 计算参数表

在进行数值模拟计算时，进行了一些计算假设和简化：

1)隧道及围岩的受力及变形是平面问题;

2)计算初始应力场时不考虑构造应力，仅仅考虑自重应力的影响;

3)二次衬砌作为安全储备，计算模拟时不考虑其作用。在上面假设及简化的基础上，其模拟施工工序主要为：

a.计算初始地应力;

b.中导洞开挖、支护及中墙浇筑;

c.浅(深)侧隧道上台阶开挖及支护;

d.浅(深)侧隧道下台阶和仰拱开挖及支护; e.深(浅)侧隧道上台阶开挖及支护;

f.深(浅)侧隧道下台阶和仰拱开挖及支护。

2 计算结果分析

2.1 围岩位移场、应力场分析

本文对围岩位移进行分析，主要是对地表测点位移进行分析比较。地表测点布置示意图如图2所示。现将图2所示测点的地表位移值列成表2。

图1 有限元模型

图2 地表测点布置示意图

表2 地表测点在开挖时的位移值 mm

表2列出了地表各个测点在每步开挖时的位移值，从中可以看出X方向各点位移值两种施工顺序相差不大，但是从Y方向各测点沉降值看几乎都是先浅后深施工顺序小于先深后浅施工顺序。从控制地表沉降观点出发考虑施工顺序，当然是地表沉降值越小越好，经综合对比分析两种不同施工所对应的各测点沉降值发现先浅后深施工顺序要优于先深后浅施工顺序。

下面分析围岩在每步开挖时的应力，现将围岩在每步开挖时的应力列为表格形式，如表3所示。

表3 围岩在每步开挖时的应力 MPa

从表3两种施工顺序围岩应力的对比中可以知道，在开挖完成后围岩的最终应力，除XY方向的剪应力先深后浅稍小于先浅后深外，其X，Y向应力，无论拉应力还是压应力在数值上均是先深后浅施工顺序大于先浅后深施工顺序。

由上面的分析对比中可以知道，不论是从围岩位移还是从围岩应力来出发，先浅后深的施工顺序较好，更有利于施工安全地进行。

2.2 初期支护位移场、应力场分析

初期支护位移分析时采用初支断面上几个典型的关键点对其进行位移分析。对于初期支护来说，拱顶下沉值是其判断位移的重要指标之一，下面对初期支护拱顶下沉值进行对比分析，典型位移的关键点如图3所示。表4是两种不同施工顺序每步开挖时各点的拱顶下沉值。

图3 典型位置示意图

表4 初期支护拱顶位移值 mm

表5 初期支护典型位置应力表 MPa

从表4可以看出单从X方向位移看较难判断两种施工顺序的优劣。但从Y方向位移值看在step5时，先浅后深施工顺序对应各点的沉降值为0.42 mm～3.14 mm，而先深后浅施工顺序为1.46 mm～4.11 mm，前者数值均小于后者;在开挖完成时(step6)，各点沉降值范围：先浅后深为1.86 mm～5.47 mm，先深后浅为1.87 mm～6.86 mm，前者均小于后者，故两种不同施工顺序比较，先浅后深施工顺序即先开挖浅埋侧后开挖深埋侧施工顺序较优。

表5是两种不同施工顺序初期支护典型位置的应力表。

从表5可以知道，在step6开挖完成后，先浅后深施工顺序压应力变化范围为0.68 MPa～8.56 MPa，先深后浅施工顺序压应力变化范围为1.25 MPa～7.40 MPa，除a点外其他各点压应力均是先深后浅施工顺序大于先浅后深施工顺序。从初期支护应力对两种施工顺序进行对比分析可得出，先浅后深施工顺序要优于先深后浅施工顺序。

2.3 中墙位移场、应力场分析

为了分析不同施工顺序对中墙位移的影响，取中墙的特征点对其进行对比分析，中墙特征点如图4所示。

图4 中墙特征点示意图

如表6所示为中墙特征点在每步开挖时的位移。

从表6可知，在X方向上除4点外其他各点位移在数值上均是先浅后深小于先深后浅;在Y方向上除2点外其他几个点位移在数值上均为先深后浅大于先浅后深。故综合对比分析，先施工浅埋侧要优于先施工深埋侧。

下面把中墙应力在不同施工顺序开挖下的应力列成表格形式，如表7所示。

从表7中可以知道，在step6开挖完成后，中墙应力在X方向上，无论压应力还是拉应力先浅后深施工顺序所对应数值均稍小于先深后浅;在Y方向上两种不同施工顺序对应的最小应力都为-0.84 MPa，最大应力是先浅后深稍小于先深后浅;在XY方向上两种施工顺序剪应力相等都为0.18 MPa。虽然两种施工顺序中墙最终应力值相差不大，但是综合考虑中墙位移及应力，还是先浅后深施工顺序要优于先深后浅施工顺序。