软弱围岩下无中导洞复墙式连拱隧道施工三维数值模拟分析

2017-07-05洪永佳福州市规划设计研究院福州350108

福建交通科技 2017年3期

关键词：连拱左洞右洞

洪永佳（福州市规划设计研究院，福州350108）

洪永佳
（福州市规划设计研究院，福州350108）

应用有限元软件分析了无中导洞复墙式连拱隧道开挖过程中围岩位移变形、应力的发展规律；同时对隧道中隔墙的结构应力状态进行分析，为其他类似隧道的设计与施工提供参考。

无中导洞复墙式连拱隧道数值模拟

连拱隧道由于其适用于不良地形、利于平面展线、洞口占地面积小、拆迁量小等优点，普遍应用于高速公路、市政道路、地铁暗挖渡线等工程中。连拱隧道形式很多，我国已建成的连拱隧道结构型式有三种：一是整体式连拱隧道，其中隔墙采用整体式结构；二是复合式连拱隧道，其中隔墙为复合式结构；三是无中导洞复墙式连拱隧道[1]，该结构型式在上海市小洋山主干道隧道[2]中得到成功应用，其中隔墙由左右隧道边墙复合而成。由于整体式和复合式连拱隧道在实施中暴露出了围岩松动塌方，结构裂缝多、初支变形过大、运营隧道渗漏水严重等问题。为了继续发挥连拱隧道的优点，尽量避免上述不良问题，工程界逐渐对无中导洞复墙式连拱隧道展开研究[3]。

1 工程概况

福州市区某道路穿越一小型山体，因洞口周边环境限制，采用连拱隧道穿越。根据地质资料，穿山段地质基本为Ⅴ、Ⅳ级围岩，隧道设计方案采用无中导洞开挖的复墙式连拱隧道结构。隧道开挖跨度达到27.85m，高度为10.48m。其中埋深最深处为24.4m，处于Ⅳ级围岩段，该位置为结构受力最不利处，因此重点对其进行数值模拟研究。图1为Ⅳ级围岩衬砌结构设计图，初支混凝土采用C25早强混凝土；系统锚杆采用直径25中空注浆锚杆，长度3.5m，环向间距1.0m，纵向间距0.8m，呈梅花型布置；钢支撑采用工16b型钢钢支撑，纵向间距为0.8m；在左右洞外侧边墙和中隔墙钢支撑墙脚处每处设置锁脚锚杆两根，采用直径22水泥药卷锚杆，长度3.5m；二衬为C35防水钢筋混凝土，中墙采用非对称设计，先行洞中墙厚1.17m，初支0.28m，后行洞中墙厚0.55m，合计2m。隧道Ⅳ级围岩衬砌结构设计图如图1所示。

图1 Ⅳ级围岩衬砌结构设计图

2 计算模型

计算采用FLAC 3D 5.0版有限元分析软件，模拟隧道的施工过程，针对大跨度连拱隧道设计施工的关键点，分析隧道围岩和衬砌结构的位移场与应力场的分布及变化。计算模型如图2所示，各地层围岩和支护结构的参数取值如表1和表2所示。围岩材料采用弹塑性本构模型，破坏准则选用Mohr-Coulomb准则。初期支护、中隔壁临时支护采用壳结构单元模拟，二次衬砌采用带衬砌参数的单元模拟，锚杆在计算中不作考虑。

图2 计算模型

表1 围岩物理力学参数表

表2 支护结构计算参数表

在计算过程中，分别取隧道纵向y=1m、6m、11m三个监控断面，在每个监控断面上设置A~I共9个监测点，每个断面上监测点的分布见图3所示。

图3 监测点分布

3 施工过程模拟

设计采用的Ⅳ级围岩段连拱隧道施工工序[4]如图4所示：开挖左侧隧道右导洞上台阶→施作左侧隧道右导洞上台阶初期支护、临时中隔壁→开挖左侧隧道右导洞下台阶→施作左侧隧道右导洞下台阶初期支护、临时中隔壁→开挖左侧隧道左导洞上台阶→施作左侧隧道左导洞上台阶初期支护→开挖左侧隧道左导洞下台阶→施作左侧隧道左导洞下台阶初期支护→拆除临时中隔壁，浇筑二次衬砌。左侧隧道施工完毕后，再进行右侧隧道的开挖，其施工工序和左侧隧道的一样。

图4 Ⅳ级围岩施工顺序示意图

在模拟施工的过程中，开挖一侧导洞，上台阶超前下台阶5m；右导洞掌子面超前左导洞掌子面5m，每次的开挖步距取为1m；假设开挖完成后，初期支护、临时中隔壁紧随施作，在模拟中将开挖和初期支护的施作这两个工序视为一个过程进行。下图5~8为部分工序围岩的竖向位移云图。

图5 左侧隧道左导洞上台阶开挖5m，左侧隧道右导洞上台阶开挖10m时围岩竖向位移云图

图6 左侧隧道二次衬砌完成20m时围岩竖向位移云图

图7 右侧隧道右导洞上台阶开挖5m时围岩竖向位移云图

图8 右侧隧道二次衬砌20m时围岩竖向位移云图

从上面各图可以看出，随着施工的进行，围岩的竖向位移在增大，先行洞（左侧隧道）周边围岩的竖向位移一直大于后行洞（右侧隧道）。通过对沉降曲线的数据进行整理分析表明，先行洞拱顶位置对应的地表监测点G的沉降大于中墙中间处对应的地表监测点H的沉降；在沉降曲线的后面部分，中墙中间处对应的地表监测点H的沉降大于先行洞拱顶位置对应的地表监测点G的沉降，说明后行洞开始开挖后，引起中墙上部围岩产生过大的变形，导致其沉降超过先行洞拱顶周围围岩的沉降。后行洞拱顶位置对应的地表监测点I的沉降一直在增大，其沉降值是三条曲线中最小的。

4 围岩位移场分析

左洞开挖完成后围岩的竖向位移云图和水平位移云图见图9和图10，右洞开挖完成后围岩的竖向位移云图和水平位移云图见图11和图12。

图9 左洞开挖完成后围岩竖向位移云图

图10 右洞开挖完成后围岩水平位移云图

从图9中可以看到，左洞开挖完成后，拱顶以上范围内的围岩往下沉，最大沉降量为5.057mm；仰拱下方的围岩发生隆起，最大隆起量为3.372mm。

从图10中可以看到，左洞开挖完成后，拱顶周边围岩都有指向洞室内的水平位移，最大水平位移发生在拱顶，最大水平位移为1.170mm；左边拱腰的水平位移往左，即拱腰处的水平位移背离洞室内，其水平位移数值为0.25~0.5mm；中墙的水平位移向左，位移大小为0.5~ 0.75mm，即中墙的水平位移指向洞室内，这一点与曲边墙不同，施工中要引起注意，建议加强中墙的初期支护。

图11 右洞开挖完成后围岩竖向位移云图

图12 右洞开挖完成后围岩水平位移云图

从图11看到，右洞开挖完成后，拱顶以上范围内的围岩往下沉，主要发生在中墙上方及其两侧，最大沉降量为6.56mm；仰拱下方的围岩发生隆起，最大隆起量为3.63mm。在施工过程中要加强对中墙位移的监测，发现问题及时处理。

从图12看到，右洞开挖完成后，拱顶周边围岩的水平位移都指向洞室内，最大水平位移发生在拱顶上方，最大位移值为1.86mm；先行洞和后行洞拱腰处的水平位移大小相等，其数值为0.5~1mm，方向都背离洞内。

5 围岩应力场分析

左洞开挖完成后围岩的最大主应力云图和最小主应力云图见图13和图14，右洞开挖完成后围岩的最大主应力云图和最小主应力云图见图15和图16。

图13 左洞开挖完成后围岩最大主应力云图

从图13中可以看到，左洞开挖完成后，围岩主要承受压应力；在拱顶、仰拱和中墙这三个位置局部承受拉应力，拉应力数值大约为0.1～0.2MPa；左侧拱腰处承受较大的压应力，压应力为0.3～0.4MPa。

图14 左洞开挖完成后围岩最小主应力云图

从图14中可以看到，左洞开挖完成后，围岩主要承受压应力；在拱顶、仰拱处局部承受拉应力，拉应力数值大约为0.1～0.2MPa；左侧拱腰处承受较大的压应力，压应力为1.0～1.5MPa。

图15 右洞开挖完成后围岩最大主应力云图

图16 右洞开挖完成后围岩最小主应力云图

从图15和图16可以看到，右洞开挖完成后，围岩的最大主应力和最小主应力分布情况和左洞开挖完后的基本相同。从图中可以看到，中墙顶部、中墙基础、曲墙周边出现较大的压应力，拱顶和仰拱周边的围岩出现较大的拉应力，施工中应注意对这些位置的围岩进行重点监控和加固保护。

6 中墙受力分析

中墙最大主应力和最小主应力云图如图17和图18所示。从最大主应力云图可以看到，左中墙承受压应力，最大压应力为0.418MPa；右中墙承受拉应力，最大拉应力为0.668MPa。从最小主应力云图可以看到中墙主要承受压应力，左中墙靠先行洞（左侧隧道）内侧处的压应力值最大，为5.55MPa，远离先行洞（左侧隧道），左中墙压应力减小，最小值约为2.5MPa；右中墙承受的压应力比较小，为0.5～1.0 MPa。

C35砼的极限抗压强度为36.5MPa；C35砼的极限抗拉强度为2.2MPa。中墙抗压强度的安全系数为6.58＞2.4，安全系数满足规范要求；抗拉强度安全系数为5.23＞3.6，安全系数满足规范要求。