大跨双连拱黄土隧道力学效应研究

韩 波 尹志雨

(1.山西省交通科技研发有限公司 太原 030032； 2.山西交科公路勘察设计院有限公司 太原 030032)

黄土地区公路隧道，力学效应、施工方案及工艺等具有特殊性，需深入进行分析。本文以某座位于黄土丘陵区，起终点桩号为K63+940-K64+135全长195 m的大跨度双连拱黄土隧道为例，依据有限元模拟和现场监测数据，研究双连拱黄土隧道力学效应。

该隧道为连拱双洞单向隧道，按高速公路标准设计，设计荷载：公路-I级。断面尺寸为：净2×10.25 m，采用三心圆(曲墙半圆拱形)曲中墙断面。

围岩级别综合评价如下。

1) K63+940-K63+980段,长度：40 m，最大埋深39.8 m，围岩以稍密～中密状粉土为主，围岩级别为V2级。

2) K63+980-K64+070段,长度：90 m，最大埋深64 m，围岩以硬塑～坚硬状粉质黏土为主，围岩级别为V1级。

3) K64+070-K64+135段,长度：65 m，最大埋深36 m，围岩以稍密～中密状粉土为主，围岩级别为V2级。

1 隧道结构设计

山岭区高速公路隧道断面尺寸较大，水文地质复杂，按照“新奥法”原理，结合隧道埋深及围岩级别的划分，分段进行复合衬砌设计[1-2]。由于工程地质的复杂性和不确定性，文中采用大型有限元软件进行施工过程模拟，分析围岩及结构的应力变化与变形破坏规律，进一步优化支护参数。最后在施工过程中，详细掌握围岩动态，进行实时监控量测，根据量测数据适当调整支护参数，确保隧道结构安全[3-7]。

2 浅埋偏压段工程地质

隧道浅埋偏压段位于黄土丘陵区中陡坡上，围岩以稍密～中密状粉土为主，最大埋深39.8 m，围岩级别为V2级，开挖过程易产生变形和小型塌方。浅埋偏压段最不利横断面图见图1。

图1 浅埋偏压段最不利横断面图

3 有限元分析

采用大型通用有限元软件对结构强度及围岩稳定性进行校验计算，采用面单元Plane42模拟围岩及中隔墙，采用梁单元beam3模拟弹性受力阶段的连拱衬砌。模型单元总数约16 167～19 132个。材料物理力学参数表见表1。

表1 材料物理力学参数表

其中，围岩材料采用DP准则进行模拟。在满足工程要求的前提下，提高运算速度，同时能够考虑围岩的塑性变形。计算模型见图2。

图2 计算模型

4 计算结果

通过有限元模拟，对未开挖前自重应力场作用、连拱隧道施工后围岩应力等进行计算分析。

4.1 未开挖前自重应力场作用结果

自重作用下竖向位移分布图见图3。

图3 自重作用下竖向位移分布图(单位：m)

由图3可知，在自重应力场条件下，由于地形的偏压导致初始位移场不对称，隧道中轴线与中墙底部交点和图中坐标原点一致，可见初始位移场相对隧道结构也不对称，右侧连拱初始位移大于左侧。

自重作用下竖向应力分布图见图4。

图4 自重作用下竖向应力分布图(单位：Pa)

由图4可知，在自重应力场条件下，由于地形的偏压导致初始应力场不对称，隧道中轴线与中墙底部交点和图中坐标原点一致，可见初始应力场相对隧道结构也不对称，右侧连拱初始应力大于左侧。总体上看应力场线与地表形状近似平行。

4.2 连拱隧道施工后围岩应力

围岩竖向位移分布图见图5。

图5 围岩竖向位移分布图(单位：m)

隧道施工后，考虑到施工中采用锚杆注浆对围岩的加固作用，能够减小原始地应力场所产生的应力不对称，分析中考虑了围岩加固圈的围岩物理材料性能的提高，开挖后位移云图相对初始云图有变化，但变化主要集中在右侧连拱衬砌顶部位置。从基底位移来看，基底不均匀位移差值为约2.4 mm，与初始基底存在不均匀位移差值基本一致。

2) 围岩竖向应力分布图见图6。

图6 围岩竖向应力分布图(单位：Pa)

由图6可见，隧道施工后应力发生了大范围的重分布，左右侧连拱的拱腰部分、中隔墙顶部及底部的围岩应力较大。围岩最大压应力为1.5～2.4 MPa，较初始压应力增大了0.868～1.768 MPa，一般来说此应力较小，围岩在施工过程中能保持稳定，但考虑本隧道地质条件较差，施工过程中需结合具体地质条件和围岩状况进行校核。

4.3 连拱隧道施工后衬砌内力

隧道采用复合式衬砌，通过对衬砌结构弯矩、轴力、剪力的力学计算，进行衬砌的结构安全性验算。

图7 施工后衬砌内力

由图7可见，隧道衬砌的弯矩值、轴力值及剪力值均较小，但仍需根据计算结果对衬砌配筋进行优化设计。

5 地基承载力

开挖后所需地基承载力在仰拱下部基本与初始应力场一致，仅在中隔墙下部需要较大的地基承载力。施工应严格按照设计的施工工序进行施工，主洞开挖后需及时施作仰拱，同时做好主洞与中隔墙的连接，并按要求及时做好监控量测。地基承载力沿隧道横向分布图见图8。经计算隧道底部所需地基承载力平均值为240 kPa。

图8 地基承载力沿隧道横向分布图

6 监控量测分析

监控量测是黄土隧道衬砌结构优化设计的重要依据之一。通过监控量测数据，工程技术人员可以实时掌握围岩和支护结构的力学动态和稳定程度，据此采取相应的处理措施，合理优化施工方案和支护参数，提前警示事故与险情，以防事故发生，确保隧道施工安全，有助于节约工程投资。

该隧道监控量测的项目有拱顶下沉和周边收敛，我们可通过洞内变形收敛量测数据，实现动态调整。在整个监测周期内对左线ZK64+130-ZK63+945段19个断面和右线YK64+130-YK63+950段20个断面，及中导洞K64+126.5-K63+945段19个断面进行拱顶下沉和周边收敛监测。右洞的拱顶下沉和周边收敛监测数据见表2、表3。

表2 右洞拱顶下沉数据统计表

表3 右洞周边收敛数据统计表

通过实时监控量测数据分析，可以看出整个围岩在施工过程中处于可控状态，与前文的有限元模拟分析结论相一致。整个监测周期内，该隧道围岩稳定性差，局部含水量较大，围岩变形较大，稳定周期较长，监测频率及时间需根据实际情况动态调整。为了防止围岩侵限，应及时、动态地调整围岩预留变形量，保证隧道净空。根据围岩的变形量及稳定性，优化支护衬砌参数，实时调整施工方案，保证结构安全。

7 结论

1) 由于该隧道存在偏压，在自重应力作用下，右侧初始位移和应力均大于左侧。隧道施工后围岩应力发生了大范围的重分布，左右侧连拱的拱腰部分、中隔墙顶部及底部的围岩应力较大。通过对隧道衬砌结构弯矩、轴力、剪力的力学计算，弯矩值、轴力值和剪力值均较小。双连拱隧道的中隔墙尺由于承受较大的应力，需对中隔墙基底承载力进行验算，保证结构的稳定性。

2) 在施工过程中，应严格实时监控量测，及时反馈监控量测数据，把握围岩及支护的动态变化规律。

黄土地区双连拱隧道结构复杂，水文地质特性多变，不利因素较多，增加了施工难度。但是，如果在施工过程中，及时优化调整支护参数和施工工艺，严格控制变形量，施工质量和安全度会大幅提高。