不同净距双螺旋公路隧道衬砌动力响应分析

杜宪

（河北省高速公路延崇筹建处，河北 张家口 075400）

在山区基础设施建设中，为了解决线路爬升及避开地质不良地段的难题，相关研究人员提出采用双螺旋隧道代替直线隧道，以长度换取高度。目前，螺旋隧道和曲线隧道建设的项目较少，相关的理论和研究正处于初始阶段，工程经验相对于常规的隧道来说较为欠缺。在常规隧道研究过程中，形成了以现场爆破动力响应测试和数值模拟为主的研究手段。相较于现场测试，数值模拟方法经济性更好、更加方便快捷，可以反映隧道结构在动力作用下的响应规律。

一、数值模拟模型设计及工况划分

（一）模型设计

延崇高速河北段金家庄双螺旋隧道的最大埋深为314m，平均埋深为100m，隧道为双向双洞隧道，主洞的最大水平跨径13m，最大竖向跨径为10m，整体地层无明显分层，自重应力通过在上部边界外加相应的地层荷载模拟。在设计模型的尺寸时，考虑到边界条件，故将模型边界设置为隧道最大跨径的3倍以上，以减少边界条件的影响。模型竖直方向的尺寸为70m，水平方向的尺寸为136m。采用MIDAS GTS有限元分析软件对展线半径为800m，净距分别为10m、20m、30m和40m的双螺旋隧道在爆破荷载作用下的动力学特性进行研究，不同净距螺旋展线隧道模型，如图1所示。

图1 不同净距螺旋展线隧道模型图

（二）计算参数确定

计算模型的本构采用摩尔-库伦本构，在岩土工程的数值模拟中，该本构模型是最贴近真实土体的本构之一，广泛应用于各类岩土工程，模拟结果较符合实际情况。金家庄双螺旋隧道中Ⅳ级围岩占73.33%，故模型的围岩材料选取Ⅳ级围岩的相应参数，隧道二次衬砌在设计中仅作为安全储备，故与喷混层合并，仅在参数上对喷射混凝土加强。具体模型力学参数取值如表1所示。

表1 模型力学参数取值

表1 模型力学参数取值

二、不同隧道净距隧道爆破对相邻隧道衬砌动力特性影响分析

后行隧道爆破时会对先行隧道围岩及衬砌结构造成一定的影响，当爆破导致围岩位移过大时，将促使拱顶掉块严重，甚至导致拱顶塌方，对隧道衬砌受力也会产生不利的影响。笔者将分析不同隧道净距时，先行双螺旋隧道衬砌对后行隧道爆破的动力响应规律。

（一）衬砌各监测点的位移对比分析

提取隧道净距分别为10m、20m、30m和40m的4个模型的数据进行横向对比分析，以分析双螺旋隧道不同净距对隧道衬砌动变形规律的影响，不同测点位移最大值变化曲线如图2所示。

图2 各监测断面最大位移曲线

由图2可知，距离爆源最近的右拱腰位置受净距影响最大，符合实际工程预判。随着净距的增加，水平位移逐渐减小，这是由于较大隧道净距给爆破动力传播提供较大的阻尼，从而使各点的位移变换越来越小。在净距为10m～30m时，随着净距的增大水平位移减小速度较快，随着距离增加，较小的趋势逐渐变缓。对于拱顶、拱底、左拱腰位置，由于本身受到的后行隧道爆破影响较小，随着净距增加也会有变小的趋势，但是对于控制工程安全来说影响不大。

（二）衬砌各监测点的剪切应力对比分析

在相同展线半径时，各测点剪切应力最大值变化曲线如图3所示，可以看出，在拱顶、拱底、左拱腰、右拱腰4个监测点最大剪切应力随距离变化趋势大致相似，均随着双螺旋隧道净距减小，各点随距离变化越明显，变化数值越大。当隧道净距为10m时，最大剪切应力变化最大，在拱顶、拱底、左拱腰、右拱腰监测点上的最小值占最大值比例分别为45.5%、51.8%、85.5%和47.8%。其中，位于背爆侧的左拱腰测点，变化最不敏感，位于拱顶和右拱腰处的测点变化较为明显。随着隧道净距进一步增大，各测点最大剪切应力变化减小，在个别测点甚至没有变化。

图3 各监测断面最大剪切应力曲线

三、结语

本文通过讨论不同隧道净距的双螺旋公路隧道在爆破荷载下隧道衬砌位移及剪切应力变化规律，得出了一些结论。根据变形分析可以得知，右拱腰处为最可能发生损伤的部位；从剪应力统计分析结果可以得知，拱顶的剪应力是监测部位中最大的，净距较小时或者炸药较多时可能引起顶部开裂，严重可能发生坍塌。因此，在施工时需要注意对拱顶及右拱腰，当采用较小净距时需要将距离爆源最近的右拱腰作为重点监测部位，及时根据监测结果调整装药参数。

距离爆源最近的右拱腰位置受净距影响最大，隧道衬砌最大位移为0.15cm，随着净距的增加水平位移逐渐减小。后行洞爆破时，隧道衬砌最大剪切应力为420kPa。在隧道净距变化的过程中存在临界净距，一旦超过该临界净距，最大剪切应力变化缓慢。据目前数据分析，该临界净距应在20m～30m之间，在设计双螺旋隧道空间展布时，隧道净距大于等于30m，邻洞爆破对本洞剪切应力的影响较小且变化均匀。