淺埋偏壓雙連拱隧道施工順序的有限元數(shù)值模擬分析

唐 偉,張紅薇

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城交分院,天津 300251；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

1 概述

連拱隧道作為一種新的公路隧道結(jié)構(gòu)形式,因其占地面積小、線形流暢、線路布線方便等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用[1]。但其設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜,對(duì)施工技術(shù)要求比較高,開挖斷面跨度大,開挖需分多步進(jìn)行,對(duì)圍巖擾動(dòng)次數(shù)較多,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)復(fù)雜多變；開挖和支護(hù)相互交錯(cuò),使得圍巖應(yīng)力變化和襯砌荷載轉(zhuǎn)換復(fù)雜,尤其是中隔墻,受力更復(fù)雜,拉、壓、剪、彎均有,中隔墻的下沉和水平位移決定連拱隧道結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性[2～4]。

2 工程概況

某高速公路連拱隧道長(zhǎng)度為560 m,處于玄武巖臺(tái)地區(qū),巖層主要為玄武巖,厚度在150 m以上。地表巖層風(fēng)化嚴(yán)重,質(zhì)地疏松,隧道圍巖為Ⅱ類；地形起伏不大,隧道最大埋深約為23 m,其余埋深18～20 m,屬于淺埋隧道。由于隧道處于山坡處,加上雙連拱隧道跨度比較大,受地形偏壓作用。

隧道襯砌斷面如圖1所示,中隔墻為復(fù)合式結(jié)構(gòu)形式,開挖跨度為23.35 m,開挖高度為10.05 m。

圖1 隧道襯砌斷面(單位：cm)

3 有限元模型的建立

3.1 模型的選取

在模型中,水平向右為X正方向,豎直向上為Z方向,隧道縱向?yàn)閅方向。根據(jù)有限元計(jì)算理論,水平向左、右兩側(cè)分別取隧道跨度的3倍,上邊界取至地表,下邊界取隧道高度的3倍,隧道縱向取40 m。邊界條件施加位移約束：左、右兩個(gè)側(cè)面施加X向約束,前、后兩個(gè)面施加Y向約束,底面施加Z向約束,上表面為自由面。整個(gè)模型近3萬個(gè)節(jié)點(diǎn),14萬多個(gè)單元。

3.2 施工順序

隧道采用三導(dǎo)洞法施工。地形偏壓作用下,應(yīng)選擇合理的施工順序。結(jié)合工程的偏壓情況,分別討論“先外后內(nèi)”和“先內(nèi)后外”兩種不同的施工順序。“先外后內(nèi)”指先施工埋深較小一側(cè)主洞,再施工埋深較大一側(cè)主洞的施工順序；“先內(nèi)后外”指先施工埋深較大一側(cè)主洞,再施工埋深較小一側(cè)主洞的施工順序[5]。圖2為施工順序平面示意,圖3為斷面施工順序。

圖2 施工順序平面(單位：m)

圖3 斷面施工順序

3.3 計(jì)算參數(shù)的選取

巖體風(fēng)化較嚴(yán)重,對(duì)由試驗(yàn)得到的巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減,以求更接近圍巖的真實(shí)狀態(tài)。對(duì)于錨噴支護(hù),其作用并非利用材料本身的強(qiáng)度來提供支護(hù)力以限制圍巖的變形,而是與圍巖共同作用,及時(shí)加固巖層,限制圍巖塑性區(qū)的發(fā)展,以提高圍巖的承載能力,使之成為承載結(jié)構(gòu)的一部分。因此,對(duì)錨桿、鋼筋網(wǎng)片、噴射混凝土及超前注漿等支護(hù)的模擬,可以通過適當(dāng)提高加固區(qū)域內(nèi)圍巖力學(xué)參數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)。模型中各材料的物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 各材料的計(jì)算參數(shù)

3.4 地應(yīng)力的釋放

該隧道埋深較小,地應(yīng)力只考慮重力場(chǎng)。隧道開挖后,地應(yīng)力的釋放不是一次性完成的,與地質(zhì)條件、施工方法等有關(guān)。結(jié)合新奧法施工原理,地應(yīng)力的釋放可以認(rèn)為在開挖和初期支護(hù)兩個(gè)階段完成。在計(jì)算中可以取以下釋放系數(shù)：開挖0.6,初期支護(hù)0.4。

4 計(jì)算準(zhǔn)則

該模型采用MIDAS/GTS計(jì)算。在計(jì)算中,巖體和圍巖加固區(qū)均采用M-C屈服準(zhǔn)則；噴射混凝土采用板單元來模擬,進(jìn)行彈性計(jì)算；對(duì)于二次襯砌和混凝土中隔墻,材料為鋼筋混凝土,進(jìn)行彈性計(jì)算,其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系遵守胡克定律。

在MIDAS/GTS中,所有材料模型都采用關(guān)聯(lián)流動(dòng)準(zhǔn)則,即塑性應(yīng)變向量垂直于屈服面,根據(jù)理想彈塑性材料的定義,屈服面并不隨著材料的逐漸屈服而發(fā)生改變,因此,沒有強(qiáng)化準(zhǔn)則[7]。

5 計(jì)算結(jié)果分析

整體模型如圖4所示(本模型中地形偏壓率為1.38)。

圖4 模型整體網(wǎng)格

5.1 圍巖位移

隧道開挖后,圍巖因有了臨空面會(huì)向隧道空間發(fā)生收斂,主要表現(xiàn)在拱頂下沉、隧底隆起以及拱腰位置處巖層的水平收斂等,圍巖在水平向的位移比較小,豎向位移相對(duì)較大。因此,在計(jì)算結(jié)果中,對(duì)隧道圍巖的豎向位移進(jìn)行重點(diǎn)分析。選取圖2所示的第4施工段中拱頂點(diǎn)和隧底點(diǎn)的豎向位移進(jìn)行分析。圖5和圖6分別為“先外后內(nèi)”和“先內(nèi)后外”施工順序的圍巖豎向位移。

圖5 “先外后內(nèi)”施工順序的圍巖豎向位移

圖6 “先內(nèi)后外”施工順序中圍巖豎向位移

可以看出：兩種施工順序中,目標(biāo)點(diǎn)豎向位移的變化趨勢(shì)基本相同。導(dǎo)洞施工階段,各點(diǎn)位移比較小；先行洞施工后,先行洞側(cè)各點(diǎn)的位移增長(zhǎng)比較快,后行洞各點(diǎn)的位移基本不變；當(dāng)主洞施工至目標(biāo)點(diǎn)所在斷面時(shí),其目標(biāo)點(diǎn)的豎向位移迅速增大。在后續(xù)施工中,位移持續(xù)增大,但增大的比較緩慢。另外,淺埋側(cè)主洞上斷面開挖后,4個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的豎向位移均發(fā)生突變：拱頂下沉急劇增大,隧底隆起迅速減小。全施工完后,埋深大一側(cè)的位移大于埋深小一側(cè)的位移。

表2為拱頂和隧底各點(diǎn)的最大位移值。可以看出：兩主洞圍巖的變形是不對(duì)稱的。水平方向上,拱頂圍巖由深埋側(cè)向淺埋側(cè)移動(dòng),隧底圍巖由淺埋側(cè)向深埋側(cè)移動(dòng),內(nèi)側(cè)主洞位移大于外側(cè)主洞的位移；豎直方向上的位移也是內(nèi)側(cè)的大于外側(cè)的。就兩種施工順序而言,“先內(nèi)后外”中外側(cè)主洞的最大拱頂下沉量大于“先外后內(nèi)”中的對(duì)應(yīng)值,其他各豎向位移基本上相等；水平方向中,“先內(nèi)后外”中拱頂?shù)奈灰浦荡笥凇跋韧夂髢?nèi)”中的對(duì)應(yīng)值。

表2 圍巖最大位移 mm

5.2 圍巖應(yīng)力

隧道開挖后,拱頂、隧底、兩側(cè)拱腳處巖層應(yīng)力比較大,中隔墻上下巖層的應(yīng)力變化比較明顯；兩主洞圍巖應(yīng)力分布是不對(duì)稱的,埋深較大一側(cè)的圍巖應(yīng)力大。就兩種施工順序而言,對(duì)應(yīng)部位的應(yīng)力相差不大,偏壓對(duì)其影響不明顯。

從縱向應(yīng)力上來看,主洞開挖對(duì)本側(cè)圍巖應(yīng)力的影響較大,主要集中在本側(cè)掌子面前方3～4個(gè)施工循環(huán)的距離,對(duì)另一側(cè)的影響很小。主洞上斷面開挖后,掌子面的縱向應(yīng)力迅速釋放；未開挖的下斷面的縱向壓應(yīng)力迅速減小,甚至出現(xiàn)反向的拉應(yīng)力,這對(duì)維護(hù)掌子面的穩(wěn)定性是很有利的。

5.3 中隔墻應(yīng)力

中隔墻是結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位,不僅承受圍巖壓力,還要承受兩主洞傳遞的荷載。受力狀態(tài)比較復(fù)雜,拉、壓、彎、扭均有,中隔墻的下沉和水平位移決定連拱隧道的整體穩(wěn)定性[8]。本隧道中隔墻為復(fù)合式結(jié)構(gòu)。選取中隔墻的中部和頂部的點(diǎn),來分析其應(yīng)力變化情況。圖7、圖8為各點(diǎn)的豎向應(yīng)力變化。

圖7 “先外后內(nèi)”施工順序的豎向應(yīng)力

圖8 “先內(nèi)后外”施工順序的豎向應(yīng)力

可以看出：兩種施工順序中,各點(diǎn)豎向應(yīng)力的變化趨勢(shì)基本一致,主洞施工中,中隔墻靠近主洞一側(cè)的應(yīng)力增大較快,另一側(cè)應(yīng)力增長(zhǎng)很緩慢。 “先外后內(nèi)”施工順序中,施工結(jié)束后,中隔墻中部?jī)蓚?cè)壓應(yīng)力值基本相等,約為3.7 MPa,頂部?jī)蓚?cè)壓力相差較大,深埋側(cè)比淺埋側(cè)約大0.9 MPa；“先內(nèi)后外”順序中,中部?jī)蓚?cè)壓應(yīng)力不相等,內(nèi)側(cè)應(yīng)力比外側(cè)的大20%左右,頂部應(yīng)力值相差更大,內(nèi)側(cè)的比外側(cè)的幾乎大了1倍,偏壓比較嚴(yán)重。

表3是各點(diǎn)的水平應(yīng)力值。水平應(yīng)力比豎向應(yīng)力要小,但其應(yīng)力狀態(tài)相對(duì)復(fù)雜,同一工況中,拉、壓均有。中隔墻外側(cè)(淺埋側(cè))頂部應(yīng)力變換相對(duì)頻繁,總的來說,“先內(nèi)后外”施工順序中,各部位的應(yīng)力變化幅度比“先外后內(nèi)”中的要大一些。中隔墻會(huì)發(fā)生一些偏移,主要取決于兩側(cè)水平應(yīng)力值。

表3 水平向應(yīng)力值 MPa

5.4 初期支護(hù)應(yīng)力

隧道開挖后,應(yīng)及時(shí)施作初期支護(hù),以便能夠及時(shí)支護(hù)圍巖,協(xié)調(diào)圍巖的變形,并限制圍巖發(fā)生大的變形；還可以及時(shí)封閉圍巖,防止巖層風(fēng)化、侵蝕。

隧道開挖后,兩主洞初期支護(hù)的應(yīng)力分布是不對(duì)稱的,先行施工一側(cè)主洞的支護(hù)應(yīng)力比后行施工一側(cè)的支護(hù)應(yīng)力大；靠近中隔墻部位的初期支護(hù)應(yīng)力比遠(yuǎn)離中隔墻一側(cè)的大。就兩種施工順序而言,“先內(nèi)后外”施工順序中,兩主洞的應(yīng)力差值較大,“先外后內(nèi)”中的相對(duì)較小。表4為圖2第四施工段中兩主洞初期支護(hù)拱頂有效應(yīng)力的最大值。可以看出：兩種施工順序中,外(淺埋側(cè))拱頂初期支護(hù)的有效壓應(yīng)力的差值較大,內(nèi)(深埋側(cè))拱頂初期支護(hù)的有效壓應(yīng)力的差值相對(duì)小一些。

表4 拱頂有效應(yīng)力最大值 MPa

5.5 圍巖塑性區(qū)

圖9和圖10是隧道的圍巖塑性區(qū)分布情況。

圖9 “先外后內(nèi)”的圍巖塑性區(qū)分布

圖10 “先內(nèi)后外”的圍巖塑性區(qū)分布

不管是“先內(nèi)后外”,還是“先外后內(nèi)”,兩種施工順序中,圍巖的塑性區(qū)分布基本上一致。只不過“先內(nèi)后外”中的相對(duì)大一些。圍巖塑性區(qū)主要分布在內(nèi)側(cè)主洞內(nèi)側(cè)拱腳處、中隔墻底部?jī)赡_趾處、外側(cè)導(dǎo)洞的仰拱處。從分析結(jié)果來看,拱頂、拱腰圍巖沒有出現(xiàn)塑性區(qū),說明錨桿、超前注漿等措施能夠有效的加固圍巖,限制圍巖塑性區(qū)的發(fā)展。

6 結(jié)論

經(jīng)過上述分析研究,可以得出如下結(jié)論。

(1)地形偏壓作用下,兩主洞圍巖相對(duì)應(yīng)位置的應(yīng)力、變形是不對(duì)稱的。埋深較大一側(cè)的比埋深較小一側(cè)的大。主洞施工對(duì)同側(cè)圍巖的影響比較大,對(duì)另一側(cè)主洞影響很小。

(2)偏壓作用下,中隔墻應(yīng)力變化比較頻繁,先行洞開挖完后,其偏壓程度最嚴(yán)重；后行洞施工后,中隔墻的偏壓程度逐步減小,全施工完后,偏壓程度最小,但此時(shí)壓應(yīng)力最大。“先內(nèi)后外”工序中中隔墻的偏壓程度比“先外后內(nèi)”的大。

(3)地形偏壓下,初期支護(hù)的應(yīng)力分布：靠近中隔墻處的應(yīng)力值比遠(yuǎn)離中隔墻一側(cè)的大；主洞開挖對(duì)初期支護(hù)的應(yīng)力分布有影響。“先內(nèi)后外”中兩主洞初期支護(hù)的應(yīng)力差值比“先外后內(nèi)”的大。

(4)兩工況中圍巖塑性區(qū)分布基本一致,主要分布在主洞兩側(cè)拱腳處、中隔墻底部?jī)赡_趾處,偏壓對(duì)圍巖塑性區(qū)的分布影響較小。

在地質(zhì)條件不好的情況下,對(duì)淺埋連拱隧道,采用三導(dǎo)洞半斷面開挖法能夠有效的控制圍巖的變形,有利于圍巖的穩(wěn)定。偏壓情況下,“先外后內(nèi)”和“先內(nèi)后外”兩種施工順序中,圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為是不同的,“先外后內(nèi)”施工順序更有利于隧道的穩(wěn)定。在施工中,兩主洞之間要保持一定的施工間距,約為1～2倍的主洞跨度,以減少兩主洞之間的施工干擾,確保圍巖的穩(wěn)定性和完整性。

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