雙連拱隧道中隔墻施工過程中力學特性分析

【文章摘要】

中隔墻作為雙連拱隧道區別于其他類型隧道的關鍵構件，施工中中隔墻的力學特性對隧道整體穩定性有決定性影響。本文以實際工程為依托，采用Midas-GTS有限元程序對雙連拱隧道施工過程進行了三維數值模擬，計算分析中隔墻結構關鍵部位的應力和位移隨隧道施工的變化規律。本文成果將為類似連拱隧道中隔墻的設計與施工提供一定的參考。

【關鍵詞】

中隔墻；應力；位移；變化規律

0 引言

在雙連拱隧道整個施工過程中，中隔墻成為結構的關鍵性受力構件，對施工中中隔墻受力狀況及其變形規律的把握不僅關系著施工期間結構的安全，更關系到隧道建成后整個隧道結構的長期安全性。由于地下結構暗挖過程是一個時間與空間上不斷變化的動態過程，而且連拱隧道開挖跨度較大、施工工序繁多，圍巖應力變化和結構荷載的轉換復雜，尤其中隔墻承受壓力、拉力、剪力、彎矩及扭矩的共同作用。因此連拱隧道開挖方法、施工順序的選擇直接影響著施工期間中隔墻的力學狀態。

1工程概況

本文以大連市南部濱海大道東端橋隧建設工程——雙連拱隧道為依托工程，該雙連拱隧道段開挖跨度由25.1m漸變至28m，長度26.5m，后接小凈距隧道段。根據工程所處區域地質條件和工程特點，本工程隧道支護結構采用復合式襯砌方案，初期支護由型鋼拱架噴射混凝土及錨桿組成，二次襯砌采用鋼筋混凝土結構，隧道中隔墻設計采用復合式曲中墻，中隔墻厚度由2m漸變至4.9m（含兩層二襯厚度，每層0.55m）。該連拱隧道施工采用中導洞+兩側臺階法開挖。

2 雙連拱隧道三維數值模擬

2.1圍巖及支護結構參數選取

根據工程地質勘查資料確定大連市南部濱海大道東端橋隧建設工程——雙連拱隧道計算圍巖參數如表1所示。

隧道支護結構采用復合式襯砌結構，初期支護中的系統錨桿作為安全儲備來考慮，不參與模型計算中；初期支護中鋼拱架的作用采用等效方法考慮，將鋼拱架的彈性模量折算給噴射混凝土，根據該原則確定雙連拱隧道計算模型中初期支護結構參數如表2所示。

2.2模型建立

本文采用Midas-GTS有限元程序基于Mohr-Coulomb屈服準則建立雙連拱隧道三維計算模型，根據圍巖地質條件、開挖跨度及地應力場水平等影響因素選取計算范圍。該雙連拱隧道最大開挖跨度為28m，開挖高度10.2m，因此有限元模型計算范圍在水平方向邊界距建筑外邊線60m，豎直方向下邊界取距建筑外邊線30m，上邊界取至地表（隧道頂板覆土15～20m）。

模擬計算以自重應力場為主，不考慮構造應力的影響。邊界條件：模型正面、側面及底面取法向約束，地表為自由面。模型中圍巖為彈塑性實體單元，中隔墻為線彈性實體單元，初期支護為板單元，中隔墻側面臨時木支撐為梁單元。考慮到二次襯砌在施工中的滯后性，計算中未模擬二次襯砌的作用。

3 中隔墻數值模擬結果分析

3.1中隔墻變形分析

雙連拱隧道左右洞施工對中隔墻同一橫斷面造成反復擾動，由于受模型長度的限制，選取中隔墻兩個橫斷面上的6個特征點來描述這一過程的變形規律。圖1為連拱隧道貫通后整體中隔墻橫斷面內的變形云圖，圖2為中隔墻前端同一橫斷面上A、B、C三點施工過程中平面內合位移曲線，三條曲線的變化大致分成四個階段，前兩個階段是隧道先、后行洞上臺階開挖對中隔墻的影響，曲線前兩階段變形值占總變形值的18%左右，說明上臺階開挖對中隔墻的影響相對較小，當先行洞下臺階開挖到該斷面時變形明顯開始變大，當后行洞下臺階開挖到該斷面時開始向相反方向變形，直到后行洞下臺階開挖面遠離到1 B（B為單洞開挖跨度）距離后影響開始減弱，至1.5B距離位置三點位移稍向相反方向修正（由于前方開挖使得中隔墻發生縱向變形）后趨于穩定。圖3為中隔墻后端同一橫斷面上D、E、F三點施工過程中平面內合位移曲線，三條曲線的變化同樣分成四個階段，前兩個階段中隧道先、后行洞上臺階開挖對中隔墻D、E、F點的變形影響，影響同樣較小，當先行洞下臺階開挖面距該斷面2B距離時，曲線斜率開始變大，影響開始加強，直到后行洞開挖面至此，曲線向相反方向變化。通過以上分析可知，雙連拱隧道先、后行洞開挖對中隔墻的影響距離為開挖面前方2B、開挖面后方1.5B，考慮先、后行洞開

挖對中隔墻的影響存在交疊，先、后行洞開挖面距離應該控制在2B～3B之間，二襯施作時為應保中隔墻變形已基本穩定，二襯施作位置距后行洞下臺階開挖面至少應保證1.5B距離（還應考慮到先、后行洞之間施工中的相互影響）。

3.2中隔墻應力分析

圖4為雙連拱隧道先、后行洞貫通后中隔墻最大主應力σ1云圖，圖5為隧道施工過程中中隔墻前端單元I的σ1變化曲線。從曲線的變化情況來看，隧道開挖過程σ1變化波動較大位置發生在先行洞下臺階經過該單元所在斷面時，當后行洞室下臺階開挖面通過該斷面1B距離后σ1數值基本穩定。說明隧道開挖對中隔墻應力的影響約在開挖面前方和后方1B范圍內。

4 結論

（1）雙連拱隧道左右洞施工使中隔墻同時產生橫向和縱向的變形，左右洞上臺階開挖對中隔墻的變形影響較小，下臺階開挖對中隔墻的變形影響較大，隧道左右洞開挖對中隔墻的影響范圍約為開挖面前方2B、開挖面后方1.5B。雙連拱隧道左右洞施工對中隔墻內部應力影響范圍基本在開挖面前后1B范圍。

（2）考慮左右洞開挖對中隔墻的影響存在交疊，左右洞開挖面距離應該控制在2B～3B之間，二襯施作時為應保中隔墻變形已基本穩定，二襯施作位置距后行洞下臺階開挖面至少應保證1.5B距離。

【參考文獻】

[1]李志厚，朱合華，丁文其.公路連拱隧道設計與施工關鍵技術[M].北京：人民交通出版社，2010.

[2]王文正.雙聯拱公路隧道開挖方法及施工過程數值模擬研究[D].西安：長安大學，2003.

[3]張志強，何川.連拱隧道施工力學行為的非線性數值模擬[R].成都：西南交通大學，2003.

【作者簡介】

劉寶超（1987- ），男，工學碩士，現在大連市市政設計研究院有限責任公司主要從事巖土隧道以及地下結構方面的研究和設計工作