黃土淺埋隧道橫通道開挖對隧道襯砌影響的分析

李曉娟

中鐵第一勘察設(shè)計研究院蘭州院（730000）

黃土淺埋隧道橫通道開挖對隧道襯砌影響的分析

李曉娟

中鐵第一勘察設(shè)計研究院蘭州院（730000）

以華林坪隧道為例，采用三維數(shù)值模擬計算，對黃土隧道設(shè)置橫通道進行研究分析，為實際工程中橫通道設(shè)置提供設(shè)計依據(jù)，并為類似工程建設(shè)提供借鑒。

黃土隧道；橫通道；交叉結(jié)構(gòu)；高斯應力；數(shù)值模擬

0 引言

黃土隧道與一般隧道相比，黃土強度低，公路隧道跨度大，地質(zhì)條件復雜，正洞開挖后隧道各點位移變形大。隧道加設(shè)橫通道，將進一步加劇隧道變形及襯砌應力集中等現(xiàn)象。隨著我國工程建設(shè)快速發(fā)展，黃土隧道修建主隧道與橫通道交叉結(jié)構(gòu)的情況越來越多，所以，掌握黃土隧道交叉部結(jié)構(gòu)變形、受力特點顯得十分重要。

1 工程概況

華林坪隧道為上下行分離的雙管暗挖隧道，左線起迄里程NzK13+025～NzK13+752,全長727m;右線起迄里程NyK13+053～NyK13+770，全長729m。

該隧道Nzk13+350里程下穿一座6層框架樓。隧道左線掘進至NzK13+310處，為保證框架樓不發(fā)生較大的位移沉降，需對該樓進行加固處理。框架樓加固處理，影響正常施工進度。在NzK13+312處設(shè)置橫通道，對右線掘進，縮短施工工期。平面設(shè)計如圖1所示。

圖1 施工橫通道平面圖

該段華林坪隧道左右線凈距為25m,埋深約為18m。其地層結(jié)構(gòu)較為簡單，主要為填土、粉土等，地層巖性分述如下:

素填土（Q4ml）:褐黃色，粉土為主，夾碎石、角礫等，局部夾生活垃圾，人工堆填而成。局部表層為瀝青路面，厚度2m左右，稍密，稍濕。

黃土狀粉土（Q3al＋pl）:褐黃色～黃褐色，粉粒為主，土質(zhì)較純，具孔隙，含白色鹽質(zhì)斑點及鈣質(zhì)條紋，局部夾薄層砂，含個別角礫，厚度1～27.0m，稍密～中密，稍濕～濕。

2 數(shù)值模擬及計算分析

1）計算模型

計算采用三維有限元彈塑性分析，二襯單元采用實體單元模擬，初襯單元采用殼單元模擬。模型考慮了地表荷載和地下洞室上覆巖層及結(jié)構(gòu)荷載。地應力場按初始應力場考慮，邊界條件按位移邊界考慮，即兩側(cè)面及底面均法向約束。錨桿與注漿加固洞周圍巖，隧道加固范圍2.5m，計算中考慮加固后圍巖巖性略有提高。計算時周圍土體采用Drucker-Prager材料模型，應用FullNewton-Raphson迭代算法。計算模型范圍為100×36m,兩隧道中線間距25m,縱向長度取80m,兩側(cè)土體均為3倍的洞徑范圍，共得到14032個單元，計算中通過殺死和激活單元模擬開挖過程,其有限元模型如圖2所示。

圖2 三維有限元模型

2）結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)

計算時圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學指標根據(jù)地質(zhì)資料加以選取。左右線隧道襯砌厚度為55cm。具體參數(shù)如表1所示。

表1 物理力學參數(shù)

3）計算結(jié)果整理及分析

東北航線設(shè)定為摩爾曼斯克—白令海峽—寧波，北極—蘇伊士航線設(shè)定為摩爾曼斯克—蘇伊士運河—馬六甲海峽—寧波。

隧道開挖工序直接影響施工中地應力的變化與地層位移變化規(guī)律，現(xiàn)通過三維仿真模擬橫通道開挖過程，以期找到橫通道開挖對隧道二襯位移和內(nèi)力變化規(guī)律。本次計算主要考慮橫洞施工對主洞結(jié)構(gòu)的影響，因此左、右主洞一次性開挖并施作支護，車行橫洞每次開挖1.0m并施作支護，最后一次開挖1.5m，共分12步施工。

具體施工步驟為:形成自重地應力場→開挖左、右主洞→左、右主洞施作初期支護→左、右主洞施作二襯→開挖橫洞第1步→橫洞施作初期支護第1步→橫洞施作二襯第1步……→開挖橫洞第12步→車行橫洞施作初期支護第12步→車行橫洞施作二襯第12步。

4）主隧道與橫通道交叉段變形分析

圖3 隧道開挖完成后土體Z豎向位移等值線圖

橫通道開挖完畢后，隧道主洞二襯結(jié)構(gòu)的變形量見表2。

表2 隧道主洞二襯結(jié)構(gòu)的變形量

由表2可知，隨著橫洞的開挖，二襯拱頂、仰拱和內(nèi)拱腰位置產(chǎn)生較大的變形，而二襯外側(cè)位置的變形較小，說明車行橫洞的施工對二襯的外側(cè)影響較小。

橫洞開始施工時,主洞各點位移變化較大。隨橫洞開挖斷面距主洞距離變大，各點位移變形逐步增大，但變化速率逐步減小，有穩(wěn)定趨勢。橫通道開挖完畢時，隧道二襯拱頂?shù)奈灰屏窟_18.2mm，二襯仰拱變形值已達23.1mm，仰拱位移量大于二襯其他位置的變形量。如果隧道正常開挖，隧道拱頂、仰拱最大位移分別為8.5mm和10.5mm，但隨著橫通道的開挖，隧道各點位移都增大，拱頂及仰拱位移變化最大。

綜上所述,由于橫通道開挖，破壞了隧道的拱環(huán)效應，隧道各點位移增加較大。其中，隧道二襯拱頂和仰拱的累積變形量較大。相比其他隧道，黃土隧道仰拱位移量最大。在設(shè)計時，可考慮設(shè)置橫向支撐，特別是圍巖較差段落，可將主洞鋼架支撐于橫向鋼支撐。施工時應逐步開挖，加強監(jiān)控量測，確保安全。

5）交叉部隧道二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

因二襯采用實體單元模擬，MidasGTS中不能直接讀取內(nèi)力，采用三維有限元計算得到結(jié)構(gòu)自重與圍巖壓力分別作用下各節(jié)點的位移、襯砌各單元高斯點上的應力。

根據(jù)襯砌各單元的高斯點應力，參照潘昌實的文獻《隧道力學數(shù)值方法》，算出各高斯點所在截面上的法向應力，求得隧道各截面上的彎矩和軸力后，再進一步對隧道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)及配筋驗算。

圖4 右線二襯第一主應力等值線分布圖

圖5 右線二襯第三主應力等值線分布圖

由圖4和5可知，車行橫洞開挖后，受拉區(qū)主要分布在主洞二襯的邊墻和仰拱位置。該區(qū)域的結(jié)構(gòu)最大拉應力已達到混凝土抗拉強度，且隨著車行橫洞開挖距離的增大而增大，而以拱頂、仰拱部位為最大，外拱腰次之，內(nèi)拱腰變化量最小。

綜上所述，橫洞施工時，隧道主洞二襯拱頂和仰拱的累積最大主應力變化量最大，而且仰拱最大主應力變化沒有趨于穩(wěn)定的趨勢，故在主洞拱頂、仰拱和外拱腰位置二襯易在應力過大的情況下發(fā)生裂縫破壞。

3 結(jié)論

黃土隧道設(shè)置橫通道，除具其他隧道的一些特點外，還具有黃土隧道的特點。

1）橫通道施工對主隧道變形的影響

橫通道施工導致主隧道與橫通道交叉部呈現(xiàn)出以下變形特征:隧道各點位移變形較大，并隨開挖步驟的進行逐步加大，局部變形顯著。交叉部主隧道兩側(cè)拱腰則表現(xiàn)外擴變形特征。比較來看，交叉部拱腰水平方向變形,明顯低于相對交叉部另一側(cè)拱腰，這是由于交叉部一側(cè)拱腰較相對的另一側(cè)拱腰，剛度降低更多更弱的緣故。

2）橫通道施工對主隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

橫通道與主隧道交叉破壞了主隧道拱形支撐作用,故不再起拱的作用，襯砌剛度降低,結(jié)構(gòu)受力已不再是單一軸向受力，而出現(xiàn)部分彎曲受力的復雜受力狀況。其中在拱頂，由橫縱向正彎矩(內(nèi)拉外壓)以及橫截面“整體受拉力”組成拱頂最不利受力情況。

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