小凈距隧道在復雜環境下的穩定分析

（重慶交通大學，土木工程學院 重慶 400074）

小凈距隧道在復雜環境下的穩定分析

彭 濤

（重慶交通大學，土木工程學院 重慶 400074）

為緩解我國公路交通運輸的壓力，小凈距隧道以其獨特的優勢而在城市公路建設中頻繁出現。本文以重慶市渝中區連接隧道為依托，采用有限元軟件ANSYS對復雜環境下的小凈距隧道做了穩定分析。研究結果表明：圍巖位移計算值小于規范允許值；初支階段局部出現應力集中，主要發生在拱頂、拱腳處。該研究方法對類似小凈距隧道的穩定分析有較大借鑒意義。

小凈距隧道；穩定分析；復雜環境；圍巖位移

0 引言

伴隨著我國交通運輸量逐漸加大，越來越多的農村人口流入到城市，導致城市交通變得愈加擁擠。為緩解城市的地面交通壓力，地下交通變成為最佳發展方向。交通行業作為我國的支柱產業之一，對提高人民的生活水平起到了至關重要的作用。因此，高速公路里程變得更長，鑒于我國是一個多山的國家，為縮短里程而穿越山脈不得不開挖隧道。小凈距隧道由于接線短、占地量小、節約資源等優點，由于小凈距隧道的這些特點而被大量工程技術人員所看重。在我國城市地下交通中和高速公路建設中，小間距隧道變得更加普遍。本文以渝中連接隧道為依托，利用有限元軟件ANSYS重點研究了左右不同跨度小凈距隧道在復雜荷載下的穩定性分析。

1 項目概述

1.1工程概況

本文的研究對象為渝中區連接隧道暗挖斷，出口段與解放碑地下環道相接。左右隧道跨徑不同，最淺埋深為5.6m，左右隧道最小凈距為4.2m，該段地表建筑物有重慶市第一人民醫院保留門診樓、道門口農貿市場。地質情況由地表而下依次為雜填土，砂巖及砂質泥巖互層且節理裂隙不發育，完整度較好，因此其自承能力較強。整個圍巖級別為IV級，因此不宜用全斷面法開挖。

1.2物理力學參數及地表荷載

按地層結構法計算整個模型所采用的力學參數主要分為圍巖的力學參數和隧道結構計算參數，詳見表1。

表1 物理力學參數表

2 有限元計算模型分析

2.1開挖工序

鑒于實際施工情況，采用先開挖左洞后開挖右洞。左洞采用先外側后內側的CD法施工，右洞采用環形導坑預留核心土開挖。主要的開挖工序為：a)左洞左側上臺階開挖，b)左洞左側下臺階開挖，c)左洞右側上臺階開挖，d)左洞右側下臺階開挖，e)左洞仰拱、二襯澆筑，f)右洞超前支護施作，g)右洞中導坑開挖，h)右洞左側導坑上臺階開挖，i)右洞左側導坑下臺階開挖，j)右洞右側導坑上臺階開挖，k)右洞右側導坑下臺階開挖，l)右洞核心土開挖、拆除臨時支撐m)右洞仰拱、二襯澆筑。

2.2有限元單元劃分模型

本次計算的隧道埋深為6.0m。計算模型頂部取至地表面，隧道的左、右側及其下邊界都取三倍洞徑。模型大小為135m×56m，共20635個單元，20096個節點。圍巖、初支及二襯均采用Plane42，錨桿采用link1單元，工字鋼采用beam3單元。頂部為自由邊界，底部施加豎向約束，左右兩側各施加水平約束，計算模型如圖1。

2.3模型計算結果

第1步為在自重應力場作用下求解巖土體的應力，計算得出巖土體水平最大應力為-0.60MPa，豎直最大應力為-1.40MPa。第2步為在地表建筑物作用下的巖土體應力分布，在地表臨近建筑物作用下，巖土體水平最大應力為-0.65MPa，豎直最大應力為-1.62MPa。最后為右隧道在右洞仰拱、二襯澆筑（即第16步）完成后，計算得出巖土體水平位移最大值為-0.65mm，豎向位移最大值為2.11mm；初期支護第一主應力最大值為0.21MPa，初期支護第三主應力最下值為-8.03MPa；二襯第一主應力最大值為0.29MPa，二襯第三主應力最下值為-1.08MPa。其中，各施工不最大地表位移見圖2所示。

圖1 分析計算模型

圖2 各施工步最大地表位移

2.4驗算分析

1)圍巖位移分析：整個圍巖級別劃分為Ⅳ級，隧道埋深為6.0m，其周邊允許相對位移為0.15%～0.50%；隧道開挖的最大寬度為22.1m，最大高度為13.72m，因而允許相對位移為：13.72×0.15%=0.01728m=17.28mm。數值分析最后得出最大相對水平位移為0.74mm，最大豎向位移為2.73mm，二者均<17.28mm，滿足要求。

2)二砌應力分析：C30混凝土的軸心抗壓設計值為15.0MPa，彎曲抗壓為16.5MPa，抗拉設計值為1.47MPa。數值計算結果得出壓應力最大值為2.14MPa小于設計值；拉應力值最大為0.68MPa小于設計值，故滿足要求。

3 結論

通過對重慶市渝中連接隧道暗挖段在左洞采用中隔壁法施工，右洞采用環形開挖留核心土施工的情況下，通過ANSYS軟件分析得出，最終圍巖位移值小于規范容許值，二次襯砌整體應力皆小于設計值，滿足安全要求。綜上所述，渝中連接隧道暗挖段左洞采用中隔壁法施工且右洞采用環形開挖留核心土施工的方法可行。這種分析計算方法對類似工程具有一定的借鑒指導作用。

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1007-6344（2017）06-0027-01

彭濤（1991- ）男，漢族，四川巴中人，碩士研究生，主要研究橋梁與隧道方向