隧道結構設計及臺階法施工數值模擬

張淇皓 韓竣崶

中建二局土木工程集團有限公司 北京 100000

我國公路隧道的建設較國外發達國家的水平還要落后許多，其主要原因就是科學技術的落后。公路隧道的建設一直是國外經濟發達國家所重視的內容，尤其是日本和一些北歐國家在公路隧道技術方面都處于領先地位。近年來，圍巖動態反饋分析技術、營運交通監控和新奧法設計和施工等技術都得到廣泛推廣和應用；同時，隧道掘進機方法、盾構掘進方法、預制沉管方法等先進技術和工程方法也被廣泛應用，這也就顯示出先進的科學技術和強大的工業基礎對公路隧道工程的支撐力。

1 總體設計

（1）確定隧道路線選線和位置。隧道路線和位置的確定。

（2）確定隧道的建筑限界和內輪廓線。隧道限界和內輪廓的確定。

（3）對隧道的襯砌進行力學計算并合理配筋。

（4）運用Midas進行臺階法開挖三維施工數值模擬。

2 隧道橫斷面的設計

2.1 隧道建筑限界

本公路隧道設計車速為120km/h的兩車道高速公路隧道，則隧道建筑限界的組成為：0.75m左側向寬度L+1.25m右側向寬度+2×3.75m車道寬度+2×0.75m檢修道J。所以隧道建筑限界的凈寬為11.00m，凈高為5.0m。

2.2 繪制隧道內輪廓線

根據《公路隧道設計規范》（JTGD70-2014），公路隧道的內輪廓線可利用三心圓畫法繪出，內輪廓線如下圖1所示。

圖1 內輪廓線圖（cm）

3 配筋計算

利用Midas進行二維襯砌結構分析，得隧道襯砌的危險截面：

彎矩M=386.71kN·m，軸力N=-1125.53kN；

根據《公路隧道設計規范》（JTGD70-2014），混凝土采用C30時，抗壓強度設計值，抗拉強度設計值，鋼筋采用HRB335，抗拉強度設計值和抗壓強度設計值；相對界限受壓區高度；鋼筋合力點至截面邊界的距離。

3.1 大小偏心的判別

3.2 配筋計算

隧道襯砌斷面采用相同配筋，選取14Φ28，HPB335鋼筋配筋率：

綜上所述，二次襯砌縱向每米里外兩側各配置14根HRB335Φ28的環向鋼筋。

4 Midas臺階法三維施工模擬分析

4.1 建模及劃分網格

圖2 隧道模型網格劃分

在臺階法施工工程中，隨著上部臺階和下部臺階的同時施工，一定會產生應力在襯砌結構中的重分布，利用Midas模擬整個施工進程，進而分析圍巖的應力變化以及位移沉降變化。

4.2 圍巖應力分析

圖3 開挖前的地應力

由開挖前后的應力可以看出，在隧道開挖之前，隧道周圍巖體的應力從上到下均勻增大，最大值為。在隧道開挖之后，隧道周邊的巖體應力發生重分布，構成二次應力場。

4.3 臺階法施工模擬

圖4 開挖后的地應力

臺階法數值模擬位移云圖如下：

圖5 S1階段

圖6 S15階段

臺階法開挖后的最終位移云圖最大沉降為10.09mm，沉降主要集中在拱頂上部，仰拱上抬，因此在開挖過程中要注意及時支護，封閉成環。

5 結語

根據隧道曲線段的圍巖等級，確定深淺埋及荷載大小，通過Midas/NX進行隧道橫斷面二維襯砌數值分析，確定危險截面處的彎矩、軸力以及剪力的大小，進而對隧道橫斷面進行合理的配筋。同時，利用Midas/NX進行隧道臺階法開挖的三維施工模擬分析，確定在開挖過程中的隧道斷面的沉降大小。