暗挖區(qū)間仰拱對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)影響數(shù)值分析
——以合肥地鐵2號(hào)線為例 ①

任怡東， 曹廣勇

(安徽建筑大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230601)

0 引 言

仰拱結(jié)構(gòu)是設(shè)置在隧道底部的一種反拱結(jié)構(gòu)，其目的是使隧道在施工過(guò)程中整體支護(hù)效應(yīng)增強(qiáng)，是組成隧道上部襯砌結(jié)構(gòu)的重要部分。在隧道仰拱施工方面，不少學(xué)者進(jìn)行了大量研究。王明年[1]等對(duì)各種地質(zhì)情況下隧道仰拱對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行研究，給出了仰拱施工的合理仰拱半徑，并給出了相應(yīng)的施工意見(jiàn)。杜明慶[2]、張龍[3]、李德武[4]、朱星汁[5]等對(duì)仰拱在各種荷載作用下仰拱的施工工藝及支護(hù)力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行研究，結(jié)果都表明仰拱施工能有效抑制隧道頂部沉降與底部隆起，對(duì)隧道施工的安全性提供了保障。李宗順[6]、時(shí)亞昕[7]等通過(guò)對(duì)仰拱整體襯砌的施工工藝進(jìn)行研究，給出了仰拱施工過(guò)程中注意事項(xiàng)，并對(duì)仰拱規(guī)范施工給出了寶貴的意見(jiàn)。上述研究集中于仰拱的施工整體性及施工工藝進(jìn)行研究，并沒(méi)有對(duì)隧道仰拱施工的整體力學(xué)性能進(jìn)行研究。因此對(duì)隧道仰拱施工的整體力學(xué)效應(yīng)亟待研究。

工程背景選用的是合肥市軌道交通2號(hào)線與3號(hào)錢(qián)交匯處某暗挖段隧道施工為背景，采用有限元軟件Midas進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比分析了有仰拱施工與無(wú)仰拱施工各種力學(xué)效應(yīng)，旨在對(duì)今后類(lèi)似膨脹土地區(qū)的隧道施工與相關(guān)研究提供借鑒。

1 工程概況

合肥市軌道交通西七里塘車(chē)站位于潛山路與長(zhǎng)江西路交叉口，同時(shí)也是地鐵2號(hào)線與3號(hào)線的換乘車(chē)站，有著極其重要的樞紐意義。兩車(chē)站均為島式結(jié)構(gòu)車(chē)站，沿路口十字敷設(shè)。暗挖區(qū)間經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘探按照地質(zhì)條件與巖土工程特性分為以下幾層：人工填筑土層：(0～3m)，黏土層(3～5m)，隧道周?chē)鷰r土的主要組成成分為：風(fēng)化巖層、黏土層。地質(zhì)橫斷面圖如圖1所示。

2 計(jì)算模型的建立

2.1 模型假設(shè)

計(jì)算模型選用的Midas有限元軟件自帶的實(shí)體單元，通過(guò)查找線性結(jié)構(gòu)文獻(xiàn)資料選用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系[8]。二次支護(hù)與初期支護(hù)采用板單元進(jìn)行模擬，為了使模擬效果的力學(xué)效應(yīng)與超前小導(dǎo)管與管棚注漿的加固效應(yīng)相同，模擬采用適當(dāng)提高加固區(qū)土層的物理力學(xué)參數(shù)(內(nèi)摩擦角、彈性模量及粘聚力)，同時(shí)將鋼拱架和加固土層噴混的彈性模量折算成總的彈性模量[9]。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)區(qū)間施工地質(zhì)條件及其隧道施工工藝建立有限元模型，模型尺寸為40m×30m×15m，為研究仰拱半徑對(duì)隧道襯砌整體支護(hù)效應(yīng)影響，先選取仰拱半徑為16m。計(jì)算模型模型如圖2所示。

圖1 隧道地質(zhì)橫斷面(單位：m)

(a)無(wú)仰拱隧道模型圖 (b)有仰拱隧道模型圖

約束條件：地面采用軟件自帶的自由邊界，左側(cè)面、右側(cè)面、底面均3選用法向支撐力，模型采用各面混合體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮周?chē)鷩鷰r各種地質(zhì)條件及襯砌支撐的影響。

2.2 圍巖和支護(hù)材料參數(shù)的確定

模型中采用的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

表1 圍巖的物理力學(xué)參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 豎向位移及豎向應(yīng)力分析

設(shè)置仰拱的豎向位移量與豎向應(yīng)力是研究仰拱受力特性的重要指標(biāo)，由圖3可知：圖3(a)與圖3(b)豎向位移應(yīng)力云圖與豎向應(yīng)力云圖發(fā)展趨勢(shì)相同，均表象為隧道頂部豎向位移量最小，底部豎向位移量最大，而隧道豎向應(yīng)力云圖發(fā)展趨勢(shì)與其大致相同。但在隧道頂部，豎向應(yīng)力越大，位移量越小，圖3(a)與圖3(b)隧道最大豎向位移分別為為21.7mm、19.8mm，豎向位移減少量為9.6%；在應(yīng)力云圖中，圖3(c)與圖3(d)最大豎向應(yīng)力分別為0.297MPa、0.256MPa，減少量為15.1%，同時(shí)由豎向應(yīng)力云圖可知差別最大的為隧道底部應(yīng)力，圖3(c)、圖3(d)底部最大應(yīng)力為0.234MPa、0.221MPa，底部隧道應(yīng)力減少量為5.6%，隧道頂部豎向應(yīng)力大致相同；綜上可知，隧道設(shè)置仰拱支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠有效減少隧道豎向位移及應(yīng)力，尤其對(duì)隧道隧道底部隆起量的控制，但對(duì)于隧道頂部沉降量的控制效果不明顯。

圖3 豎向位移及應(yīng)力云圖

3.2 剪應(yīng)力分析

圖4(a)、(b)剪應(yīng)力分布趨勢(shì)大致相同，均表現(xiàn)為右上角與左下角隧道邊角處的剪應(yīng)力最大，左上角與右下角剪應(yīng)力最小，同時(shí)隧道頂部所受的剪應(yīng)力也較大，圖4(a)的最大剪應(yīng)力是圖4(b)的2倍不止；圖4(c)與圖4(d)的塑性區(qū)表現(xiàn)為隧道底部?jī)山撬苄詤^(qū)最大，但有仰拱隧道支護(hù)的塑性區(qū)較無(wú)仰拱塑性區(qū)范圍明顯減少。由表3可知設(shè)置仰拱能夠有效減少隧道周?chē)鷩鷰r的剪應(yīng)力，特別是對(duì)于隧道底部的剪應(yīng)力減少量最為明顯，塑性區(qū)的范圍明顯減少，表明仰拱能增加周?chē)鷩鷰r襯砌的整體性，有效防止隧道周?chē)鷩鷰r發(fā)生剪切破壞。

圖4 剪應(yīng)力云圖與塑性區(qū)圖

表3 隧道剪應(yīng)力值對(duì)比表

3.3 仰拱半徑分析

仰拱半徑作為隧道仰拱能否達(dá)到最優(yōu)效果的重要決定因素，建模是分別選取仰拱半徑R2=2R1(R1為拱頂半徑值)為13m到19m共7組，對(duì)該7組模型的洞周收斂值、拱低隆起值以及拱頂沉降值進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖9、10、11所示。由圖5-7可知當(dāng)R2的取值為16m時(shí)，拱頂沉降位移圖、工地隆起位移圖與洞周收斂位移圖均發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，再由表4可知，當(dāng)半徑R2為16m時(shí)，各值均達(dá)到最有效果，故取R2為16m時(shí)，隧道仰拱施工達(dá)到最優(yōu)效果，能保證隧道施工的安全性。

表4 隧道不同仰拱半徑各項(xiàng)位移值對(duì)比

圖5 不同半徑拱頂沉降位移圖

圖6 不同半徑拱底隆起位移圖

圖7 不同半徑洞周收斂位移圖

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)施工進(jìn)程中改變仰拱半徑，找出最合理的仰拱半徑，并通過(guò)有限元軟件的的有仰拱隧道與仰拱隧道的各種力學(xué)效應(yīng)的對(duì)比分析，可得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)有限元模型Midas數(shù)值模擬對(duì)比分析可知，仰拱對(duì)于隧道在施工過(guò)程中產(chǎn)生的底部隆起量特別有效，但對(duì)隧道施工頂部沉降量抑制效果不明顯，故在設(shè)置仰拱施工的隧道工程中，應(yīng)采取其他有效措施防止隧道頂部塌陷沉降，保證施工安全。

(2)隧道仰拱的存在，能有效抑制隧道襯砌的剪應(yīng)力，使得隧道底部塑性區(qū)明顯減少，防止隧道周?chē)r砌發(fā)生剪切破壞；同時(shí)隧道仰拱支護(hù)結(jié)構(gòu)的能夠有效改善隧道洞周襯砌的整體應(yīng)力，與隧道襯砌組成一個(gè)整體，保證襯砌結(jié)構(gòu)安全性。

(3)由模型拱頂沉降、拱底隆起以及隧道洞周收斂分析可知，當(dāng)仰拱半徑設(shè)置為16m時(shí)，雖然右拱腰處橫向位移略增，但能夠顯著降低拱頂沉降和拱底隆起值，有利于整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為該隧道可設(shè)置的最佳仰拱半徑。