不同凈距雙螺旋公路隧道襯砌動力響應分析

杜憲

（河北省高速公路延崇籌建處，河北 張家口 075400）

在山區基礎設施建設中，為了解決線路爬升及避開地質不良地段的難題，相關研究人員提出采用雙螺旋隧道代替直線隧道，以長度換取高度。目前，螺旋隧道和曲線隧道建設的項目較少，相關的理論和研究正處于初始階段，工程經驗相對于常規的隧道來說較為欠缺。在常規隧道研究過程中，形成了以現場爆破動力響應測試和數值模擬為主的研究手段。相較于現場測試，數值模擬方法經濟性更好、更加方便快捷，可以反映隧道結構在動力作用下的響應規律。

一、數值模擬模型設計及工況劃分

（一）模型設計

延崇高速河北段金家莊雙螺旋隧道的最大埋深為314m，平均埋深為100m，隧道為雙向雙洞隧道，主洞的最大水平跨徑13m，最大豎向跨徑為10m，整體地層無明顯分層，自重應力通過在上部邊界外加相應的地層荷載模擬。在設計模型的尺寸時，考慮到邊界條件，故將模型邊界設置為隧道最大跨徑的3倍以上，以減少邊界條件的影響。模型豎直方向的尺寸為70m，水平方向的尺寸為136m。采用MIDAS GTS有限元分析軟件對展線半徑為800m，凈距分別為10m、20m、30m和40m的雙螺旋隧道在爆破荷載作用下的動力學特性進行研究，不同凈距螺旋展線隧道模型，如圖1所示。

圖1 不同凈距螺旋展線隧道模型圖

（二）計算參數確定

計算模型的本構采用摩爾-庫倫本構，在巖土工程的數值模擬中，該本構模型是最貼近真實土體的本構之一，廣泛應用于各類巖土工程，模擬結果較符合實際情況。金家莊雙螺旋隧道中Ⅳ級圍巖占73.33%，故模型的圍巖材料選取Ⅳ級圍巖的相應參數，隧道二次襯砌在設計中僅作為安全儲備，故與噴混層合并，僅在參數上對噴射混凝土加強。具體模型力學參數取值如表1所示。

表1 模型力學參數取值

表1 模型力學參數取值

二、不同隧道凈距隧道爆破對相鄰隧道襯砌動力特性影響分析

后行隧道爆破時會對先行隧道圍巖及襯砌結構造成一定的影響，當爆破導致圍巖位移過大時，將促使拱頂掉塊嚴重，甚至導致拱頂塌方，對隧道襯砌受力也會產生不利的影響。筆者將分析不同隧道凈距時，先行雙螺旋隧道襯砌對后行隧道爆破的動力響應規律。

（一）襯砌各監測點的位移對比分析

提取隧道凈距分別為10m、20m、30m和40m的4個模型的數據進行橫向對比分析，以分析雙螺旋隧道不同凈距對隧道襯砌動變形規律的影響，不同測點位移最大值變化曲線如圖2所示。

圖2 各監測斷面最大位移曲線

由圖2可知，距離爆源最近的右拱腰位置受凈距影響最大，符合實際工程預判。隨著凈距的增加，水平位移逐漸減小，這是由于較大隧道凈距給爆破動力傳播提供較大的阻尼，從而使各點的位移變換越來越小。在凈距為10m～30m時，隨著凈距的增大水平位移減小速度較快，隨著距離增加，較小的趨勢逐漸變緩。對于拱頂、拱底、左拱腰位置，由于本身受到的后行隧道爆破影響較小，隨著凈距增加也會有變小的趨勢，但是對于控制工程安全來說影響不大。

（二）襯砌各監測點的剪切應力對比分析

在相同展線半徑時，各測點剪切應力最大值變化曲線如圖3所示，可以看出，在拱頂、拱底、左拱腰、右拱腰4個監測點最大剪切應力隨距離變化趨勢大致相似，均隨著雙螺旋隧道凈距減小，各點隨距離變化越明顯，變化數值越大。當隧道凈距為10m時，最大剪切應力變化最大，在拱頂、拱底、左拱腰、右拱腰監測點上的最小值占最大值比例分別為45.5%、51.8%、85.5%和47.8%。其中，位于背爆側的左拱腰測點，變化最不敏感，位于拱頂和右拱腰處的測點變化較為明顯。隨著隧道凈距進一步增大，各測點最大剪切應力變化減小，在個別測點甚至沒有變化。

圖3 各監測斷面最大剪切應力曲線

三、結語

本文通過討論不同隧道凈距的雙螺旋公路隧道在爆破荷載下隧道襯砌位移及剪切應力變化規律，得出了一些結論。根據變形分析可以得知，右拱腰處為最可能發生損傷的部位；從剪應力統計分析結果可以得知，拱頂的剪應力是監測部位中最大的，凈距較小時或者炸藥較多時可能引起頂部開裂，嚴重可能發生坍塌。因此，在施工時需要注意對拱頂及右拱腰，當采用較小凈距時需要將距離爆源最近的右拱腰作為重點監測部位，及時根據監測結果調整裝藥參數。

距離爆源最近的右拱腰位置受凈距影響最大，隧道襯砌最大位移為0.15cm，隨著凈距的增加水平位移逐漸減小。后行洞爆破時，隧道襯砌最大剪切應力為420kPa。在隧道凈距變化的過程中存在臨界凈距，一旦超過該臨界凈距，最大剪切應力變化緩慢。據目前數據分析，該臨界凈距應在20m～30m之間，在設計雙螺旋隧道空間展布時，隧道凈距大于等于30m，鄰洞爆破對本洞剪切應力的影響較小且變化均勻。