【文章摘要】

中隔墻作為雙連拱隧道區(qū)別于其他類型隧道的關(guān)鍵構(gòu)件，施工中中隔墻的力學(xué)特性對隧道整體穩(wěn)定性有決定性影響。本文以實際工程為依托，采用Midas-GTS有限元程序?qū)﹄p連拱隧道施工過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，計算分析中隔墻結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力和位移隨隧道施工的變化規(guī)律。本文成果將為類似連拱隧道中隔墻的設(shè)計與施工提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】

中隔墻；應(yīng)力；位移；變化規(guī)律

0 引言

在雙連拱隧道整個施工過程中，中隔墻成為結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵性受力構(gòu)件，對施工中中隔墻受力狀況及其變形規(guī)律的把握不僅關(guān)系著施工期間結(jié)構(gòu)的安全，更關(guān)系到隧道建成后整個隧道結(jié)構(gòu)的長期安全性。由于地下結(jié)構(gòu)暗挖過程是一個時間與空間上不斷變化的動態(tài)過程，而且連拱隧道開挖跨度較大、施工工序繁多，圍巖應(yīng)力變化和結(jié)構(gòu)荷載的轉(zhuǎn)換復(fù)雜，尤其中隔墻承受壓力、拉力、剪力、彎矩及扭矩的共同作用。因此連拱隧道開挖方法、施工順序的選擇直接影響著施工期間中隔墻的力學(xué)狀態(tài)。

1工程概況

本文以大連市南部濱海大道東端橋隧建設(shè)工程——雙連拱隧道為依托工程，該雙連拱隧道段開挖跨度由25.1m漸變至28m，長度26.5m，后接小凈距隧道段。根據(jù)工程所處區(qū)域地質(zhì)條件和工程特點，本工程隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌方案，初期支護(hù)由型鋼拱架噴射混凝土及錨桿組成，二次襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，隧道中隔墻設(shè)計采用復(fù)合式曲中墻，中隔墻厚度由2m漸變至4.9m（含兩層二襯厚度，每層0.55m）。該連拱隧道施工采用中導(dǎo)洞+兩側(cè)臺階法開挖。

2 雙連拱隧道三維數(shù)值模擬

2.1圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)選取

根據(jù)工程地質(zhì)勘查資料確定大連市南部濱海大道東端橋隧建設(shè)工程——雙連拱隧道計算圍巖參數(shù)如表1所示。

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)中的系統(tǒng)錨桿作為安全儲備來考慮，不參與模型計算中；初期支護(hù)中鋼拱架的作用采用等效方法考慮，將鋼拱架的彈性模量折算給噴射混凝土，根據(jù)該原則確定雙連拱隧道計算模型中初期支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

2.2模型建立

本文采用Midas-GTS有限元程序基于Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則建立雙連拱隧道三維計算模型，根據(jù)圍巖地質(zhì)條件、開挖跨度及地應(yīng)力場水平等影響因素選取計算范圍。該雙連拱隧道最大開挖跨度為28m，開挖高度10.2m，因此有限元模型計算范圍在水平方向邊界距建筑外邊線60m，豎直方向下邊界取距建筑外邊線30m，上邊界取至地表（隧道頂板覆土15～20m）。

模擬計算以自重應(yīng)力場為主，不考慮構(gòu)造應(yīng)力的影響。邊界條件：模型正面、側(cè)面及底面取法向約束，地表為自由面。模型中圍巖為彈塑性實體單元，中隔墻為線彈性實體單元，初期支護(hù)為板單元，中隔墻側(cè)面臨時木支撐為梁單元?？紤]到二次襯砌在施工中的滯后性，計算中未模擬二次襯砌的作用。

3 中隔墻數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1中隔墻變形分析

雙連拱隧道左右洞施工對中隔墻同一橫斷面造成反復(fù)擾動，由于受模型長度的限制，選取中隔墻兩個橫斷面上的6個特征點來描述這一過程的變形規(guī)律。圖1為連拱隧道貫通后整體中隔墻橫斷面內(nèi)的變形云圖，圖2為中隔墻前端同一橫斷面上A、B、C三點施工過程中平面內(nèi)合位移曲線，三條曲線的變化大致分成四個階段，前兩個階段是隧道先、后行洞上臺階開挖對中隔墻的影響，曲線前兩階段變形值占總變形值的18%左右，說明上臺階開挖對中隔墻的影響相對較小，當(dāng)先行洞下臺階開挖到該斷面時變形明顯開始變大，當(dāng)后行洞下臺階開挖到該斷面時開始向相反方向變形，直到后行洞下臺階開挖面遠(yuǎn)離到1 B（B為單洞開挖跨度）距離后影響開始減弱，至1.5B距離位置三點位移稍向相反方向修正（由于前方開挖使得中隔墻發(fā)生縱向變形）后趨于穩(wěn)定。圖3為中隔墻后端同一橫斷面上D、E、F三點施工過程中平面內(nèi)合位移曲線，三條曲線的變化同樣分成四個階段，前兩個階段中隧道先、后行洞上臺階開挖對中隔墻D、E、F點的變形影響，影響同樣較小，當(dāng)先行洞下臺階開挖面距該斷面2B距離時，曲線斜率開始變大，影響開始加強(qiáng)，直到后行洞開挖面至此，曲線向相反方向變化。通過以上分析可知，雙連拱隧道先、后行洞開挖對中隔墻的影響距離為開挖面前方2B、開挖面后方1.5B，考慮先、后行洞開

挖對中隔墻的影響存在交疊，先、后行洞開挖面距離應(yīng)該控制在2B～3B之間，二襯施作時為應(yīng)保中隔墻變形已基本穩(wěn)定，二襯施作位置距后行洞下臺階開挖面至少應(yīng)保證1.5B距離（還應(yīng)考慮到先、后行洞之間施工中的相互影響）。

3.2中隔墻應(yīng)力分析

圖4為雙連拱隧道先、后行洞貫通后中隔墻最大主應(yīng)力σ1云圖，圖5為隧道施工過程中中隔墻前端單元I的σ1變化曲線。從曲線的變化情況來看，隧道開挖過程σ1變化波動較大位置發(fā)生在先行洞下臺階經(jīng)過該單元所在斷面時，當(dāng)后行洞室下臺階開挖面通過該斷面1B距離后σ1數(shù)值基本穩(wěn)定。說明隧道開挖對中隔墻應(yīng)力的影響約在開挖面前方和后方1B范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

（1）雙連拱隧道左右洞施工使中隔墻同時產(chǎn)生橫向和縱向的變形，左右洞上臺階開挖對中隔墻的變形影響較小，下臺階開挖對中隔墻的變形影響較大，隧道左右洞開挖對中隔墻的影響范圍約為開挖面前方2B、開挖面后方1.5B。雙連拱隧道左右洞施工對中隔墻內(nèi)部應(yīng)力影響范圍基本在開挖面前后1B范圍。

（2）考慮左右洞開挖對中隔墻的影響存在交疊，左右洞開挖面距離應(yīng)該控制在2B～3B之間，二襯施作時為應(yīng)保中隔墻變形已基本穩(wěn)定，二襯施作位置距后行洞下臺階開挖面至少應(yīng)保證1.5B距離。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]張志強(qiáng)，何川.連拱隧道施工力學(xué)行為的非線性數(shù)值模擬[R].成都：西南交通大學(xué)，2003.

【作者簡介】

劉寶超（1987- ），男，工學(xué)碩士，現(xiàn)在大連市市政設(shè)計研究院有限責(zé)任公司主要從事巖土隧道以及地下結(jié)構(gòu)方面的研究和設(shè)計工作