董小衛(wèi)，孫曉紅，胡 邦

(1.湖南省岳陽(yáng)市交通質(zhì)量和安全監(jiān)督管理局，湖南 岳陽(yáng) 414000; 2.岳陽(yáng)市交通運(yùn)輸局，湖南 岳陽(yáng) 414000)

0 引言

雙連拱隧道對(duì)兩端接線地形要求不要，洞口工程量相對(duì)小，接線順直，具有一定的美觀性，同時(shí)，在可靠性、經(jīng)濟(jì)性和時(shí)間性(指工期)上與其他施工方案有較大的可行性，90年代中后期、特別是進(jìn)入21世紀(jì)后，在我國(guó)公路、市政道路的中短隧道中應(yīng)用的較為廣泛［1，2］。連拱隧道結(jié)構(gòu)特殊，開(kāi)挖斷面大，施工工序多，相互間影響大，對(duì)圍巖擾動(dòng)次數(shù)多，施工過(guò)程中，圍巖、初期支護(hù)、二次襯砌及中隔墻等受力情況變化頻繁［3］，如何采用合理的設(shè)計(jì)和施工方法保證施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中圍巖及隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性，仍是連拱隧道研究重點(diǎn)。為此，擬以岳陽(yáng)市平江縣S207 百福隧道實(shí)際工程施工為依托，在V級(jí)圍巖淺埋條件下，采用FLAC3D對(duì)常用的3 種主要工法進(jìn)行數(shù)值模擬，從位移、應(yīng)力、塑性區(qū)域分布等3 個(gè)方面進(jìn)行分析，得出最優(yōu)工法，為類(lèi)似地層條件下的隧道工法的選擇和分析提供一定的參考。

1 模擬計(jì)算

1.1 工程概況

百福隧道位于岳陽(yáng)市平江縣北西端，隧道起止里程樁號(hào)K2+000～K2+383，為383 m 的雙連拱短隧道，其結(jié)構(gòu)斷面見(jiàn)圖1。隧道區(qū)屬剝蝕微丘地貌，山體形態(tài)平滑圓潤(rùn)，因人為開(kāi)挖呈不規(guī)則狀，山坡植被較發(fā)育，地形起伏變化較大，地面高程變化在80.0～114.64 m 之間，高差 10～30 m，隧道埋深約9～32 m，其中 K2+195～K2+240 為沖溝處，地面高程99.00～101.59 m，埋深9～11 m。隧道區(qū)出露的地層有第四系覆蓋層及白堊系上統(tǒng)粉砂巖、礫巖，不良地質(zhì)較發(fā)育。

圖1 百福隧道襯砌結(jié)構(gòu)斷面圖(單位:cm)

1.2 計(jì)算模型

本次計(jì)算范圍取K2+195～K2+255，平均埋深為9m，下部取至隧道初期支護(hù)仰拱下30 m，左右各取52.5 m，隧道長(zhǎng)60 m，由于計(jì)算模型長(zhǎng)度較短，在模型計(jì)算范圍內(nèi)適當(dāng)做了一定簡(jiǎn)化，即將原地面取平、隧道的平曲線取直、豎曲線取平，計(jì)算中用實(shí)體單元模擬圍巖初期支護(hù)、二次襯砌、中墻，計(jì)算模型總單元數(shù)為58 290 個(gè)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為61 721 個(gè)，具體模型見(jiàn)圖2。

1.3 計(jì)算參數(shù)

設(shè)計(jì)初期支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1，本文根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)［4］和相關(guān)規(guī)程、規(guī)范，結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)查、勘探、取樣測(cè)試以及室內(nèi)巖土試驗(yàn)結(jié)果，綜合分析，類(lèi)比以往工程經(jīng)驗(yàn)，除系統(tǒng)錨桿通過(guò)提高所處圍巖物理力學(xué)指標(biāo)來(lái)等效處理外，其余計(jì)算參數(shù)均為實(shí)際設(shè)計(jì)和施工的數(shù)值，具體見(jiàn)表2。

圖2 計(jì)算模型

表1 洞身設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)表

1.4 計(jì)算工況

結(jié)合相關(guān)理論和實(shí)際施工條件及施工經(jīng)驗(yàn)，采取新奧法進(jìn)行施工，選取3 種工況進(jìn)行模擬分析，具體見(jiàn)表3。

表2 計(jì)算材料物理力學(xué)指標(biāo)表

表3 工況一覽表

2 計(jì)算結(jié)果分析

與一般單洞不同，“三洞”開(kāi)挖工序多，會(huì)引起群洞效應(yīng)，對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)多，圍巖和隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變變化也變得十分復(fù)雜。

2.1 位移分析

在右洞中部30 m 處拱頂位置選取特征點(diǎn)M，圖3是3 種工況下，M 點(diǎn)沉降隨中導(dǎo)洞、左右線開(kāi)挖面推進(jìn)的變化曲線?？梢钥闯觯? 種工況下M 點(diǎn)位移變化規(guī)律基本相同，以工況2 為例:中導(dǎo)洞開(kāi)挖至24 m 處，即掌子面距離過(guò)M 點(diǎn)垂直于隧道軸線的平面6 m(約0.5B，B 為單洞隧道寬度，下同)處，M 點(diǎn)位移開(kāi)始變化，開(kāi)挖至42 m 處，即掌子面距離過(guò)M點(diǎn)垂直于隧道軸線的平面12 m(約1B)處，沉降基本完成，但引起的最終沉降量?jī)H為0.12 mm，約占M點(diǎn)最終位移量的4.9%，基本可以忽略不計(jì);左線開(kāi)挖至18 m 處，即掌子面距離過(guò)M 點(diǎn)垂直于隧道軸線的平面12 m(約1B)處，M 點(diǎn)沉降開(kāi)始加速，開(kāi)挖至42 m 處，即掌子面距離過(guò)M 點(diǎn)垂直于隧道軸線的平面12 m(約1B)處，對(duì)M 點(diǎn)沉降的影響基本消失，左線開(kāi)挖對(duì)M 點(diǎn)最終位移量的貢獻(xiàn)率為11%;右線開(kāi)挖引起M 點(diǎn)的位移變化規(guī)律最明顯，在開(kāi)挖面距離M 點(diǎn)12 m(約為B)處，M 點(diǎn)沉降開(kāi)始加速，表明此時(shí)右洞開(kāi)挖引起的卸載已經(jīng)開(kāi)始，當(dāng)開(kāi)挖面到達(dá)M 點(diǎn)附近時(shí)，其沉降量增幅最大，當(dāng)開(kāi)挖面經(jīng)過(guò)M 點(diǎn)后18 m(1.5B)處，位移基本完成。若不計(jì)中導(dǎo)洞和左線洞室開(kāi)挖產(chǎn)生的先期沉降，僅考察右洞開(kāi)挖面的影響，則開(kāi)挖面自距M 點(diǎn)前12 m 推進(jìn)到M 點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的位移釋放系數(shù)為57.8%;開(kāi)挖面經(jīng)過(guò)M 點(diǎn)18 m 后處，位移釋放系數(shù)為98.1%。由此可見(jiàn)，不同洞室開(kāi)挖之間是存在相互影響的，受開(kāi)挖面影響較大的圍巖區(qū)域范圍與開(kāi)挖面大小和掌子面距圍巖的距離等因素密切相關(guān)，主要集中在開(kāi)挖面前方1B 和后方1.5B 范圍內(nèi)，對(duì)于本模型也就是M點(diǎn)前方12 m 和后方18 m。從最終沉降量來(lái)看，工況2 最小，為2.09 mm，工況1 位移次之，為 2.45 mm，工況3 位移最大，為4.01 mm。

圖3 M 點(diǎn)沉降隨開(kāi)挖面推進(jìn)變化規(guī)律(數(shù)字前“－”表示左洞開(kāi)挖，“+”表示右洞開(kāi)挖，其余為中導(dǎo)洞開(kāi)挖)

2.2 應(yīng)力分析

選取連拱隧道主要受力結(jié)構(gòu)中隔墻作為分析對(duì)象，中隔墻所受荷載主要來(lái)自?xún)刹糠?，一是自身上方圍巖覆土壓力荷載;二是左、右主隧道施工后，經(jīng)初期支護(hù)傳至中隔墻頂部的壓力荷載，這部分荷載在施工期間“隨施工進(jìn)程動(dòng)態(tài)變化”［2］。由圖4可知:中隔墻最大主應(yīng)力分布不對(duì)稱(chēng)，右側(cè)最大主應(yīng)力數(shù)值和分布區(qū)域均大于左側(cè)，出現(xiàn)了明顯的偏壓，這主要是由于右洞開(kāi)挖時(shí)，一方面中導(dǎo)洞、左洞開(kāi)挖對(duì)右洞圍巖造成了多次擾動(dòng)，導(dǎo)致右洞圍巖自承能力降低，初期支護(hù)反力增加;另一方面不對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖導(dǎo)致圍巖應(yīng)力多次重分布，中導(dǎo)洞、左洞穩(wěn)定過(guò)程中，可能導(dǎo)致右洞圍巖內(nèi)力增加。最大主應(yīng)力主要集中在左、右主隧道傳至中隔墻頂部的初期支護(hù)上，成為連拱隧道施工中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，因此在主隧道施工時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以通過(guò)中隔墻另一側(cè)及時(shí)進(jìn)行回填來(lái)抑制應(yīng)力集中，防患于未然。從最大主應(yīng)力數(shù)值來(lái)看，工況1 初期支護(hù)所受的最大主應(yīng)力值為4.44 MPa，工況2 最大主應(yīng)力值為3.92 MPa，工況3 最大主應(yīng)力值為5.13 MPa，工況2 最大主應(yīng)力最小，初期支護(hù)安全系數(shù)最高，這可能是由于工況1開(kāi)挖分塊過(guò)多，工況3 一次開(kāi)挖斷面過(guò)大，周邊圍巖出現(xiàn)了較嚴(yán)重的松弛和卸載，工況2 的初期支護(hù)與圍巖變形協(xié)調(diào)性最好，充分發(fā)揮了圍巖的自承能力，形成了較好的圍巖－支護(hù)共同作用體系。

圖4 隧道施工完成后中隔墻最終最大主應(yīng)力云圖

2.3 塑性區(qū)分布

由圖5可知:塑性區(qū)分布主要集中在洞室上方的地表、拱頂、仰拱拱腳、中隔墻墻角等部位，這也是沉降較大或應(yīng)力較集中的部位;工況1、工況3 右洞開(kāi)挖產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍明顯比左洞要大，并與地表連通，說(shuō)明如果開(kāi)挖方式選擇不當(dāng)，后擾動(dòng)更易使圍巖處于拉伸剪切屈服狀態(tài)，造成位移、應(yīng)力增加，不利于結(jié)構(gòu)的安全;工況2 塑性區(qū)分布范圍最廣，拱頂塑性區(qū)分布相對(duì)最均勻，說(shuō)明工況2的初期支護(hù)與圍巖變形協(xié)調(diào)性最好，最能充分發(fā)揮圍巖的自承作用，進(jìn)一步解釋了上述工況2 特征點(diǎn)M 位移最小、中隔墻最大主應(yīng)力最小的原因。

圖5 隧道施工完成后塑性區(qū)分布圖

3 結(jié)論

結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)淺埋連拱隧道主要施工工法進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，選取連拱隧道的典型特征點(diǎn)及關(guān)鍵部位對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論:

1)不同洞室開(kāi)挖之間是存在相互影響的，受影響圍巖區(qū)域范圍與開(kāi)挖面大小和掌子面距圍巖的距離等因素密切相關(guān)，主要集中在開(kāi)挖面前方1B 和后方1.5B 范圍內(nèi)。

2)連拱隧道施工中隔墻將出現(xiàn)明顯的偏壓，左、右主隧道傳至中隔墻頂部的初期支護(hù)上可能會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

3)從上述位移、應(yīng)力和塑性區(qū)等計(jì)算結(jié)果綜合分析來(lái)看，工法2 最適合本工程，并可以進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，如在左側(cè)主隧道施工時(shí)，中隔墻另一側(cè)可以先進(jìn)行回填。

［1］申玉生，趙玉光.高速公路雙連拱隧道的中墻力學(xué)特性分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2005，1(2).

［2］李 強(qiáng)，王明年，李玉文.雙跨連拱隧道兩種中墻的空間力學(xué)效應(yīng)分析［J］.巖土力學(xué)，2006，27(4).

［3］張宇翔.軟質(zhì)巖體雙連拱隧道施工力學(xué)行為研究［J］.公路工程，2014，39(3).

［4］JTG D70 －2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.