李曉娟

中鐵第一勘察設(shè)計(jì)研究院蘭州院（730000）

黃土淺埋隧道橫通道開(kāi)挖對(duì)隧道襯砌影響的分析

李曉娟

中鐵第一勘察設(shè)計(jì)研究院蘭州院（730000）

以華林坪隧道為例，采用三維數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)黃土隧道設(shè)置橫通道進(jìn)行研究分析，為實(shí)際工程中橫通道設(shè)置提供設(shè)計(jì)依據(jù)，并為類似工程建設(shè)提供借鑒。

黃土隧道；橫通道；交叉結(jié)構(gòu)；高斯應(yīng)力；數(shù)值模擬

0 引言

黃土隧道與一般隧道相比，黃土強(qiáng)度低，公路隧道跨度大，地質(zhì)條件復(fù)雜，正洞開(kāi)挖后隧道各點(diǎn)位移變形大。隧道加設(shè)橫通道，將進(jìn)一步加劇隧道變形及襯砌應(yīng)力集中等現(xiàn)象。隨著我國(guó)工程建設(shè)快速發(fā)展，黃土隧道修建主隧道與橫通道交叉結(jié)構(gòu)的情況越來(lái)越多，所以，掌握黃土隧道交叉部結(jié)構(gòu)變形、受力特點(diǎn)顯得十分重要。

1 工程概況

華林坪隧道為上下行分離的雙管暗挖隧道，左線起迄里程N(yùn)zK13+025～NzK13+752,全長(zhǎng)727m;右線起迄里程N(yùn)yK13+053～NyK13+770，全長(zhǎng)729m。

該隧道Nzk13+350里程下穿一座6層框架樓。隧道左線掘進(jìn)至NzK13+310處，為保證框架樓不發(fā)生較大的位移沉降，需對(duì)該樓進(jìn)行加固處理?？蚣軜羌庸烫幚恚绊懻Ｊ┕みM(jìn)度。在NzK13+312處設(shè)置橫通道，對(duì)右線掘進(jìn)，縮短施工工期。平面設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 施工橫通道平面圖

該段華林坪隧道左右線凈距為25m,埋深約為18m。其地層結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，主要為填土、粉土等，地層巖性分述如下:

素填土（Q4ml）:褐黃色，粉土為主，夾碎石、角礫等，局部夾生活垃圾，人工堆填而成。局部表層為瀝青路面，厚度2m左右，稍密，稍濕。

黃土狀粉土（Q3al＋pl）:褐黃色～黃褐色，粉粒為主，土質(zhì)較純，具孔隙，含白色鹽質(zhì)斑點(diǎn)及鈣質(zhì)條紋，局部夾薄層砂，含個(gè)別角礫，厚度1～27.0m，稍密～中密，稍濕～濕。

2 數(shù)值模擬及計(jì)算分析

1）計(jì)算模型

計(jì)算采用三維有限元彈塑性分析，二襯單元采用實(shí)體單元模擬，初襯單元采用殼單元模擬。模型考慮了地表荷載和地下洞室上覆巖層及結(jié)構(gòu)荷載。地應(yīng)力場(chǎng)按初始應(yīng)力場(chǎng)考慮，邊界條件按位移邊界考慮，即兩側(cè)面及底面均法向約束。錨桿與注漿加固洞周圍巖，隧道加固范圍2.5m，計(jì)算中考慮加固后圍巖巖性略有提高。計(jì)算時(shí)周圍土體采用Drucker-Prager材料模型，應(yīng)用FullNewton-Raphson迭代算法。計(jì)算模型范圍為100×36m,兩隧道中線間距25m,縱向長(zhǎng)度取80m,兩側(cè)土體均為3倍的洞徑范圍，共得到14032個(gè)單元，計(jì)算中通過(guò)殺死和激活單元模擬開(kāi)挖過(guò)程,其有限元模型如圖2所示。

圖2 三維有限元模型

2）結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)

計(jì)算時(shí)圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)指標(biāo)根據(jù)地質(zhì)資料加以選取。左右線隧道襯砌厚度為55cm。具體參數(shù)如表1所示。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

3）計(jì)算結(jié)果整理及分析

東北航線設(shè)定為摩爾曼斯克—白令海峽—寧波，北極—蘇伊士航線設(shè)定為摩爾曼斯克—蘇伊士運(yùn)河—馬六甲海峽—寧波。

隧道開(kāi)挖工序直接影響施工中地應(yīng)力的變化與地層位移變化規(guī)律，現(xiàn)通過(guò)三維仿真模擬橫通道開(kāi)挖過(guò)程，以期找到橫通道開(kāi)挖對(duì)隧道二襯位移和內(nèi)力變化規(guī)律。本次計(jì)算主要考慮橫洞施工對(duì)主洞結(jié)構(gòu)的影響，因此左、右主洞一次性開(kāi)挖并施作支護(hù)，車行橫洞每次開(kāi)挖1.0m并施作支護(hù)，最后一次開(kāi)挖1.5m，共分12步施工。

具體施工步驟為:形成自重地應(yīng)力場(chǎng)→開(kāi)挖左、右主洞→左、右主洞施作初期支護(hù)→左、右主洞施作二襯→開(kāi)挖橫洞第1步→橫洞施作初期支護(hù)第1步→橫洞施作二襯第1步……→開(kāi)挖橫洞第12步→車行橫洞施作初期支護(hù)第12步→車行橫洞施作二襯第12步。

4）主隧道與橫通道交叉段變形分析

圖3 隧道開(kāi)挖完成后土體Z豎向位移等值線圖

橫通道開(kāi)挖完畢后，隧道主洞二襯結(jié)構(gòu)的變形量見(jiàn)表2。

表2 隧道主洞二襯結(jié)構(gòu)的變形量

由表2可知，隨著橫洞的開(kāi)挖，二襯拱頂、仰拱和內(nèi)拱腰位置產(chǎn)生較大的變形，而二襯外側(cè)位置的變形較小，說(shuō)明車行橫洞的施工對(duì)二襯的外側(cè)影響較小。

橫洞開(kāi)始施工時(shí),主洞各點(diǎn)位移變化較大。隨橫洞開(kāi)挖斷面距主洞距離變大，各點(diǎn)位移變形逐步增大，但變化速率逐步減小，有穩(wěn)定趨勢(shì)。橫通道開(kāi)挖完畢時(shí)，隧道二襯拱頂?shù)奈灰屏窟_(dá)18.2mm，二襯仰拱變形值已達(dá)23.1mm，仰拱位移量大于二襯其他位置的變形量。如果隧道正常開(kāi)挖，隧道拱頂、仰拱最大位移分別為8.5mm和10.5mm，但隨著橫通道的開(kāi)挖，隧道各點(diǎn)位移都增大，拱頂及仰拱位移變化最大。

綜上所述,由于橫通道開(kāi)挖，破壞了隧道的拱環(huán)效應(yīng)，隧道各點(diǎn)位移增加較大。其中，隧道二襯拱頂和仰拱的累積變形量較大。相比其他隧道，黃土隧道仰拱位移量最大。在設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮設(shè)置橫向支撐，特別是圍巖較差段落，可將主洞鋼架支撐于橫向鋼支撐。施工時(shí)應(yīng)逐步開(kāi)挖，加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，確保安全。

5）交叉部隧道二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

因二襯采用實(shí)體單元模擬，MidasGTS中不能直接讀取內(nèi)力，采用三維有限元計(jì)算得到結(jié)構(gòu)自重與圍巖壓力分別作用下各節(jié)點(diǎn)的位移、襯砌各單元高斯點(diǎn)上的應(yīng)力。

根據(jù)襯砌各單元的高斯點(diǎn)應(yīng)力，參照潘昌實(shí)的文獻(xiàn)《隧道力學(xué)數(shù)值方法》，算出各高斯點(diǎn)所在截面上的法向應(yīng)力，求得隧道各截面上的彎矩和軸力后，再進(jìn)一步對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)及配筋驗(yàn)算。

圖4 右線二襯第一主應(yīng)力等值線分布圖

圖5 右線二襯第三主應(yīng)力等值線分布圖

由圖4和5可知，車行橫洞開(kāi)挖后，受拉區(qū)主要分布在主洞二襯的邊墻和仰拱位置。該區(qū)域的結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力已達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度，且隨著車行橫洞開(kāi)挖距離的增大而增大，而以拱頂、仰拱部位為最大，外拱腰次之，內(nèi)拱腰變化量最小。

綜上所述，橫洞施工時(shí)，隧道主洞二襯拱頂和仰拱的累積最大主應(yīng)力變化量最大，而且仰拱最大主應(yīng)力變化沒(méi)有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，故在主洞拱頂、仰拱和外拱腰位置二襯易在應(yīng)力過(guò)大的情況下發(fā)生裂縫破壞。

3 結(jié)論

黃土隧道設(shè)置橫通道，除具其他隧道的一些特點(diǎn)外，還具有黃土隧道的特點(diǎn)。

1）橫通道施工對(duì)主隧道變形的影響

橫通道施工導(dǎo)致主隧道與橫通道交叉部呈現(xiàn)出以下變形特征:隧道各點(diǎn)位移變形較大，并隨開(kāi)挖步驟的進(jìn)行逐步加大，局部變形顯著。交叉部主隧道兩側(cè)拱腰則表現(xiàn)外擴(kuò)變形特征。比較來(lái)看，交叉部拱腰水平方向變形,明顯低于相對(duì)交叉部另一側(cè)拱腰，這是由于交叉部一側(cè)拱腰較相對(duì)的另一側(cè)拱腰，剛度降低更多更弱的緣故。

2）橫通道施工對(duì)主隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

橫通道與主隧道交叉破壞了主隧道拱形支撐作用,故不再起拱的作用，襯砌剛度降低,結(jié)構(gòu)受力已不再是單一軸向受力，而出現(xiàn)部分彎曲受力的復(fù)雜受力狀況。其中在拱頂，由橫縱向正彎矩(內(nèi)拉外壓)以及橫截面“整體受拉力”組成拱頂最不利受力情況。

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