洪永佳（福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，福州350108）

軟弱圍巖下無中導(dǎo)洞復(fù)墻式連拱隧道施工三維數(shù)值模擬分析

洪永佳
（福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，福州350108）

應(yīng)用有限元軟件分析了無中導(dǎo)洞復(fù)墻式連拱隧道開挖過程中圍巖位移變形、應(yīng)力的發(fā)展規(guī)律；同時(shí)對(duì)隧道中隔墻的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，為其他類似隧道的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

無中導(dǎo)洞復(fù)墻式連拱隧道數(shù)值模擬

連拱隧道由于其適用于不良地形、利于平面展線、洞口占地面積小、拆遷量小等優(yōu)點(diǎn)，普遍應(yīng)用于高速公路、市政道路、地鐵暗挖渡線等工程中。連拱隧道形式很多，我國(guó)已建成的連拱隧道結(jié)構(gòu)型式有三種：一是整體式連拱隧道，其中隔墻采用整體式結(jié)構(gòu)；二是復(fù)合式連拱隧道，其中隔墻為復(fù)合式結(jié)構(gòu)；三是無中導(dǎo)洞復(fù)墻式連拱隧道[1]，該結(jié)構(gòu)型式在上海市小洋山主干道隧道[2]中得到成功應(yīng)用，其中隔墻由左右隧道邊墻復(fù)合而成。由于整體式和復(fù)合式連拱隧道在實(shí)施中暴露出了圍巖松動(dòng)塌方，結(jié)構(gòu)裂縫多、初支變形過大、運(yùn)營(yíng)隧道滲漏水嚴(yán)重等問題。為了繼續(xù)發(fā)揮連拱隧道的優(yōu)點(diǎn)，盡量避免上述不良問題，工程界逐漸對(duì)無中導(dǎo)洞復(fù)墻式連拱隧道展開研究[3]。

1 工程概況

福州市區(qū)某道路穿越一小型山體，因洞口周邊環(huán)境限制，采用連拱隧道穿越。根據(jù)地質(zhì)資料，穿山段地質(zhì)基本為Ⅴ、Ⅳ級(jí)圍巖，隧道設(shè)計(jì)方案采用無中導(dǎo)洞開挖的復(fù)墻式連拱隧道結(jié)構(gòu)。隧道開挖跨度達(dá)到27.85m，高度為10.48m。其中埋深最深處為24.4m，處于Ⅳ級(jí)圍巖段，該位置為結(jié)構(gòu)受力最不利處，因此重點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬研究。圖1為Ⅳ級(jí)圍巖襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，初支混凝土采用C25早強(qiáng)混凝土；系統(tǒng)錨桿采用直徑25中空注漿錨桿，長(zhǎng)度3.5m，環(huán)向間距1.0m，縱向間距0.8m，呈梅花型布置；鋼支撐采用工16b型鋼鋼支撐，縱向間距為0.8m；在左右洞外側(cè)邊墻和中隔墻鋼支撐墻腳處每處設(shè)置鎖腳錨桿兩根，采用直徑22水泥藥卷錨桿，長(zhǎng)度3.5m；二襯為C35防水鋼筋混凝土，中墻采用非對(duì)稱設(shè)計(jì)，先行洞中墻厚1.17m，初支0.28m，后行洞中墻厚0.55m，合計(jì)2m。隧道Ⅳ級(jí)圍巖襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 Ⅳ級(jí)圍巖襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2 計(jì)算模型

計(jì)算采用FLAC 3D 5.0版有限元分析軟件，模擬隧道的施工過程，針對(duì)大跨度連拱隧道設(shè)計(jì)施工的關(guān)鍵點(diǎn)，分析隧道圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的位移場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的分布及變化。計(jì)算模型如圖2所示，各地層圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)取值如表1和表2所示。圍巖材料采用彈塑性本構(gòu)模型，破壞準(zhǔn)則選用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。初期支護(hù)、中隔壁臨時(shí)支護(hù)采用殼結(jié)構(gòu)單元模擬，二次襯砌采用帶襯砌參數(shù)的單元模擬，錨桿在計(jì)算中不作考慮。

圖2 計(jì)算模型

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)表

在計(jì)算過程中，分別取隧道縱向y=1m、6m、11m三個(gè)監(jiān)控?cái)嗝?，在每個(gè)監(jiān)控?cái)嗝嫔显O(shè)置A~I共9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)斷面上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布見圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

3 施工過程模擬

設(shè)計(jì)采用的Ⅳ級(jí)圍巖段連拱隧道施工工序[4]如圖4所示：開挖左側(cè)隧道右導(dǎo)洞上臺(tái)階→施作左側(cè)隧道右導(dǎo)洞上臺(tái)階初期支護(hù)、臨時(shí)中隔壁→開挖左側(cè)隧道右導(dǎo)洞下臺(tái)階→施作左側(cè)隧道右導(dǎo)洞下臺(tái)階初期支護(hù)、臨時(shí)中隔壁→開挖左側(cè)隧道左導(dǎo)洞上臺(tái)階→施作左側(cè)隧道左導(dǎo)洞上臺(tái)階初期支護(hù)→開挖左側(cè)隧道左導(dǎo)洞下臺(tái)階→施作左側(cè)隧道左導(dǎo)洞下臺(tái)階初期支護(hù)→拆除臨時(shí)中隔壁，澆筑二次襯砌。左側(cè)隧道施工完畢后，再進(jìn)行右側(cè)隧道的開挖，其施工工序和左側(cè)隧道的一樣。

圖4 Ⅳ級(jí)圍巖施工順序示意圖

在模擬施工的過程中，開挖一側(cè)導(dǎo)洞，上臺(tái)階超前下臺(tái)階5m；右導(dǎo)洞掌子面超前左導(dǎo)洞掌子面5m，每次的開挖步距取為1m；假設(shè)開挖完成后，初期支護(hù)、臨時(shí)中隔壁緊隨施作，在模擬中將開挖和初期支護(hù)的施作這兩個(gè)工序視為一個(gè)過程進(jìn)行。下圖5~8為部分工序圍巖的豎向位移云圖。

圖5 左側(cè)隧道左導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖5m，左側(cè)隧道右導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖10m時(shí)圍巖豎向位移云圖

圖6 左側(cè)隧道二次襯砌完成20m時(shí)圍巖豎向位移云圖

圖7 右側(cè)隧道右導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖5m時(shí)圍巖豎向位移云圖

圖8 右側(cè)隧道二次襯砌20m時(shí)圍巖豎向位移云圖

從上面各圖可以看出，隨著施工的進(jìn)行，圍巖的豎向位移在增大，先行洞（左側(cè)隧道）周邊圍巖的豎向位移一直大于后行洞（右側(cè)隧道）。通過對(duì)沉降曲線的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析表明，先行洞拱頂位置對(duì)應(yīng)的地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)G的沉降大于中墻中間處對(duì)應(yīng)的地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)H的沉降；在沉降曲線的后面部分，中墻中間處對(duì)應(yīng)的地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)H的沉降大于先行洞拱頂位置對(duì)應(yīng)的地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)G的沉降，說明后行洞開始開挖后，引起中墻上部圍巖產(chǎn)生過大的變形，導(dǎo)致其沉降超過先行洞拱頂周圍圍巖的沉降。后行洞拱頂位置對(duì)應(yīng)的地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)I的沉降一直在增大，其沉降值是三條曲線中最小的。

4 圍巖位移場(chǎng)分析

左洞開挖完成后圍巖的豎向位移云圖和水平位移云圖見圖9和圖10，右洞開挖完成后圍巖的豎向位移云圖和水平位移云圖見圖11和圖12。

圖9 左洞開挖完成后圍巖豎向位移云圖

圖10 右洞開挖完成后圍巖水平位移云圖

從圖9中可以看到，左洞開挖完成后，拱頂以上范圍內(nèi)的圍巖往下沉，最大沉降量為5.057mm；仰拱下方的圍巖發(fā)生隆起，最大隆起量為3.372mm。

從圖10中可以看到，左洞開挖完成后，拱頂周邊圍巖都有指向洞室內(nèi)的水平位移，最大水平位移發(fā)生在拱頂，最大水平位移為1.170mm；左邊拱腰的水平位移往左，即拱腰處的水平位移背離洞室內(nèi)，其水平位移數(shù)值為0.25~0.5mm；中墻的水平位移向左，位移大小為0.5~ 0.75mm，即中墻的水平位移指向洞室內(nèi)，這一點(diǎn)與曲邊墻不同，施工中要引起注意，建議加強(qiáng)中墻的初期支護(hù)。

圖11 右洞開挖完成后圍巖豎向位移云圖

圖12 右洞開挖完成后圍巖水平位移云圖

從圖11看到，右洞開挖完成后，拱頂以上范圍內(nèi)的圍巖往下沉，主要發(fā)生在中墻上方及其兩側(cè)，最大沉降量為6.56mm；仰拱下方的圍巖發(fā)生隆起，最大隆起量為3.63mm。在施工過程中要加強(qiáng)對(duì)中墻位移的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。

從圖12看到，右洞開挖完成后，拱頂周邊圍巖的水平位移都指向洞室內(nèi)，最大水平位移發(fā)生在拱頂上方，最大位移值為1.86mm；先行洞和后行洞拱腰處的水平位移大小相等，其數(shù)值為0.5~1mm，方向都背離洞內(nèi)。

5 圍巖應(yīng)力場(chǎng)分析

左洞開挖完成后圍巖的最大主應(yīng)力云圖和最小主應(yīng)力云圖見圖13和圖14，右洞開挖完成后圍巖的最大主應(yīng)力云圖和最小主應(yīng)力云圖見圖15和圖16。

圖13 左洞開挖完成后圍巖最大主應(yīng)力云圖

從圖13中可以看到，左洞開挖完成后，圍巖主要承受壓應(yīng)力；在拱頂、仰拱和中墻這三個(gè)位置局部承受拉應(yīng)力，拉應(yīng)力數(shù)值大約為0.1～0.2MPa；左側(cè)拱腰處承受較大的壓應(yīng)力，壓應(yīng)力為0.3～0.4MPa。

圖14 左洞開挖完成后圍巖最小主應(yīng)力云圖

從圖14中可以看到，左洞開挖完成后，圍巖主要承受壓應(yīng)力；在拱頂、仰拱處局部承受拉應(yīng)力，拉應(yīng)力數(shù)值大約為0.1～0.2MPa；左側(cè)拱腰處承受較大的壓應(yīng)力，壓應(yīng)力為1.0～1.5MPa。

圖15 右洞開挖完成后圍巖最大主應(yīng)力云圖

圖16 右洞開挖完成后圍巖最小主應(yīng)力云圖

從圖15和圖16可以看到，右洞開挖完成后，圍巖的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布情況和左洞開挖完后的基本相同。從圖中可以看到，中墻頂部、中墻基礎(chǔ)、曲墻周邊出現(xiàn)較大的壓應(yīng)力，拱頂和仰拱周邊的圍巖出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，施工中應(yīng)注意對(duì)這些位置的圍巖進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控和加固保護(hù)。

6 中墻受力分析

中墻最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力云圖如圖17和圖18所示。從最大主應(yīng)力云圖可以看到，左中墻承受壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為0.418MPa；右中墻承受拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.668MPa。從最小主應(yīng)力云圖可以看到中墻主要承受壓應(yīng)力，左中墻靠先行洞（左側(cè)隧道）內(nèi)側(cè)處的壓應(yīng)力值最大，為5.55MPa，遠(yuǎn)離先行洞（左側(cè)隧道），左中墻壓應(yīng)力減小，最小值約為2.5MPa；右中墻承受的壓應(yīng)力比較小，為0.5～1.0 MPa。

C35砼的極限抗壓強(qiáng)度為36.5MPa；C35砼的極限抗拉強(qiáng)度為2.2MPa。中墻抗壓強(qiáng)度的安全系數(shù)為6.58＞2.4，安全系數(shù)滿足規(guī)范要求；抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)為5.23＞3.6，安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

圖17 中墻最大主應(yīng)力圖

圖18 中墻最小主應(yīng)力圖

7 結(jié)論

（1）先行洞拱頂位置對(duì)應(yīng)的地表沉降大于中墻中間處對(duì)應(yīng)的地表沉降，后行洞開始開挖后，會(huì)引起中墻上部圍巖產(chǎn)生過大的變形，導(dǎo)致中墻中間處對(duì)應(yīng)的地表沉降要大于先行洞拱頂位置對(duì)應(yīng)的地表沉降。后行洞拱頂位置對(duì)應(yīng)的地表沉降一直在增大。

（2）左洞開挖完成后，拱頂以上范圍內(nèi)的圍巖往下沉，仰拱下方的圍巖發(fā)生隆起；拱頂周邊圍巖都有指向洞室內(nèi)的水平位移；左邊拱腰的水平位移往左，即拱腰處的水平位移背離洞室內(nèi)，中墻處水平位移向左，即中墻的水平位移指向洞室內(nèi)，設(shè)計(jì)及施工中須加強(qiáng)中墻的初期支護(hù)。

（3）右洞開挖完成后，拱頂以上范圍內(nèi)的圍巖往下沉，仰拱下方的圍巖發(fā)生隆起，在施工過程中要加強(qiáng)對(duì)中墻位移的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理；最大水平位移發(fā)生在拱頂上方，拱頂周邊圍巖的水平位移都指向洞室內(nèi)，先行洞和后行洞拱腰處的水平位移大小相等，方向都背離洞室內(nèi)。

（4）設(shè)計(jì)的非對(duì)稱性中墻厚度抗壓強(qiáng)度安全系數(shù)和抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)都滿足規(guī)范要求。

[1]陳七林.城市連拱隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)[J].福建建筑，2011（5）∶103-105.

[2]遲建平，逢萍.小洋山大跨度雙連拱隧道中墻優(yōu)化及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[J].橋隧工程，2007（10）∶314-315.

[3]賴金星，謝永利，李寧軍.無中導(dǎo)洞施工雙連拱隧道的數(shù)值模擬分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2006（3）∶68-71.

[4]張國(guó)慶.無中墻連拱隧道結(jié)構(gòu)研究[D].重慶∶重慶交通大學(xué)，2010：69-81.