王佳欣， 陳振邦， 徐 燕

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026； 2.鎮(zhèn)江新區(qū)管委會(huì)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

連拱隧道因具有占地面積小、空間利用率高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于地形狹窄地段。非對(duì)稱連拱公路隧道作為一種復(fù)雜的連拱隧道結(jié)構(gòu)型式，雖然數(shù)量不多，但已有相關(guān)研究。汪海濱[1]等結(jié)合實(shí)例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反分析，利用模擬試驗(yàn)，對(duì)非對(duì)稱開挖后位移變化進(jìn)行研究；朱合華[2]等利用平面有限元方法對(duì)非對(duì)稱連拱隧道進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究其在施工過程中的應(yīng)力應(yīng)變情況；于海洋[3]等利用有限元軟件對(duì)非對(duì)稱連拱隧道施工方法、加固效果進(jìn)行了二維數(shù)值模擬分析，揭示了施工過程中不同施工方法和注漿措施對(duì)隧道周邊變形和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響；胡學(xué)兵[4]等結(jié)合具體實(shí)例，對(duì)非對(duì)稱隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)機(jī)理進(jìn)行研究；陳秋男[5]等對(duì)中國(guó)公路連拱隧道的設(shè)計(jì)、施工研究作了一些綜述；翁其能[6]等用三維軟件對(duì)雙連拱隧道開挖進(jìn)行仿真模擬分析。

受線路位置和地形條件的限制，非對(duì)稱連拱隧道的修筑將不可避免地穿越偏壓地形，偏壓地形條件下非對(duì)稱連拱隧道具有幾何不對(duì)稱、結(jié)構(gòu)不對(duì)稱和左右荷載不對(duì)稱等復(fù)雜的力學(xué)特征[7-8]，目前對(duì)偏壓條件下連拱隧道非對(duì)稱支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征研究較少。非對(duì)稱連拱隧道兩個(gè)洞徑大小不一，在偏壓隧道中就出現(xiàn)2種情況：一種是小洞徑處于埋深小的一側(cè)(下文簡(jiǎn)稱“工況1”)，一種是小洞徑隧道處于埋深大的一側(cè)(下文簡(jiǎn)稱“工況2”)，本文針對(duì)偏壓狀態(tài)下的非對(duì)稱連拱隧道兩種工況，進(jìn)行圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)受力和變形有限元數(shù)值模擬，研究?jī)煞N工況下圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)受力及變形特征，從而為隧道的設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

1 模型建立及參數(shù)設(shè)定

采用平面應(yīng)變模型，巖體為理想彈塑性材料，僅考慮自重應(yīng)力的作用。小隧道洞寬11.368 m，洞高7.848 m，大隧道洞寬14.21 m，洞高9.81 m?？紤]隧道開挖的影響范圍大于3倍洞跨，隧道底邊距模型下邊界42 m，隧道兩側(cè)距模型左右邊界各取42 m。偏壓坡度比為1∶2，最小覆蓋層厚度為12 m，屬于淺埋偏壓隧道(圖1、圖2)。本模型左、右和下部邊界均施加法向約束，上部為自由邊界[9]，隧道采取全斷面開挖形式。

圖1工況1隧道網(wǎng)格模型圖2工況2隧道網(wǎng)格模型

隧道圍巖選取Ⅴ級(jí)圍巖，其圍巖彈性模量、泊松比、重度、內(nèi)摩擦角以及粘聚力根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)表A.0.4-1Ⅴ級(jí)圍巖指標(biāo)值確定，錨桿的加固效果采用提高圍巖的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬，具體方法為將錨桿加固范圍的圍巖等級(jí)提高一級(jí)[10]，加固厚度為1.1 m，襯砌結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土材料，厚度為40 cm(表1)。

表1 圍巖和襯砌物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模擬分析

利用ANSYS軟件分別對(duì)圖1和圖2所示隧道進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，分析其開挖支護(hù)后圍巖總位移、圍巖主應(yīng)力值及襯砌內(nèi)力。

2.1 圍巖總位移分析

圖3、圖4表示隧道經(jīng)全開挖后圍巖的總位移情況。圖3所示圍巖最大位移為113.12 mm，圖4所示圍巖最大位移為112.89 mm，兩種工況位移量都很小，且相差不大。

2.2 圍巖主應(yīng)力

為描述不同偏壓條件下隧道洞室的穩(wěn)定性和襯砌結(jié)構(gòu)的受力變化特性，引入偏壓系數(shù)λ。偏壓系數(shù)計(jì)算公式為：

圖3 工況1總位移(單位：m)

圖4 工況2總位移(單位：m)

(1)

式中：σ左、σ右——分別為左側(cè)、右側(cè)特征點(diǎn)圍巖應(yīng)力值，kPa；σ0——平均圍巖應(yīng)力值，kPa。

通過軟件模擬分析，得到各個(gè)特征點(diǎn)圍巖的最大、最小主應(yīng)力值。根據(jù)得到的最大、最小主應(yīng)力值，通過式(1)計(jì)算出偏壓系數(shù)，其數(shù)值如表2、表3所示。表中主應(yīng)力正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力。

表2 各特征點(diǎn)圍巖最小主應(yīng)力

表3 各特征點(diǎn)圍巖最大主應(yīng)力

分析表2、表3可知：

(1)從最大、最小主應(yīng)力可以看出，不管是工況1還是工況2所示隧道，其淺埋一側(cè)的隧道在拱腰、拱腳處應(yīng)力值要小于深埋一側(cè)的隧道應(yīng)力值，但是拱頂處淺埋一側(cè)應(yīng)力值大于深埋一側(cè)，這是因?yàn)殚_挖前后地層遭到擾動(dòng)，此時(shí)主要以應(yīng)力釋放和沉降變形為主，隨著變形增大，深埋側(cè)地表開始出現(xiàn)拉應(yīng)力，應(yīng)力增大，拱頂上部淺埋地層會(huì)出現(xiàn)拉裂破壞。顯然在本例中只在深埋側(cè)地段出現(xiàn)了拉應(yīng)力，抵消了一部分壓應(yīng)力，故深埋段拱頂壓應(yīng)力小于淺埋段拱頂壓應(yīng)力。

(2)從偏壓系數(shù)的角度出發(fā)，工況1出現(xiàn)的偏壓系數(shù)數(shù)值大普遍大于工況2，說明工況1的隧道圍巖受力更不均勻。

2.3 襯砌內(nèi)力

襯砌彎矩圖和軸力圖見圖5～圖8。

圖5 工況1彎矩圖(單位:kN·m)

圖6 工況2彎矩圖(單位:kN·m)

圖7 工況1軸力圖(單位:kN)

圖8 工況2軸力圖(單位:kN)

分析圖5～圖8可知:

(1)從彎矩圖可以看出，2種工況拱腳兩側(cè)彎矩值較大，且深埋一側(cè)彎矩值達(dá)到最大。所以應(yīng)加強(qiáng)拱腳的剛度，比如設(shè)置鎖腳旋噴樁。

(2)從軸力圖可以看出，深埋一側(cè)拱腳處軸力值達(dá)到最大，拱底處出現(xiàn)拉應(yīng)力。

3 結(jié)論

(1)非對(duì)稱連拱隧道在偏壓狀態(tài)下受力復(fù)雜，不同于一般的隧道。圍巖、襯砌內(nèi)力處于非對(duì)稱狀態(tài)，且在同一個(gè)非對(duì)稱連拱隧道中，大洞徑隧道所受內(nèi)力明顯大于小洞徑隧道，這是由于圍巖受到擾動(dòng)，圍巖壓力發(fā)生重分布，隧道圍巖、襯砌內(nèi)力也隨之變化，大洞徑隧道所受擾動(dòng)大，圍巖釋放的應(yīng)力大，所以其內(nèi)力值就更大。

(2)綜合分析圍巖應(yīng)力、襯砌內(nèi)力，對(duì)比非對(duì)稱連拱隧道的兩種方案結(jié)果，可以得出這樣一個(gè)結(jié)論:在偏壓狀態(tài)下，非對(duì)稱連拱隧道中的小隧道應(yīng)設(shè)計(jì)在埋深大的一側(cè)。這樣設(shè)計(jì)一方面可以減小由于偏壓效應(yīng)所導(dǎo)致的剪切破壞，另一方面可以減小壓應(yīng)力對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的破壞。

(3)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)圍巖受力不利的一側(cè)適當(dāng)加強(qiáng)支護(hù)，對(duì)圍巖受力較好的一側(cè)適當(dāng)減小支護(hù)，即進(jìn)行非對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

[1] 汪海濱,李小春,高波,等.城市淺埋大跨連拱隧道非對(duì)稱開挖地表沉降偏態(tài)性研究及其對(duì)策[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(S1):3203-3209.

[2] 王亞瓊,張少兵,謝永利,等.淺埋偏壓連拱隧道非對(duì)稱支護(hù)結(jié)構(gòu)受力性狀分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(S1):3265-3272.

[3] 朱合華,葉斌.大跨度非對(duì)稱連拱隧道施工力學(xué)研究[C]// 中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì).巖石力學(xué)新進(jìn)展與西部開發(fā)中的巖土工程問題：中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)第七次學(xué)術(shù)大會(huì)論文集.2002.

[4] 胡學(xué)兵,肖博,吳勝忠.非對(duì)稱連拱隧道設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J].公路交通技術(shù),2013,(1):91-96.

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[6] 翁其能,袁勇,杜國(guó)平,等.雙連拱隧道開挖整體性態(tài)三維數(shù)值仿真分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2006,2(1):96-100.

[7] 柳雁玲,佴磊,劉永平.和龍沿江公路傍山隧道偏壓特征分析[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版,2006,36(2):240-244.

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