偏压情况下连拱隧道施工顺序的数值分析

李苗，徐霞飞，付贵海

偏压情况下连拱隧道施工顺序的数值分析

李苗1，徐霞飞2，付贵海1

(1.湖南城市学院土木工程学院，湖南益阳413000；2.湖南省武靖高速公路建设开发有限公司，湖南邵阳422400)

采用有限元法数值模拟云南思小高速公路的双连拱隧道中导洞施工法分步开挖过程，研究双连拱隧道在偏压作用下施工过程的力学行为．通过动态数值模拟，得到隧洞在不同开挖顺序下围岩的应力变化和塑性区的发展范围以及中隔墙、衬砌的应力情况；对比分析不同施工方案各关键工序的模拟结果，并从应力转移的角度分析洞室开挖的影响，得到偏压作用下连拱隧道施工顺序的优选方案．

偏压连拱隧道；施工顺序；应力转移；数值分析

上世纪30年代开始了连拱隧道的建设，70年代得到较大发展．与分离式独立隧道相比，其优势在于[1]：节省引线占地，改善公路线形，地形受限小；结构跨度大、整体性好；综合造价较独立隧道低．目前，连拱隧道的设计与施工均达到较高水平．德国Wuerzburg隧道长达5 100 m[2]，1974年日本首次修建伊祖双连拱隧道[3]．于上世纪90年代，我国陆续采用连拱隧道方案，在云南、湖南、福建和广东等省份修建公路连拱隧道达几十座[4]，已建和在建的总数已位居世界之首[5]．我国双连拱隧道的基本特征是浅埋中短长度，80%以上埋深在30 m内，与欧美的情况较接近[6-8]，较日本略大，一般不超过60 m[7]．连拱隧道相对分离式隧道结构复杂，开挖断面增大，开挖、支护交错进行，施工中体系需多次转换，隧道围岩应力变化复杂．目前连拱隧道可供借鉴的施工经验较少，缺乏完整适用的设计施工方法，相应的研究少，导致设计与施工具有较大的盲目性．我国连拱隧道多采用三导洞施工法，该方法施工工序复杂．中导洞施工法施工工序相对较少，但要求地质条件较好，对隧道围岩影响也较大，制约了其推广．因此，有必要对围岩及支护结构在中导洞施工法不同开挖顺序下的受力情况进行分析，为连拱隧道的设计施工提供科学依据．

依据云南思小高速公路连拱隧道设计资料，进行二维有限元建模．数值模拟不同开挖方案下双连拱隧道洞室的施工过程，分析隧道围岩应力情况、塑性区发展以及中隔墙与衬砌的应力状况．

1 计算模型

1.1模型建立

选取典型断面进行数值分析，模型处于偏压状态，左洞为埋深较深一侧，左洞最大埋深为40 m，如图1所示．围岩、中隔墙与衬砌均使用等参平面四边形单元，锚杆为二维杆单元，整个连拱隧道有限元模型共划分3 466个单元．断面顶面为地表，即自由面；断面两侧(左右边界)采用水平约束，底部计算边界采用竖向约束．隧道有限元模型以及支护结构有限元模型如图2、3所示．

图1 计算模型示意图

图2 连拱隧道有限元模型

图3 支护结构有限元模型

1.2模型假定

①所有材料均质连续，且各向同性；

②岩体不考虑构造应力影响，初始应力场仅由自重形成；

③按平面应变问题分析，不考虑空间效应；④不考虑变形时效性[9]．

1.3围岩与支护材料

基于隧道设计资料与《公路隧道设计规范》对材料的物理力学指标加以选取，如表1所示．

1.4材料屈服准则

选取DP(Drucker-Prager)材料屈服准则进行围岩应力分析，该准则对Von Mises屈服准则进行了修正，考虑了静水压力因素对岩土屈服的影响．Drucker-Prager准则表达式如下．

式中I1为应力张量第一不变量，J2为应力偏张量第二不变量，表达式分别为：

1s、2s、3s分别为第一、第二及第三主应力；a、k都是与岩土内摩擦角j、粘聚力c相关的参数，

表1 材料参数

1.5连拱隧道施工顺序的模拟分析方案

本次计算根据隧道左右洞不同的开挖顺序(其中左洞为埋深较深一侧)，模拟了三种不同的中导洞法施工过程，方案分类如表2所示．针对不同方案，分别进行数值计算，详细分析关键工序下洞室围岩应力场的变化以及支护结构的受力情况，然后对各施工方案进行讨论，得到较合理的开挖顺序．

表2 开挖方案及关键工序说明

2 结果分析

对比分析不同开挖方案各关键工序的计算结果，分析数据的选取应遵循：(一)反映洞室断面开挖后围岩、中隔墙与衬砌等支护结构的应力突变；(二)反映围岩、中隔墙与衬砌等在各阶段的最不利受力情况．因此，选取各洞室断面开挖后支护阶段的数据进行对比分析．

计算初始地应力，如图4、5所示，围岩1s为-1.04 MPa～3.47 KPa，3s为-2.64 MPa～-0.03 MPa，地表为受拉状态．

图4 原岩应力1s

图5 原岩应力3s

对比三种开挖方案的围岩应力值，拉应力（图6）最大是方案二右洞室先开挖，方案三两侧洞室同时开挖次之，方案一左洞室先开挖的拉应力最小；围岩压应力值(图7)最大的开挖方案是两洞室同时开挖，最小的方案是先开挖左洞室．综合以上分析结果，方案一左洞室先开挖的方案有利于控制围岩拉、压应力最大值；也说明从围岩的稳定角度考虑，采取埋深较大一侧洞室先开挖的方案更有利．各开挖方案施工过程中应力最值出现的位置见表3．

表3 施工过程中围岩应力最值的位置

图6 围岩max1s

图7 围岩min3s

图8 围岩最大塑性应变

表4 洞室顶拱最终沉降(mm)

各方案的围岩顶拱最终沉降计算结果如表4所示，沉降值由大到小排序依次是：方案三(两侧洞室同时开挖)、方案二(右洞室先开挖)、方案一(左洞室先开挖)．因此，采取先开挖左洞室的方案对控制洞室顶拱沉降更合适．

洞室围岩的塑性应变变化如图8所示，洞室上台阶开挖后，方案三的塑性应变增幅最大，方案一的围岩塑性应变较为稳定，采用方案二的围岩塑性应变增幅较大．对比各方案的最终塑性应变值，先施工左洞室的方案最优，先施工右洞室为最不利方案．各开挖方案施工过程中围岩最大塑性应变区位置如表5所示．

表5 施工过程中围岩最大塑性应变区的位置

对比各方案初次衬砌的应力变化如图9、10所示，先施工左洞室，初衬拉应力最小．左右洞室同时开挖，初衬压应力最小．考虑到施作二衬前初衬对洞室的稳定作用，为防止初衬受拉开裂，宜选择先开挖左洞室的方案．各开挖方案施工过程中初衬应力最值的位置如表6所示．

图9 初次衬砌1maxs

图10 初次衬砌3mins

表6 施工过程中初衬应力最值的位置

对比分析各方案二次衬砌的应力，如图11、12所示，方案三的二衬应力很小，表明刚施作完的二衬未发挥承载能力，故不参与比较．采用先施工左洞室方案，二衬的应力较先施工右洞室方案大，但仍满足强度要求．各开挖方案施工过程中二衬应力最值的位置见表7．

图11 二次衬砌1maxs

图12 二次衬砌3mins

对比各方案中隔墙的应力值如图13、14所示，先开挖左洞室中隔墙拉应力最大，左右洞室同时开挖次之．采用先开挖右洞室的方案应力最小，因此更有利于控制墙体的最大应力．中隔墙应力最值位置如表8所示．

表7 施工过程中二衬应力最值的位置

图13 中隔墙max1s

图14 中隔墙min3s

表8 施工过程中中隔墙应力最值的位置

3 应力转移的影响

对地下工程进行开挖后，为抵抗不均匀变形，岩体会自我调节，形成压力拱这一现象．若将围岩视作结构，岩体处于压力拱中，且承担自重及围岩以上的荷载，并阻止上方岩体的坍塌，具有拱的力学特征[10]．洞室的开挖使得拱体自重及其上部荷载的传递会发生路线偏离(向洞室两侧)，即形成应力转移[11]，产生应力集中的区域，如图15所示．由图16、17所示，较大的压应力区出现在已开挖洞室埋深较大的一侧(左侧)，与应力转移的结果相符．

图15 应力转移示意图

图16 开挖左洞后的围岩3s

图17 开挖右洞后的围岩3s

比较两侧洞室在方案一、二开挖顺序下的计算结果，先开挖浅埋深一侧洞室会使得洞室左侧形成较大的地应力区域．下一步开挖深埋深洞室时，较大的地应力对施工是个不利因素，甚至会产生“岩爆”的现象．反之，先开挖深埋深洞室，后开挖浅埋深洞室，则避免了施工过程中大地应力区域的形成，如图17所示．所以，考虑应力转移带来的影响，在偏压条件下，较好的开挖方案是先开挖埋深较深的洞室．

4 结论

依托云南省思小高速公路双连拱隧道工程，对连拱隧道开挖顺序进行数值模拟分析，并结合应力转移分析，得出以下结论．

(1)先开挖埋深较深一侧洞室后开挖埋深较浅一侧洞室，对于围岩稳定、拱顶沉降、塑性应变、初支结构受力具有较好效果，采用先浅埋深洞室后深埋深洞的开挖顺序，有利于二衬结构和中隔墙的受力．

(2)根据围岩、中隔墙以及衬砌的主应力最值计算结果，可知结构易发生破坏的位置．

围岩：仰拱底部、顶拱与中导洞交汇处与中导洞墙脚处；中隔墙：与初衬交接处、底座两端；初次衬砌：上半断面初衬拱顶、上下半断面初衬交接内、外侧，即交接处存在主应力差值最大值；二次衬砌：中隔墙与二衬顶拱、仰拱交接处，二衬顶拱、仰拱内侧．

(3)综合考虑数值模拟分析结果，并结合应力转移原理，连拱隧道施工的优选方案为先开挖深埋深的洞室，后开挖浅埋深的洞室．

[1]王军.连拱隧道施工过程的力学分析[D].同济大学,2003.

[2]朱汉华,傅鹤林,潘明军,范臻辉.公路连体隧道的设计与施工[J].中国铁道科学,2003(8):96-100.

[3]陈秋南,张永兴,刘新荣,包太.连拱隧道的设计理论与动态施工力学研究[J].地下空间与工程学报,2005(2):156-160.

[4]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京:人民交通出版社, 2003.

[5]林刚.连拱公路隧道的合理施工方法研究[D].西南交通大学, 2002.

[6]何川,林刚,张志强,等.连拱隧道的主要修建技术问题和对策[J].现代隧道技术,2002(39):265-269.

[7]刘洪州,黄伦海.连拱隧道设计施工技术研究现状[J].西部探矿工程,2001(1):54-55.

[8]马万权,程崇国.关于连拱隧道建设技术问题的思考[J].公路, 2003(10):29-32.

[9]谢康和,周键.岩土工程有限元分析理论与应用[M].北京:科学出版社,2002.

[10]梁晓丹,刘刚,赵坚.地下工程压力拱拱体的确定与成拱分析[J].河海大学学报(自然科学版),2005,33(3):314-317.

[11]郑西贵,李学华,赵立新,吕卫东.巷外掘巷保护巷道的应力转移技术[J].矿山压力与顶板管理,2005(4):46-47.

(责任编校：陈智全)

Numerical Simulation Study on Construction Process of Partial Pressure in JointArch Tunnel

LI Miao1,XU Xia-fei2,FU Gui-hai1
(1.College of Civil Engineering,Hunan City University,Yiyang,Hunan 413000,China;2.Wugang Jingzhou Highway Construction and Development Co.,Ltd.,Shaoyang,Hunan 422400,China)

Advancing middle drift construction process of Si-xiao joint arch tunnel in Yunnan is simulated with FEM,and then the structural mechanics behavior in joint arch tunnel construction under partial pressure is studied.The results under different excavation sequences which are the surrounding rock stress variation,plastic area development,stress of tunnel’s mid-partition and lining are got through dynamic numerical simulation.By means of comparatively analyzing simulation results on key steps of various construction schemes and stress transfer effect on tunnel excavation,optimized construction scheme of partial pressure joint arch tunnel finally is obtained.

partial pressure joint arch tunnel;construction process;stress transfer;numerical simulation

TU455

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2015.01.001

1672–7304(2015)01–0001–06

2015-01-10

湖南省教育厅一般科技计划资助项目(14C0214)；湖南省教育厅青年科技资助项目(13B010)

李苗(1980-)，男，汉族，湖南益阳人，讲师，主要从事桥梁健康监测及损伤识别的研究．