黃土淺埋偏壓連拱隧道合理中隔墻厚度研究

黃土淺埋偏壓連拱隧道合理中隔墻厚度研究摘

要

大跨連拱隧道與洞外線路平面接線及洞口位置選擇上的靈活性，使得一些中短隧道往往采用雙連拱隧道結構形式，但在設計方面的中隔墻厚度的確定是憑經驗得出的。結合我國第一條黃土連拱隧道，通過連拱隧道施工過程數(shù)值分析，得出了中隔墻受力最不利的工況。通過不同厚度中隔墻的連拱隧道在最不利工況下的受力狀態(tài)分析，得到了中隔墻的合理厚度。關鍵詞

隧道

連拱隧道

有限元

中隔墻

1前言

大跨連拱隧道與洞外線路平面接線及洞口位置的選擇上的靈活性，使得一些中短隧道往往采用雙連拱隧道結構形式。但是連拱隧道作為一種較新的隧道形式，無論從設計角度，還是從施工角度而言，其結構的受力狀況都十分復雜。連拱隧道的研究引起了許多科研與設計單位的重視。五龍嶺隧道為京珠高速公路粵境南段的一座雙連拱隧道，它位于廣東省翁源縣新江鎮(zhèn)塘心村南面洋河河谷南側，整個隧道處于斷層擠壓帶內，近正交方向穿越五龍嶺山脊。一側山勢較高，另一側山勢較低，形成明顯的自然偏壓。主要工程措施：a．合理控制三個導洞開挖作業(yè)之間的距離。b．合理控制左、右線正洞開挖作業(yè)面之間的距離。c．控制正洞開挖作業(yè)面與襯砌作業(yè)面之間的距離。d．偏壓的控制：為防止左右洞開挖造成中墻受力不均，而產生附加彎矩，施工時中墻兩側采用回填土及回填C1O混凝土來達到控制偏壓的目的，以抵抗施工過程中的不平衡推力，中墻頂由于變形大，施工困難，采用了噴混凝土充填密實。云南元江至磨黑高速公路全長147km。全線設隧道23座，共計13km，占線路總長的9％；其中連拱隧道15座，占隧道總長的27％。從云南省連拱隧道的建設經驗看，中隔墻的裂縫主要是由于施工引起的偏壓荷載導致的，在二次襯砌成閉合結構后，中隔墻主要受壓，而混凝土的抗壓強度是足夠的。因而解決中隔墻開裂的關鍵在于施工時及時加設臨時支撐以平衡施工階段的偏載。蓮花山隧道全長為400m，為雙向雙車道連拱隧道。隧道的單拱截面跨度為11.7m，連拱全斷面的開挖跨度達23.4m，截面開挖高度為8.17m，高跨比僅為1：2.86。由于該工程圍巖非常好，所采用的左右洞全斷面平行掘進中隔墻巖柱跳槽式開挖的設計方案與常用的臺階式隧道開挖方案相比，具有明顯的技術經濟優(yōu)勢。雖然我國在連拱隧道的理論與實踐中取得了長足的進步，但在設計方面有一些因素是憑經驗得出的，如中隔墻的合理厚度。下面將結合我國第一條黃土連拱隧道來研究中隔墻的合理厚度。

青島至銀川國道主干線山西省汾陽-離石高速公路離石隧道，為二車道黃土連拱公路隧道(圖1)。隧道全長180m，隧道圍巖地層為第四系中更新統(tǒng)離石組黃土(Q2)，夾含零星姜石或姜石薄層，具柱狀節(jié)理。隧道在施工中發(fā)現(xiàn)隧道大部分段落有偏壓現(xiàn)象。該工程土質較差，估計兩洞同時開挖，中隔墻無法確保穩(wěn)定，決定采用三導洞法進行施工。該隧道是我國第一條黃土連拱隧道，沒有可以借鑒的經驗。擬結合該工程實際，研究黃土連拱隧道的合理中隔墻厚度。隧道支護設計參數(shù)為：a．初期支護采用25cm厚的25號噴射混凝土，錨桿為長3.5m，鋼筋直徑22mm，間距為@100×100，采用梅花形布置；為保證初期支護盡早承載，使用20a工字鋼支護,縱向間距80cm，同時還有超前支護；b．中隔墻為25號鋼筋混凝土；c．仰拱為25cm厚的25號噴射混凝土及45cm厚的25號鋼筋混凝土；d．二次襯砌為45cm厚的25號鋼筋混凝。

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本構模型與計算方法

土體與混凝土材料采用彈塑性分析。實驗和工程實踐已證實，摩爾-庫侖屈服準則能較好地描述土壤、巖石等材料的破壞行為，在巖土工程領域得到了廣泛的應用。ANSYS程序中的Drucker-Prager理想彈塑性模型的屈服準則為摩爾—庫侖外接圓D-P屈服準則，直接采用該準則進行工程計算是偏于危險的。對于本次研究的二維平面應變問題，圍巖和混凝土襯砌采用平面應變條件下與摩爾—庫侖等效的D-P準則。錨桿采用線彈性模型，各種材料的力學參數(shù)如表1所示。

計算采用的軟件為美國ANSYS公司的大型有限元計算軟件ANSYS，采用平面應變彈塑性數(shù)值模擬。圍巖(黃土)采用6節(jié)點三角形單元PLANE2模擬，初次支護噴射的25cm混凝土采用梁單元模擬，其厚度在實常數(shù)中輸入，二次襯砌結構采用三角形平面單元PLANE2模擬，中隔墻采用三角形平面單元PLANE2模擬，錨桿單元采用梁單元beam3模擬。

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施工步驟與中隔墻的應力狀態(tài)變化

隧道計算斷面如圖2所示。各施工步驟的數(shù)值模擬結果簡介如下：第1步，中導坑開挖，施作臨時支護，噴射25號混凝土；第2步，澆筑連拱隧道中隔墻，從中隔墻的塑性區(qū)分布看出，中隔墻沒有塑性區(qū)，還處于彈性狀態(tài)；第3步，左洞左側導洞開挖，導洞進行初期支護，此時中隔墻受力不對稱；第4步，左洞上半斷面開挖，左洞上半斷面施作初期支護，此時：中隔墻右側出現(xiàn)塑性區(qū)，另外左下腳處由于應力集中，此處也出現(xiàn)塑性區(qū)；第6步，左洞下半斷面開挖，由錨桿的軸力分布可以看出，左洞左下側錨桿受力較大—，第6步引起的位移變化不大，由于左側隧道的開挖，引起中。隔墻發(fā)生偏轉；第7步，左洞施作二次襯砌和仰拱，左側隧洞二次襯砌施工后，中隔墻的塑性區(qū)大大減小；第8步，右洞右側導洞開挖，進行初期支護；第9步，右洞上半斷面開挖，右洞上半斷面施作初期支護；第10步，右洞下半斷面開挖；第11步，右洞施作二次襯砌和仰拱。隨著左右隧洞二次襯砌的實施，中隔墻受力狀況得到改善，塑性區(qū)基本消失。

從上述分析可知，施工過程中中隔墻受力最不利的工況是左洞開挖，二次襯砌還沒有施工的時候，此時因為沒有二次襯砌的支護，正洞僅僅有初期支護，中隔墻受偏壓。下面將通過不同厚度中隔墻的連拱隧道在最不利工況下的受力狀態(tài)分析，來探討中隔墻的合理厚度。根據本隧道設計，最不利工況下，中隔墻厚度不包含兩洞襯砌厚度(0.9m)。

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計算依據

關于合理中隔墻厚度的研究未見報道，存在一個確定中隔墻厚度的標準問題。在采礦領域的采煤方法研究中，存在一個預留煤柱尺寸的確定問題。煤柱屈服區(qū)寬度計算是煤柱穩(wěn)定性分析中盼—項重要內容，國內外采礦界對此歷來極為關注，先后提出了一系列理論公式。這些理論都是以“煤柱可分為屈服區(qū)和核區(qū)兩部分，核區(qū)受屈服區(qū)約束”這一事實為根據的，均有各自的合理成分和應用條件。Obert．Salamon和Wilson經過大量的理論研究和實例分析，各自提出了自己的計算方程以及主要結論，但在大采出率條件下(大采出率是指工作面長度較大，相對工作面兩側所留煤柱寬度較小而言)，其計算結果誤差偏大。Obert．Salmon和Wilson是在分析煤柱強度的基礎上，推導出煤柱寬度方程。他們認為，煤柱的強度是支撐上覆巖層的承載能力，亦即，煤柱的破壞是由于上覆巖層重力作用所致。但是，在大采出率條件下，煤柱受力不僅僅是覆巖自重，而由于開采條件變化出現(xiàn)了附加力。隨著巖土塑性理論與計算機模擬技術的發(fā)展，對合理煤柱寬度的研究具有極大的推動作用。因為它可以考慮復雜的地質、地形、地貌情況及復雜的開采工藝。經過這么多年的計算機模擬結果與現(xiàn)場實況對比，認為合理的煤柱寬度應為最不利受力狀態(tài)下煤柱的塑性區(qū)面積達到煤柱面積的70％。顯然最不利的受力狀態(tài)為煤柱間煤層都開挖后的應力狀態(tài)。

應該說煤柱寬度的計算與最小中隔墻厚度的計算有類似的之處。煤柱在于確保煤炭開挖時的安全，一旦煤炭采過一段距離后；煤柱失效是容許的。也就是說煤柱只要確保臨時的穩(wěn)定，不需要確保永久安全。對于連拱隧道的中隔墻也是這樣：最不安全的應力狀態(tài)在施工過程中，即一側洞子開挖完畢，二襯還沒有砌筑的時候；一旦隧道二次襯砌完成后，中隔墻的應力狀態(tài)就大為改善，塑性區(qū)基本消失；也就是說中隔墻只需確保施工期間的穩(wěn)定即可。鑒于此，筆者認為中隔墻合理厚度的計算與煤柱合理寬度的計算原理是一致的，即取中隔墻最不利受力狀態(tài)下的塑性區(qū)寬度達到中隔墻寬度的70％。

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不同厚度中隔墻數(shù)值模擬結果分析

中隔墻厚度(不包括二襯的厚度，下同)為0.9m的最不利工況的計算模型(局部放大)如圖3，數(shù)值模擬結果中的中隔墻塑性區(qū)分布如圖4所示，其塑性區(qū)已經貫通，可以認為，此時中隔墻已經處于不穩(wěn)定狀態(tài)，不能滿足工程要求。中隔墻厚度為1.5m時，中隔墻中部塑性區(qū)也貫通，也不能滿足工程要。中隔墻厚度為1.8m時，中隔墻中部塑性區(qū)幾乎貫通，受力很不合理。中隔墻厚度為2.1m時，中隔墻中部塑性區(qū)(圖5)沒有貫通，但是面積約占中部寬度的70％。當中隔墻厚度為2.4m時，中隔墻中部塑性區(qū)沒有貫通，塑性區(qū)約占中隔墻寬度的60％。當中隔墻厚度為2.7m時，中隔墻中部塑性區(qū)(圖6)約占中隔墻寬度的45％。

通過分別對中隔墻厚度為0.9m、1.5m、1.8m、2.1m、2.4m、2.7m的隧道進行數(shù)值模擬，結果表明中隔墻受力最不利階段的塑性區(qū)主要出現(xiàn)在中部寬度最小處，中隔墻厚度在小于l.8m時，中隔墻中部的塑性區(qū)已經貫通。當中隔墻厚度為2.1m時，中隔墻中部塑性寬度達到中部總寬度的70％左右，隨著中隔墻厚度的增加，塑性區(qū)逐漸減小。當中隔墻厚度為2.4m時，中隔墻中部塑性區(qū)寬度達到總寬度的60％左右;當中隔墻厚度為17m時，中隔墻中部塑性區(qū)寬度達到總寬度的45％左右。根據前面的分析，為保證施工階段的臨時穩(wěn)定，塑性區(qū)范圍應控制在70％以內，我們認為對于本次計算的黃土淺埋偏壓隧道的最小中隔墻厚度控制在2.1m較為合適。加上二次襯砌的厚度，中隔墻的厚度應為3m。

最不利受力應力狀態(tài)下，中隔墻左側底部尖角處均出現(xiàn)應力集中。二次襯砌施工完畢后，中隔墻厚度增加O.9m，曲墻底部的尖角應力集中也不再存在，由于二次襯砌要發(fā)揮作用，中隔墻的厚度也相應增加0.9m。因此只要隧道二次襯砌施工完畢后，不管是二次襯砌結構還是中隔墻都不會再有問題，隧道的穩(wěn)定性關鍵在施工期間，尤其是在最不利工況下(一側洞子開挖完畢，二次襯砌還沒有澆筑；另一側洞予還沒有開挖的明顯偏壓狀態(tài))。

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結論

a．計算分析表明連拱隧道施工過程中中隔墻受力最不利的工況是：一側洞開挖完畢，而二次襯砌尚沒有施工，另一側洞也沒有開挖。這種不對稱開挖，使中隔墻受力不平衡，引起中隔發(fā)生偏轉，此時塑性區(qū)最大。這種由于左右兩側隧道開挖不同步，再加上偏壓的存在，施工中極易使中隔墻受偏壓而傾斜開裂。施工中務必引起重視，可采用中導洞：回填或鋼支撐。當施工結束，兩洞二次襯砌澆筑完成后，中隔墻受力狀態(tài)大為改善，塑性區(qū)基本消失。b．連拱隧道中隔墻的設計直接影響著隧道的穩(wěn)定性，通過有限元數(shù)值分析表明，對于本次計算的Q2黃土4車道連拱隧道的合理中隔墻厚度應為2.1m，考慮本工程設計二次襯砌的厚度，中隔墻的最小厚度為3m。

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