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小研偏壓連拱隧道中墻優(yōu)化設(shè)計(jì)
1 引言
20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，我國(guó)高等級(jí)公路建設(shè)進(jìn)入一個(gè)高速發(fā)展時(shí)期。在山區(qū)高等級(jí)公路的修建中，連拱隧道作為一種新的隧道形式，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。雖然連拱隧道近年來(lái)發(fā)展迅速，但因其設(shè)計(jì)和施工方法還不成熟，目前仍缺少有效的可以類(lèi)比的工程借鑒。存在的諸多問(wèn)題中，除了對(duì)連拱隧道的力學(xué)特性沒(méi)有進(jìn)行深入的研究外，另一個(gè)重要問(wèn)題是連拱隧道本身結(jié)構(gòu)型式不盡合理 [2,3]。
作為連拱隧道結(jié)構(gòu)的重要組成部分，中墻的設(shè)計(jì)合理與否，關(guān)系到整個(gè)隧道的穩(wěn)定與否。
在隧道修建過(guò)程中，中墻受力非常復(fù)雜，在偏壓連拱隧道中尤為突出。對(duì)于偏壓連拱隧道，中墻不僅要承受隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)覆土不對(duì)稱(chēng)引起的地形偏壓；還在左右洞施工過(guò)程中，承受由于不對(duì)稱(chēng)施工引起的施工偏壓[4]，從而產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)的應(yīng)力和應(yīng)變，直接影響到隧道的總體穩(wěn)定性[5]。因此，有必要結(jié)合實(shí)際工程對(duì)偏壓連拱隧道中墻的力學(xué)特性進(jìn)行分析研究，從而對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使中墻受力更合理，隧道更加穩(wěn)定，這對(duì)雙連拱隧道的設(shè)計(jì)施工具有重要的借鑒和指導(dǎo)意義[6-8]。
2 工程概況
沙塘坑隧道位于四會(huì)市黃田鎮(zhèn)沙塘坑，設(shè)計(jì)為雙跨連拱式隧道，隧道走向呈近南東——北西向展布，山頂高程約95 m，隧道最大埋深約43m，設(shè)計(jì)隧道起訖樁號(hào)為K48+375～K48+575，全長(zhǎng)200m，均采用鋼筋混凝土洞門(mén)形式。隧道區(qū)在地貌上屬于剝蝕丘陵地貌類(lèi)型，隧道橫穿山丘，進(jìn)出口段自然坡度較陡，坡角約為35～40°。隧道處地質(zhì)構(gòu)造上位于燕山期四會(huì)序列江頭單元侵入巖體中，巖石為細(xì)、中粒黑云母花崗巖，灰白色、肉紅色，細(xì)粒花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造；節(jié)理裂隙較發(fā)育，節(jié)理產(chǎn)狀以215°～260°∠45°～50°和65°～80°∠75°～80°為主。
沙塘坑隧道建筑限界凈寬31.1（14.0×2+3.1）m，凈高5 m，采用復(fù)合式曲中墻結(jié)構(gòu)，中墻高4.0 m，寬2.8 m。沙塘坑隧道施工方法為:Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖采用中導(dǎo)洞法,Ⅴ級(jí)圍巖用三導(dǎo)洞法。
3 優(yōu)化設(shè)計(jì)分析
3.1 計(jì)算模型
本文以沙塘坑隧道K48+520 斷面（Ⅴ級(jí)圍巖）為例，建立兩組實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ�，模型一為原設(shè)計(jì)的中墻形式，設(shè)置在中導(dǎo)洞中央的對(duì)稱(chēng)形式；模型二為優(yōu)化的中墻設(shè)計(jì)形式，向深埋側(cè)（圍巖壓力大的一側(cè)）偏移的不對(duì)稱(chēng)設(shè)置，中墻整體向深埋側(cè)平移1 m，其他條件不變。采用ANSYS 二維有限元模擬兩種情況下中墻的受力和變形情況。邊界條件為：上邊界自由約束，下邊界豎向約束，取3 倍隧道結(jié)構(gòu)高度，兩側(cè)邊界水平約束，取4 倍隧道結(jié)構(gòu)寬度。簡(jiǎn)化的計(jì)算模型。
根據(jù)隧道圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，在有限元計(jì)算當(dāng)中，采用了彈塑性的非線(xiàn)性有限元法。
圍巖材料的本構(gòu)模型采用Drucker-Prager(D-P)模型，計(jì)算隧道結(jié)構(gòu)與地層在開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生的非線(xiàn)性變形特性。在對(duì)隧道進(jìn)行開(kāi)挖過(guò)程的數(shù)值模擬分析中，計(jì)算程序采用了ANSYS 有限元分析軟件。隧道施工的分步開(kāi)挖過(guò)程通過(guò)軟件提供單元的“生(alive)”和“死(kill)來(lái)實(shí)現(xiàn)[9]。在計(jì)算過(guò)程中，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用ANSYS 程序匯總的PLANE42 單元來(lái)加以模擬。在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，中墻、圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)設(shè)計(jì)資料確定，具體取值。
3.2 計(jì)算工序
本文研究的是 K48+520 斷面中墻的受力和變形情況，因該斷面處是Ⅴ級(jí)圍巖，故施工過(guò)程中采用的三導(dǎo)洞法，其具體的施工工序是：1 中導(dǎo)洞開(kāi)挖及支護(hù)；2 澆筑中墻及上部土回填；3 左導(dǎo)洞開(kāi)挖及支護(hù)；4 右導(dǎo)洞開(kāi)挖及支護(hù)；5 左洞上臺(tái)階開(kāi)挖及支護(hù)；6 左洞上下臺(tái)階開(kāi)挖及支護(hù)；7 右洞上臺(tái)階開(kāi)挖及支護(hù)；8 右洞下臺(tái)階開(kāi)挖及支護(hù)。
3.3 計(jì)算結(jié)果分析
本文主要針對(duì)沙塘坑隧道中墻進(jìn)行計(jì)算分析，研究在兩個(gè)不同模型條件下中墻的應(yīng)力和應(yīng)變情況。
3.3.1 中墻應(yīng)力分析
中墻在兩個(gè)不同模型下隨著隧道開(kāi)挖過(guò)程其應(yīng)力情況模擬結(jié)果如下表。
可知，模型一中中墻最大應(yīng)力的變化范圍為1.569 Mpa～2.544 MPa，而模型二的中墻最大應(yīng)力的變化范圍僅為0.809 MPa～0.966 MPa。模型二相應(yīng)開(kāi)挖步的應(yīng)力僅為模型一的40%左右。由此可見(jiàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)大大降低了中墻的應(yīng)力，提高了中墻的穩(wěn)定性。以下是兩個(gè)模型在第3、5、7 施工步的應(yīng)力圖。第4 施工步與第3 施工步、第6 施工步與第5 施工步、第8 施工步與第7 施工步變化趨勢(shì)基本相同。
連拱隧道在修建過(guò)程中，左右導(dǎo)坑的施工對(duì)中墻應(yīng)力的影響較小，主要因?yàn)樽笥覍?dǎo)坑開(kāi)挖的輪廓較小，距離中墻大約有10m。連拱隧道中墻因承受隧道上方絕大部分的圍巖壓力，隨著上下臺(tái)階的開(kāi)挖，中墻上方的圍巖在左側(cè)形成了一個(gè)臨空面，圍巖應(yīng)力重分布后集中向左正洞方向釋放，這樣傳遞在中墻頂部各處的應(yīng)力值不一致，從而造成中墻的應(yīng)力集中，主要集中在中墻左側(cè)的中下部。同時(shí)，在地形偏壓作用下連拱隧道產(chǎn)生整體向隧道外側(cè)位移，在淺埋側(cè)隧道產(chǎn)生被動(dòng)壓力，而在深埋側(cè)隧道產(chǎn)生主動(dòng)壓力。因此中墻產(chǎn)生了從淺埋側(cè)向深埋側(cè)的彎矩，造成中墻淺埋側(cè)的應(yīng)力比深埋側(cè)的大，所以中墻左側(cè)集中了較大的應(yīng)力。這種應(yīng)力增大到一定程度，中墻結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生裂縫甚至破壞，隧道就會(huì)失穩(wěn)。而中墻向深埋側(cè)(右側(cè))移動(dòng)1m 后，中墻因荷載的不對(duì)稱(chēng)作用產(chǎn)生的彎矩將減小，中墻的應(yīng)力也相應(yīng)地減小到比較低的水平，且主要集中在基底，故中墻穩(wěn)定性大大提高。
3.3.2 中墻應(yīng)變分析
中墻在兩個(gè)不同模型下隨著隧道開(kāi)挖過(guò)程其應(yīng)變情況模擬結(jié)果。
可知，模型一中墻最大應(yīng)變的范圍為0.156×10-3～0.308×10-3，而模型二的中墻應(yīng)變的變化范圍為0.139×10-3～0.166×10-3，模型二最大的應(yīng)變僅為模型一的50%左右，優(yōu)化設(shè)計(jì)大大減小了中墻的應(yīng)變，提高了中墻的整體穩(wěn)定性。以下是兩個(gè)模型在第4、6、8施工步的應(yīng)變圖。第3 施工步與第4 施工步、第5 施工步與第6 施工步、第7 施工步與第8施工步變化趨勢(shì)基本相同。
在偏壓條件下，中墻不僅產(chǎn)生橫向的整體偏移，且在縱向也產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形[10]。從上圖可知，隨著隧道的開(kāi)挖，中墻的應(yīng)變?cè)絹?lái)越大，且主要集中在上部，基底的應(yīng)變較小。因?yàn)椴粚?duì)稱(chēng)荷載引起頂部的扭轉(zhuǎn)、偏移作用產(chǎn)生的變形遠(yuǎn)大于底部的變形。在模型一情況下中墻的應(yīng)變主要集中在右側(cè)上部，因?yàn)橛捎谄珘鹤饔�，中墻右�?cè)承受的圍巖壓力比左側(cè)的大，因此產(chǎn)生順時(shí)針的扭轉(zhuǎn)，中墻右側(cè)受壓，故其應(yīng)變比左側(cè)的大。在模型二條件下，隧道的偏壓程度大大降低，中墻左右兩側(cè)所受的荷載相差不大，荷載不對(duì)稱(chēng)作用引起的扭轉(zhuǎn)大大減弱，所以其應(yīng)變也大幅度的減小，且左右兩側(cè)基本對(duì)稱(chēng)，故中墻穩(wěn)定性較對(duì)稱(chēng)布置的好。
4 結(jié)論
通過(guò)對(duì)兩個(gè)模型下中墻在不同施工步的應(yīng)力和應(yīng)變的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：
�。�1）對(duì)于偏壓連拱隧道，中墻中墻設(shè)置在中導(dǎo)洞中央的對(duì)稱(chēng)形式由于不對(duì)稱(chēng)荷載作用，左右兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩和扭矩，從而使其產(chǎn)生較大的應(yīng)力和應(yīng)變，對(duì)中墻的穩(wěn)定不利。
（2）中墻向隧道深埋側(cè)移動(dòng)1m，其偏壓程度會(huì)降低，左右兩側(cè)承受的應(yīng)力相應(yīng)的減小，僅為對(duì)稱(chēng)布置的40%，且處于比較低的水平，中墻的穩(wěn)定性大大提高。
（3）從應(yīng)變水平上來(lái)看，中墻向深埋側(cè)移動(dòng)1m，其應(yīng)變僅為對(duì)稱(chēng)布置的一半，且分布比較對(duì)稱(chēng)，中墻變形比較合理。
�。�4）根據(jù)兩個(gè)模型的對(duì)比，不管是從應(yīng)力水平還是從應(yīng)變水平上來(lái)看，中墻向深埋側(cè)移動(dòng)1m，其兩端所受的不對(duì)稱(chēng)壓力將大大的減小，由此產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變也大幅度降低，使中墻的受力更加合理，穩(wěn)定性更好。
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