大断面连拱隧道施工力学研究（2008年第3期 总第107期）

■ 王 劲 松
              （尤溪公路局，尤溪 365100）

  摘 要 本文围绕日益增多的大断面连拱隧道施工关键技术，依托泉三高速公路形钟山隧道，借助三维弹塑性有限元数值模拟，研究了大断面隧道施工中的力学问题，得出了施工各阶段的应力特征、位移特征、初期支护受力特征及二次衬砌受力特征等力学状态，为指导隧道施工提供参考依据。
  关键词 大断面连拱隧道 施工力学 数值模拟

  目前，国内外在中等跨度及以下的隧道建设中，隧道设计计算理论和施工方法工艺都已经比较成熟。近年来，随着材料、工艺、设备机具的不断进步和对岩石力学机理的深入认识与不断提高，以及现实生活中交通量的迫切需求，修建大断面公路隧道逐渐增多。大断面连拱隧道单洞净宽达14m，双洞开挖跨度最大达33.78m。开挖断面大，支护结构受力复杂，施工工序多，对结构设计和施工都提出了很高的要求。
  针对大断面连拱隧道研究现状，本文依托泉三高速公路连拱隧道工程实际，对大断面双连拱隧道V级围岩的施工力学状况进行了分析。
1 形钟山隧道工程概况
  形钟山隧道位于三明市大田县吴山乡内，设计为双跨连拱式隧道，隧道走向呈近南东——北西向展布，山顶高程约895m，隧道最大埋深约43m，设计隧道起讫桩号为ZK122+909～K123+789，全长880m。施工采用中导洞双侧壁三导洞法施工，其净空断面及建筑限界如图1所示。

                       图1 形钟山隧道建筑限界及净空断面图

2 数值分析模型的建立
  本文应用3D-σ有限元软件对施工力学问题进行了研究。并依据工程地质勘察报告和设计方案，根据相关规范、文献，选取了围岩及支护结构物性参数（如表1所列）。

                  表1 数值计算采用的围岩及支护结构物性参数

  本文三维弹塑性数值分析采用的屈服准则为D-P准则。模型左右边界水平位移约束，下边界竖向位移约束，上边界为自由边界或附加荷载（隧道埋深30m），数值仿真模拟过程分25个施工步进行，分析模型如图2所示。

        图2 三维数值分析模型    
3 数值分析结果及其分析
  （1） 应力特征。
  根据三维有限元分析，可依次得到各施工步隧道围岩及曲中墙最大主压应力和最大剪应力。
  从图3、图4可以看出，隧道二次衬砌前，曲中墙的最大主压应力可达20MPa；二次衬砌后，快速减小，最后稳定在10MPa左右，主要分布在中墙底脚；上部最大主应力在5.0MPa左右。隧道中墙的最大剪应力在二次衬砌前达到7.0MPa，二次衬砌后小于4.0MPa；最大压剪应力分布在中墙左侧（后掘进隧道侧）底脚，最大拉剪应力分布在中墙右侧底脚。
  （2） 位移特征。
  根据三维有限元分析，可依次得到各施工步隧道围岩位移。

图3 最大主应力（kPa）

图4 最大剪应力（kPa）

  从图5和图6可以看出，隧道拱顶最大下沉位移为11mm，隧道底最大向上位移为13mm；隧道水平收敛最大位移为6mm。

 图5 隧道竖向位移Uy（m）

       图6 隧道水平位移Ux（m） 

  （3） 二次衬砌受力特征分析。
  根据三维有限元分析，可依次得到各施工步隧道二次衬砌受力特征如下。

      图7 二次衬砌最大主应力（kPa）

      图8 二次衬砌最大剪应力（kPa）

      图9 二次衬砌竖向应力（kPa）

  从图7~9可以看出，隧道二次衬砌局部最大主压应力小于8.0MPa，满足规范要求；局部最大剪应力为3.0MPa左右，略超过规范要求，但分布范围很小；最大竖向压应力小于5.0MPa，局部有小于0.6MPa的拉应力，满足规范要求。
  （4） 曲中墙稳定性分析。
  ① 中墙位移特征。
  中墙左侧必须及时回填，否则计算终止。这说明及时回填对保障中墙稳定非常有利，在施工中应该注意。除曲中墙顶、底局部外，各施工步的位移很小，水平位移一般为1.0mm左右，竖向位移一般为7.0mm左右，曲中墙是稳定的（参见图10和图11）。

        图10 中墙水平位移（m）

       图11 中墙竖向位移（m）
  ② 中墙应力特征。
  中墙施工完成后，中墙处于轴心受压状态；在右洞、左洞施工过程中，曲中墙处于偏心受压状态；当施工结束时，中墙基本上处于轴心受压状态，中部压力较大，为5.0MPa左右（见图12）。

图12 中墙竖向应力（kPa）

  （5） 初期支护特征。
  钢支撑最大弯矩为583kN·m，最后施工步锚杆最大轴力为72kN，各施工步锚杆最大轴力皆小于100kN，满足锚杆设计要求。而且，受隧道掌子面约束的影响，每环锚杆的轴力相差较大，越靠近掌子面，锚杆轴力越小，掌子面附近的锚杆轴力小于30kN（参见图13和图14）。

图13 第25施工步钢支撑弯矩（kN·m）

                       图14 第25施工步锚杆轴力（kN）

4 结论
  V级围岩三维弹塑性有限元数值分析表明：隧道曲中墙的最大主应力在10.0MPa左右，分布在曲中墙底脚，上部最大主应力在5.0MPa左右；曲中墙的最大压剪应力小于5.0MPa，最大拉剪应力小于4.0MPa；隧道拱顶最大下沉位移为11mm，隧道底最大向上位移为13mm；隧道水平收敛最大位移为6mm；钢支撑最大弯距为583kN·m，最大锚杆最大轴力小于100kN；二次衬砌局部最大主压应力小于8.0MPa，最大剪应力小于3.0MPa；在右洞、左洞施工过程中，曲中墙处于偏心受压状态，当施工结束时，中墙基本上处于轴心受压状态。
  通过以上分析可以看出，大断面连拱隧道曲中墙的局部（曲中墙底脚）剪应力较大，且大于混凝土的容许剪应力，应对曲中墙底脚加强支护。此外，二次衬砌对减小围岩、曲中墙及初期支护结构的应力有重要的作用，应及时施作二次衬砌。

参考文献
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