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金竹林双连拱隧道同向异线开挖下中墙结构稳定性分析摘 要 山岭高速公路短隧道采用连拱形式的经济效益和社会效益是显而易见，但是关于这类隧道并不符合现行规范的规定，相应地，存在一些有待深入分析的问题，诸如中墙结构的设计和其在施工过程中的稳定性、拱顶围岩应力集中等等。本文就连拱隧道中墙施工应力和变形的动态变化，对同向异线开挖下连拱隧道中墙的设计提出一些建议。关键词 连拱隧道衬砌结构有限单元法施工模拟中墙设计 1 引言本文以金竹林双连拱隧道作为研究的对象，该隧道设计采用新奥法施工工艺，先掘进中导洞，贯通后完成连拱隧道中隔墙的施工作业，然后采用新奥法开挖左、右线隧道，先挖后撑，初期支护稳定后再施做二次衬砌；初期支护稳定后再施做二次衬砌(参见图1)。这样必须解决如下两个问题：图1 隧道施工顺序图（1） 合理的开挖工序及其对中隔墙稳定性的影响。（2） 隧道的整体稳定性分析。本文采用有限元计算分析的方法，通过对同向异线施工方案下中墙应力和变形的分析，讨论施工工艺对中墙稳定性的影响。2 计算分析条件对于本课题特定金竹林连拱隧道，根据该地区的地质报告，假定研究中的围岩满足连续、均质线弹性理论，小变形。隧道在长度方向的尺寸比横截面的尺寸大得多，三维模拟结构的选取考虑开挖影响的空间效应，在真实的隧道中截取一段并作必要的简化后作为计算模型，其长度根据开挖面所能影响到的范围来确定；在没有做初期支护和二次衬砌的隧道段，为了增强中墙的稳定性及改善中墙的受力性能，在此段隧道洞处的中墙两侧填以碎石。由于采用多步计算来模拟开挖过程，所以在整个计算当中近似认为： （1） 在下一步开挖计算前，其它已开挖部分的初期支护与二次衬砌已完全完成。（2） 所有被开挖部分都是一次性开挖完毕。（3） 开挖方式采用同向异线开挖；就是两开挖面分别在连拱隧道的两个洞中相向推进；具体开挖示意图见图2。图2 同向开挖推进示意图3 计算模型计算模型的选取遵照线弹性理论，选取所影响到的区域，在横剖面，上、下边界取至距隧道洞口竖直尺寸的3倍，由于隧道较浅，向上三倍洞高的距离已经超过了山顶，故上面直接取到山顶；左、右边界取至距隧道洞口水平尺寸的3倍，在纵剖面，取隧道洞口水平尺寸的3.5倍。模型一开始取两边的开挖面相距100米，是为了研究中墙在整个开挖过程中受到本开挖面与别的开挖面的影响。模型的物理力学参数取值，初期支护包括系统锚杆、喷混凝土、格栅钢架，为了模拟它们对隧道的作用，通过改变它们所影响范围内的岩石的物理力学参数来表现；回填材料由碎石等材料组成，它的参数均近似的取为C25混凝土的三分之一。则具体物理力学参数确定见表1。表1 计算选用的物理力学参数 模型的受力荷载取值，模型的底面加固定支座以约束所有的平动自由度，在平行于隧道走向的两侧加以滑动支座，只约束X、Z方向上的自由度而释放Y 方向上的自由度，以模拟岩石可以下沉的情况。体荷载取G9.8。4 结果取值设计人员大多数关心隧道衬砌（包括初期支护与二次衬砌）的安全，特别是衬砌的强度与变形，所以本计算主要针对金竹林隧道中墙的强度与变形。鉴于如此，从大量计算数据中选取如下关心的计算结果。1) 中墙顶（A）低（B）的水平位移差。参照具体示意图3，取中墙顶、底中线上的点A、B的水平位移；若位移差结果为正值，就表示中墙绕Z轴顺时针倾斜，反之则逆时针倾斜。由于采用多步计算来模拟开挖过程，所以根据任一步的计算结果，就得出此步下开挖引起的中墙顶、底水平位移差沿中墙纵向上的变化；经过多步计算，就得出每个断面在所有开挖步骤下的水平位移差的变化。根据任意断面在任意开挖步骤下的水平位移差，可以评价形隧道开挖对中墙的影响。图3 取值点、面示意图2) 中墙的应力值。在中墙上取顶、中、底三个关键截面；假定中墙在任一竖直截面中的任一水平截面上的y s应力分布是线性的，则由关键截面两侧端点的应力数值来推测出此关键截面上的应力分布情况；与处理位移差的方法一样，从而可以近似的掌握整个中墙上的应力分布情况。3) 中墙材料的改变对稳定性的影响。为了得到影响后的差别，分别比较中墙为C 25混凝土和C40混凝土情况下的变形与应力，找出因材料的不同而产生的差异。4.1 计算结果根据ANSYS计算后，所有的计算结果取自隧道计算模型的中墙，由于隧道中墙的断面积相对它的纵向长度来说很小，就取出结果的局部示意；根据计算，在开挖VII时中墙在两开挖面接触处（参见图1）为最不安全状态；为比较清楚地看出中墙水平位移与竖向应力的变化情况，现取出开挖VII时局部中墙的水平位移图4 与竖向的应力（y ）图5。图4 水平位移图图5 竖向应力图 图5竖向应力图1）变形结果按照取值情况，结合实体模型，取中墙为C25时和C40时计算曲线图如图6、图7。同时在最不利的状态下对比材料的变化，具体曲线图见图8。图6 C25 混凝土的中墙的位移曲线图图7 C40 混凝土的中墙的位移曲线图2）应力结果按照应力分析方案，取C25 混凝土中墙的关键截面II 处（参见图2）的应力，则得出初始状态、开挖V时和开挖VII 时的应力曲线图，分别见图9、图10、图11；同时为了看出材料变化的影响得出开挖VII时的应力比较图见图12。 图8 位移曲线比较图图9 初始状态时的应力曲线图图10 开挖V 时的应力曲线图图11 开挖VII 时的应力曲线图4.2 结果分析1）对位移的分析（1） 从位移差图看来，中墙在开挖面两侧存在有扭转现象；开挖面所能影响到的范围大约在一倍多的开挖跨度以内；由于是不对称开挖，在两开挖面之间的中墙受到的不对称荷载作用随两开挖面距离变化。（2） 在离开挖面一定距离以外的位移差数值趋向于同一的数值，则可以认为开挖的影响在事实上只能影响到一定范围内；随着开挖面距离的增大，位移差的最大值有增大的趋势。图12 开挖IV 时的应力曲线比较图（3） 定义扭转率为扭转的位移与所发生的长度的比值，开挖I 时扭转率最为严重；随着开挖面间间距的增大，扭转的程度趋向平缓。（4） 中墙材料的改变，对计算所得到的结果并没有产生多大的影响。2）对应力的分析1)除了两隧道洞都开挖完毕的隧道段的中墙受到的力近为轴压以外，其他地方的力或多或少存在偏心；可能原因是回填碎石的弹性模量很低，使得回填碎石的作用不是很明显。2)在两开挖面之间的中墙受到的是偏压荷载，而在其他部位所受到的基本近似于轴压荷载。两开挖面外侧中墙应力，受到开挖的影响很小，应力的突变都在开挖面左右很小的一段内完成。3) 中墙混凝土强度等级的改变并没有使中墙上的应力值发生多大的改变。4)从应力水平的发展过程来看，随开挖面的向前推进，应力的变化为：隧道两端的中墙一直处于特定的轴压状态中，并且在开挖过程中变化微小；隧道中段位于两开挖面之间的中墙处于偏压的状态，偏压的趋势偏向于严重。5 结论1)隧道中墙混凝土等级的变化对中墙稳定性的影响很小。2)中墙两边的碎石起到与初期支护和二次衬砌一样的作用，然而作用的大小取决于回填的碎石的松紧程度，回填的碎石较松时起到的作用较小，反之较大；对于连拱隧道的开挖，在中墙的两侧回填碎石有利于中墙的稳定，是必要的，而且还要有一定的密集度。 3)在本连拱隧道的施工工序中，采用同向异线的开挖施工工序下，中墙是安全的。4)隧道三维计算模型的大小应根据隧道开挖面所能影响到的范围来确定；根据计算结果来看，隧道无论是在平面尺寸上还是在空间尺寸上，可取隧道开挖直径的3倍的范围完全可以满足计算精度的要求，甚至在计算精度要求不是太高的情况下，取隧道开挖直径的1.5 倍足计算要求。5) 根据计算结果来看，为了得到关键部位的更为精确的结果，应该在此处用更为小的单元来划分。参考文献1. 四川省交通厅公路规划设计研究?quot;国道主干线重庆万县梁平公路（万县分水岭）两阶段施工图设计（F合同段）第四册（金竹