不同中墙形式下公路双连拱隧道力学行为研究 不同中墙形式下公路双连拱隧道力学行为研究 摘要: 结合桐荫路 1 标市政道路某双连拱隧道工程, 对双连拱隧道整体式直中隔墙和分片式曲中隔墙两种中隔墙形式进行了 模拟,分析比较了两种中隔墙形式下围岩内力、 地表位移、 地中位移、 以及中隔墙荷载的变化, 探讨了不同中隔墙形式对双连拱隧道的影响, 为双连拱隧道的中隔墙设计提供了依据。 关键词: 双连拱隧道; 中隔墙形式; 力学行为; 数值模拟 中图分类号: U45 文献标识码: 文章编号: 1 引言 在我国城市道路建设中, 特殊地质及地形条件时, 从总体路线线型、 桥隧衔接方式等因素综合考虑, 连拱隧道已成为一种重要的结构形式。 随着我国基础设施建设尤其是西部大开发的开展, 连拱隧道必将大量出现。 从全国各地已建连拱隧道的情况看, 目前仍缺少有效的可以类比的工程可以借鉴 , 连拱隧道本身结构形式有待完善[1-3], 尤其在不同中隔墙形式对围岩及结构力学行为影响方面的研究较少[4], 中墙是连拱隧道主要承载结构体, 隧道在由单侧施工过度到双侧施工时,中隔墙顶部围岩经过三次扰动后, 围岩应力释放存在不均衡性, 所以中隔墙直接关系到连拱隧道的总体稳定性[5]。 因此, 有必要结合实际工程作进一步分析研究, 这对双连拱隧道的设计施工具有重要的借鉴和指导意义。 2 工程概况 曹冲坝隧道是贵阳市的一座双向六车道双连拱隧道, 全长 410m,最大埋深约为 118m, 横向跨度 36. 15m, 开挖净高 12. 1m, 单跨采用三心圆(曲墙半圆拱) 断面, 开挖轮廓线如图 1。 隧道围岩级别主要 为Ⅴ级, 局部为Ⅵ级围岩, 岩性较复杂, 岩溶裂隙和结理裂隙局部密集, 围岩破碎, 自稳能力差, 施工难度很大。 3 计算模型 本文主要探讨不同中隔墙形式对隧道结构的影响, 建模时选取Ⅵ级围岩条件, 开挖方法选用三导洞半断面法, 其开挖顺序如图 1, 每一开挖步后施作相应初次或临时支护。 图 1 双连拱隧道开挖顺序及轮廓线(单位: m) 模型建立: 模型为弹塑性平面应变模型, 岩体初始应力场仅考虑自重应力, 隧道初期支护只考虑锚杆和喷混凝土的作用。 中墙分为整体式直中墙 (如图 2a) 和分片复合式曲中墙 (如图 2b), 墙厚为 15m。围岩弹性模量 0. 5GPa, 泊松比 0. 4, 容重 22kN/m³ , 混凝土弹性模量 28. 5GPa, 波松比 0. 22, 容重 23 kN/m³ 。 计算模型范围水平方向 200 m, 隧道上部取至自然边界, 下边 60 m。 模型底部完全固定, 两侧无水平位移, 模型开挖部模型图如图 2。 a 整体式直中墙 b 分片复合式曲中墙 图 2 有限元模型 4 数值模拟结果分析 4. 1 围岩应力 由表 1 看出整体式直中墙和分片复合式曲中墙连拱隧道围岩应力变化特征相同: 围岩应力在前后阶段基本以中墙为对称轴成左右对称状态, 但在施工过程中, 先进侧(左侧) 主洞附近区域的围岩应力较以中墙为对称轴的后进侧(右侧) 主洞附近区域的围岩应力大, 为明显的“偏压” 状态, 后进侧施工结束后“偏压” 仍小幅度存在, 没有完全抵消。 表 1 两种中墙形式下典型施工阶段围岩竖向应力分布图 表 2 两种中墙形式下典型施工阶段围岩最大竖向应力值 虽两种中墙形式的连拱隧道在相同施工阶段具有基本相同的应力场分布, 但从量值上考察围岩最大竖向应力值 (如表 2) 可以看出:分片复合式曲中墙连拱隧道的最大围岩应力比整体式直中墙连拱隧道的最大围岩应力在施工过程中小约 20%左右, 施工结束后相同。 4. 2 地表位移 由图 3 和图 4两张沉降曲线图可知两种中墙形式的连拱隧道在地表沉降规律基本相同: 在整个施工过程中可以被明确地分为三段即导洞施工过程沉降段、 左洞施工过程沉降段和右洞施工过程沉降段。 导洞施工阶段的地表沉降值约占整个地表沉降值的 20%~30%, 在两正洞拱部施工的时候, 左右洞拱顶沉降约占最终沉降的 70%。 地表沉降值随着施工过程不断增大且具有以下的变化规律, 左洞施工过程中以中墙顶地表为对称轴在同一对称点上左洞地表的沉降值较右洞地表的沉降值大, 左右洞地表同一对称点在左洞施工结束时的沉降值相差达到最大, 此时最大的地表沉降值在左洞拱顶对应的地表面处; 右洞施工过程中左右洞同一对称点的地表沉降的差值逐渐减小, 最大的地表沉降值由左洞拱顶地表面逐渐向中墙地表面转移, 当右洞施工结束时地表沉降值的分布又恢复到大致以中墙顶地表为对称点左右对称,这与现场监控量测结果相吻合[6]。 图 3 整体式直中墙典型施工阶段地表沉降曲线 图 4 分片复合式曲中墙典型施工阶段地表沉降曲线 从量值上看出相同条件下分片复合式曲中墙连拱隧道的最终最大地表沉降值(18. 3mm) 较整体式直中墙连拱隧道的最终最大地表沉降值(23. 6mm) 略小, 两者相差 20%。 4. 3 地层位移 分片复合式曲中墙与整体式直中墙连拱隧道地层位移在整个施 工过程中具有基本相同的变化规律: 在主洞施工前以中墙为对称轴成左右基本对称的分布状态; 在先进侧主洞施工后以中墙为对称轴先进侧主洞区域的地层位移较后进侧生洞相应区域的地层位移明显较大的不对称分布; 在后进侧主洞施工过程中, 以中墙为对称轴后进侧地层位移与先进侧主洞相应区域的地层差值逐渐减小直至两侧地层位移分布又以中墙为对称轴成左右基本对称的状态为止。 4. 4 中墙设计荷载 施工过程中作用于中墙上的荷载主要由中墙上方覆土荷载和左、右主洞施工后经初期支护传至中墙顶部的载荷三部分组成; 由于这三部分荷载在整个施工过程中是动态变化的, 所以施工过程中中墙的内力也是动态变化的。 通过对这三部分荷载的先后作用时机进行分析可以看出分片复合式曲中墙连拱隧道与整体式直中墙连拱隧道施工全过程中墙内力的变化规律基本相同: 由于中墙先进侧初期支护荷载总是比中墙后进侧初期支护荷载的时间早, 故施工过程中中端处于明显的“偏压” 状态且最大“偏压” 出现在先进侧主洞施工结束而后进侧主洞还未施工之时。 施工结束后中墙左右两侧应力基本处于对称状态, 但在局部位置处(如与中墙交界的雁形部) 先进侧中墙的压应力仍然要大于后进侧中墙的压应力, 故即使在施工结束后, 中墙仍处于很小的“偏压”状态。 通过计算截面垂直应力与单元面积之乘积, 可得到总的中隔墙作用载荷, 表 3 为两种中墙形式下典型施工阶段中墙分析截面总荷载。 如图 5 示, 中隔墙作用载荷计算图示, 计算公式可表达为如下式 表 3 两种中墙形式下典型施工阶段中墙分析截面总荷载 为了更直观的表述中墙荷载, 可将中墙的竖向荷载转化为相对覆土高来表示, 如图 5 所示, D 为连拱隧道总跨度、 B 为左右主洞中心线距离, 此处近视为 D/ 2、 h 为隧道埋深、 P 为中墙的竖向荷载, 可换算为宽度为 B、 高度为 H 的土柱, 将 H/D 定义为相对覆土高。 图 5 中墙竖直荷载相对覆土高示意图 表 4 两种中墙形式下典型施工阶段中墙竖向荷载和相对覆土高 由表 3 和表 4 可以认为在围岩类别、 结构跨度和埋深相同的条件下, 分片复合式曲中墙核心部分的设计厚度应与整体式直中墙连拱隧道中墙的设计厚度相同。 由上说明在相同条件(围岩类别、 结构跨度和埋深) 下分片复合式曲中墙的厚度比整体式直中墙的厚度多出两倍的分片复合式曲中墙的二次衬砌厚度。 5 结语 两不同中墙形式的连拱隧道施工过程中其各自的围岩内力、 地表位移、 地中位移、 以及中墙荷载的变化规律基本相同, 但量值上存在差异。 分片复合式曲中墙连拱隧道的最大围岩应力比整体式直中墙连拱隧道的最大围岩应力在施工过程中小约 20%; 最终地表沉降主沉降范围内的沉降值分片复合式衬砌连拱隧道比整体式直中墙连拱隧道要小 20%左右; 施工过程中最大竖向位移在沉降和隆起方面分片复合式曲中墙连拱隧道比整体式直中墙连拱隧道要小 15%~20%; 但中墙荷载上曲中墙要比直中墙所受荷载略大, 又因曲中墙外还有二次衬砌所以分片复合式曲中墙核心部分的设计厚度应与整体式直中墙连拱隧道中墙的设计厚度应该相同。 因此灯草塘连拱隧道Ⅵ级围岩条件下应该选用分片复合式曲中墙较为合理。 参考文献 夏永旭, 王文正, 胡庆安. 公路双连拱隧道“三导洞法” 施工的力学分析[J]. 长安大学学报(自然科学版), 2005, 25(6) : 49\ue00052. 王福柱, 马锁柱, 张振刚, 等. 浅埋暗挖双连拱隧道施工力学分析[J]. 铁道建筑, 2003, (8) : 23\ue00025. 董文德, 高波, 申玉生. 中墙侧边回填对双连拱隧道中墙受力的影响[J] . 现代隧道技术, 2007, 44(1) : 65\ue00069. 时亚昕, 王明年, 李强. 浅埋双连拱隧道中墙的合理选用[J]. 地下空间与工程学报, 2005, 1(6) : 948\ue000951. 申玉生, 赵玉光. 高速公路双连拱隧道的中墙力学特性分析[J]. 地下空间与工程学报, 2005, 1(2) : 200\ue000204. 龚尔民. 大跨双连拱隧道现场监控量测及分析[J]. 公路交通科技(应用技术版), 2010, (6) : 219\ue000221.