大断面连拱隧道围岩和中墙受力和变形规律研究

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1、大断面连拱隧道围岩和中墙受力和变形规律研究　　摘要文章针对某高速公路隧道的设计，运用同济曙光有限元分析软件对大断面连拱隧道三导洞法施工时围岩和结构的受力、变形规律进行了分析。连拱隧道两正洞开挖后，大断面隧道围岩应力集中现象明显，洞室呈更加扁平形状，对围岩稳定不利，中墙的受力和变形相当复杂，这是连拱隧道施工的关键所在。关键词连拱隧道围岩中墙中图分类号：U45文献标识码：A文章编号：1前言目前国内已建成的连拱隧道多为两车道隧道，三车道连拱隧道工程实例较少，可供借鉴的施工经验较少。三车道连拱隧道属于大断面隧道，不得不做成具有扁平形状的拱形结构

2、，开挖后的应力重分布就会不同于普通洞室，围岩应力集中现象显著，为此开挖时应合理减少开挖步骤，避免开挖时造成锐角切口，尽可能地避免造成过多应力集中。基于以上考虑，且参照相似模型试验分析及文献的研究成果，认为采用三导洞法中的侧壁导洞法较为合适。在此基础上，对三车道连拱隧道该工法施工过程中围岩和结构的受力、变形规律进行分析，从而为大断面连拱隧道的设计和施工提供参考。7施工方法2.1隧道断面形式该高速公路是国家高速公路7918网中“横6”的组成部分，是河北省晋煤外运的主要通道，设计标准为双向六车道高速公路，其中该隧道段设计行车速度为80km/h

3、，隧道建筑限界为宽14m、净高5m，采用复合式中墙结构，中墙最小厚度为2.3m。2.2地质概况路线位于河北省西南部太行山余脉，场地所处大地构造单元属“祁、吕、贺兰”山字型构造东翼边缘弧东侧的太行山麓背斜东翼，总体为一单斜构造，区内构造以新华夏构造类型最为发育。隧道洞身穿越区地层主要为古生界寒武系中统张厦组，岩性主要为灰岩，内夹厚层泥灰岩、块状灰岩及白云岩，围岩别为IV、V级。3、隧道施工的数值模拟3.1模拟施工方案7本隧道穿越山体正中部位，不存在偏压情况，按照先左后右的顺序进行施工，主要工序为16步：(SI)中导洞开挖；(S2)中导洞初

4、期支护；(S3)中墙浇筑；(S4)左、右导洞开挖；(S5)左、右导洞支护；(S6)左、右导洞仰拱浇筑；(S7)左洞拱部开挖；(S8)左洞拱部初期支护：(S9)左洞核心土开挖；(S10)左洞底部初期支护；(S11)左洞浇注二次衬砌和剩余仰拱部分；(S12)右洞拱部开挖；(S13)右洞拱部初期支护；(S14)右洞核心土开挖；(S15)右洞底部初期支护；(S16)右洞浇筑第二次衬砌和剩余仰拱部分。该连拱隧道支护设计参数：(1)初期支护体系由Φ22砂浆锚杆、Φ25钢格栅、20cm厚C20喷混凝土构成；(2)二次衬砌为50cm厚C25钢筋混凝土浇

5、筑；(3)中隔墙为C30钢筋混凝土；(4)仰拱为20cm厚的C20喷混凝土及50CM厚的C25钢筋混凝土。3.2模拟计算模型根据地质资料及隧道断面尺寸，本文采用同济曙光正分析软件建立二维有限元计算模型。采用平面应变弹塑性数值模拟，围岩为弹塑性各向同性体，中墙为弹性各向同体。初期支护喷混凝土和二次初砌采用全长粘结式直梁模拟，锚杆采用全长粘结式杆模拟(注：初期次支护只考虑了喷混凝土和锚杆)。初期支护和二次衬砌之间的接触面采用无厚度节理单元模拟。7模型计算范围在水平方向取距隧道中心5倍单洞开挖宽度，下边界取为洞高的5倍，上边界取隧道的实际埋深

6、。模型的边界条件采用施加约束的方法，在模型的底面加固定支座以约束所有自由度，在平行隧道走向的两侧施加滑动支座，只约束水平方向的自由度而释放垂直方向的自由度，以模拟岩体的沉降。围岩应力释放率为：围岩占40％，初期支护40％，二次衬砌20％。总共化分了8492个三角形单元和3517个节点。计算结果分析4.1围岩应力场分析大断面隧道开挖时围岩集中现象明显，围岩应力集中和围岩屈服两者是统一的，下面借助围岩的屈服度来分析其应力集中现象。(1)洞墙脚区在左洞上拱部开挖后屈服度就很大。且添色图显示：随着施工的进行，应力集中区面积也在扩大。两洞拱腰区及

7、右洞墙脚区围岩则在右洞拱部开挖后屈服度增大，说明正洞拱部开挖是影响隧道围岩稳定的关键施工步，而且后进洞施工对先进洞围岩稳定影响明显。(2)分析添色图的变化可知，随着施工的进行，各应力集中区的面积都有所扩大。其中，右洞拱部开挖后，临近中墙的左右洞拱腰处应力集中区在中墙顶部逐渐形成连通区域，临近中墙的左右洞墙脚处应力集中区在中墙底部亦有连通趋势。中墙顶部和底部的围岩在施工过程中应对此处围岩进行多次加固，以确保施工安全。4.2围岩位移场分析位移场的分析主要考虑开挖后围岩拱顶竖向位移及拱腰水平向收敛位移随各施工步的变化情况。图5为左右洞拱顶竖向

8、位移随着施工进程的变化图。由图可以看出：7(1)三导洞开挖后，两洞拱顶沉降都很小，左洞为2.4mm，右洞为2.5mm，分别约占总沉降的9.6%和9.5%(2)左洞拱顶的竖向沉降同样主要集中于其拱部和核心土开