Simulation construction procedure and Testing analysis of Double-arch Tunnel
XIE Ai-hua1
(1 ShiJiaZHuang Railway Institute, shijiazhuang 050043, China)
Abstract: By adopting the calculating analysis method of FEM simulation, this paper makes a simulation analysis on the excavating procedure of the No.1 Yehuling Tunnel on the expressway from Zhangjiakou to Shijiazhuang, so that the stress situation of the excavating procedure can be known, and combined with the site monitoring and data analysis for permanent lining , to estimate the structure stability and give some reference to the tunnel construction.
Key words: Double-arch Tunnel; FEM Simulation; Permanent Lining; Monitoring and Measuring; Lining Structure Stress
1工程概況
張石高速公路野狐嶺1#隧道起訖里程為K19+840～K20+400，全長(zhǎng)560 m，位于野狐嶺段玄武巖臺(tái)地區(qū)，恰處分水嶺（山脊）和埡口重合地段；該隧道最大埋深位于隧道中部偏后為16.8 m，進(jìn)出口段埋深1～2 m，其余埋深5～8 m，屬于淺埋隧道。隧道圍巖主要為Ⅴ級(jí)圍巖，進(jìn)口地段圍巖以強(qiáng)風(fēng)化碎塊狀玄武巖為主，次為亞粘土，地表風(fēng)化強(qiáng)度更強(qiáng)，巖質(zhì)疏松；出口地段主要為弱-強(qiáng)風(fēng)化碎塊狀結(jié)構(gòu)，次為碎石土；中部地段巖石風(fēng)化程度較進(jìn)口段弱，也以強(qiáng)風(fēng)化碎塊狀玄武巖為主。由于巖體風(fēng)化差異，致使疏松巖石與堅(jiān)硬巖塊相間出現(xiàn)，開(kāi)挖過(guò)程很難控制開(kāi)挖斷面形狀，施工困難。
隧道橫斷面采用雙跨連拱斷面設(shè)計(jì)，凈寬10.25 m，建筑限界高度5.0 m，凈高7.05 m。襯砌斷面采用單心圓方案，半徑為5.43 m,以利于結(jié)構(gòu)受力以及便于施工。隧道平面布置主要服從路線總體走向，采取平曲線，縱坡坡度2.673%。具體尺寸如圖１所示。
圖１ 隧道斷面圖
Fig.1 The Cross Section of the Tunnel
施工中遵循“先支護(hù)、后開(kāi)挖、短進(jìn)尺、弱爆破、快封閉、勤量測(cè)”的施工原則進(jìn)行開(kāi)挖施工。對(duì)于隧道洞口采用明挖法施工，隧道洞身段采用三導(dǎo)洞先墻后拱法施工，中導(dǎo)洞先行，左導(dǎo)洞滯后中導(dǎo)洞，右導(dǎo)洞滯后左導(dǎo)洞，導(dǎo)洞均采用正臺(tái)階法施工,臺(tái)階長(zhǎng)度5-7 m，開(kāi)挖進(jìn)尺按兩榀鋼架間距進(jìn)行。主洞開(kāi)挖先進(jìn)行左洞，右洞滯后左洞7-10 m。主洞開(kāi)挖亦采用臺(tái)階法，上臺(tái)階分部開(kāi)挖預(yù)留核心土。
2 有限元計(jì)算與分析
采用ansys進(jìn)行計(jì)算分析，該可以方便地模擬分部施工過(guò)程和地應(yīng)力的釋放。
1 計(jì)算模型的確定
（1）圍巖與支護(hù)的物理力學(xué)參數(shù)[1]
圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)
| 圍巖級(jí)別 |
重度γ() |
變形模量E（GPa） | 泊松比μ | 內(nèi)摩擦角φ（°） | 粘聚力C(MPa) |
| Ⅴ | 20 | 1.5 | 0.33 | 33.5 | 0.4 |
隧道頂部采用大管棚、小導(dǎo)管超前支護(hù)，初期支護(hù)由φ25錨桿+I20b鋼拱架+噴混凝土組成，二次襯砌為C25鋼筋混凝土。
（2）模型的建立
計(jì)算假定：①隧道的受力和變形為平面應(yīng)變問(wèn)題；②由于埋深較淺，僅考慮自重應(yīng)力場(chǎng)。依據(jù)圣維南原理，取洞徑的2~3倍作為計(jì)算區(qū)域，上邊界取至地表面；左、右邊界為水平約束，下邊界為水平和垂直約束。圍巖用二維平面應(yīng)變單元模擬，超前支護(hù)通過(guò)在加固范圍內(nèi)設(shè)置重疊單元并提高其地層的物理力學(xué)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，噴射混凝土用二維平面單元進(jìn)行模擬，二次襯砌則采用梁?jiǎn)卧M[2]。網(wǎng)格按靠近開(kāi)挖處較密、遠(yuǎn)離開(kāi)挖處較疏的原則劃分，共劃分了1602個(gè)單元，1274個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元網(wǎng)格如圖2。
圖2 有限元計(jì)算模型
Fig.2 FEM Model
（3） 計(jì)算步驟
計(jì)算步驟分為12步：1導(dǎo)洞開(kāi)挖及初期支護(hù)→2墻澆筑→3導(dǎo)洞開(kāi)挖及初期支護(hù)→4主洞上部開(kāi)挖→5主洞上部初期支護(hù)→6主洞下部開(kāi)挖及支護(hù)→7洞開(kāi)挖及初期支護(hù)→8主洞上部開(kāi)挖→9主洞上部初期支護(hù)→10洞下部開(kāi)挖及支護(hù)→11右洞二次初砌。加上初始應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算共12步。
2 計(jì)算結(jié)果及分析
從計(jì)算得出的各個(gè)施工階段的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力以及位移量，得出以下分析。
（1）中導(dǎo)洞開(kāi)挖后，導(dǎo)洞拱頂沉降有7mm ；澆筑中墻后，中墻底部的圍巖出現(xiàn)小部分的塑性區(qū)，表明底部圍巖有局部的破壞，修筑中墻時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)基礎(chǔ)。
（2）左洞上部開(kāi)挖后，中墻呈偏壓狀態(tài)，左側(cè)墻底受拉，其值為0.96MPa，并未超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度；開(kāi)挖區(qū)附近圍巖的水平方向的應(yīng)力重分布情況較明顯。
（3）隨著右洞的開(kāi)挖與初期支護(hù)后，左、右洞拱腳部位支護(hù)混凝土壓應(yīng)力增長(zhǎng)較快；中墻受力明顯改善，受力狀態(tài)趨于對(duì)稱(chēng)，中墻底部出現(xiàn)拉應(yīng)力，但其值并未有太大的變化,約為1MPa；左、右洞拱頂均有約4～5mm的沉降。
（4）二次襯砌施作后，從模筑混凝土的受力來(lái)看，仰拱普遍出現(xiàn)拉應(yīng)力，其值大部分小于0.5MPa，局部出現(xiàn)1.18MPa的拉應(yīng)力；拱頂也有拉應(yīng)力出現(xiàn)，但未大于0.6MPa；中墻頂有6.63MPa的壓應(yīng)力，墻底出現(xiàn)1.01MPa的拉應(yīng)力。
3 監(jiān)測(cè)內(nèi)容與結(jié)果
為評(píng)價(jià)承載結(jié)構(gòu)受力狀況，本文結(jié)合張石高速公路野狐嶺1#連拱隧道施工，主要做了二次襯砌混凝土內(nèi)力的量測(cè)工作。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，本次應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)選在K20+355斷面上。具體測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。
此次的二次襯砌表面應(yīng)變量測(cè)工作選用的儀器是長(zhǎng)沙金碼高科技實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的JMZX－212智能弦式數(shù)碼應(yīng)變計(jì)以及JMZX-200X便攜式綜合測(cè)試儀，JMZX－212智能弦式數(shù)碼應(yīng)變計(jì)是一種表貼式應(yīng)變計(jì)，根據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)期的長(zhǎng)短，可分別選用膨脹螺釘或粘貼劑將其固定在混凝土結(jié)構(gòu)表面。普通傳感器輸出的均是原始信號(hào)（頻率等），而智能弦式數(shù)碼傳感器不僅保留了鋼弦頻率的直接輸出功能，而且由于其已將計(jì)算方法和標(biāo)定參數(shù)存儲(chǔ)在了傳感器內(nèi)，因此還可以直接輸出相對(duì)應(yīng)的被測(cè)物理量（應(yīng)變等）。
圖4 二次襯砌表面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置
Fig.4 Measuring Points Arrangement on Secondary Lining Surface
二次襯砌表面應(yīng)變量測(cè)在拆模后馬上進(jìn)行，準(zhǔn)備工作始于2005年8月下旬，量測(cè)工作從2005年9月1日開(kāi)始，持續(xù)到10月23日（進(jìn)入冬季，天太冷，現(xiàn)場(chǎng)停止大規(guī)模施工）。
盡管在準(zhǔn)備階段對(duì)左右洞均布設(shè)了測(cè)點(diǎn)，但由于施工原因，僅獲得了左洞斷面的量測(cè)結(jié)果。圖5至圖7為各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化情況。
圖5 中墻測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化圖
Fig.6 Strain Development vs. Time of Measuring Point on the middle wall
圖6 拱部測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化圖
Fig.6 Strain Development vs. Time of Measuring Point on the Top of the Secondary Lining
圖7 左邊墻測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化圖
Fig.7 Strain Development vs. Time of Measuring Point on the Left of the Secondary Lining
實(shí)測(cè)結(jié)果表明，二次襯砌混凝土應(yīng)變?cè)诹繙y(cè)過(guò)程中變化不大，由虎克定律求得二次襯砌混凝土表面應(yīng)力值來(lái)看，除左洞拱頂測(cè)點(diǎn)存在拉應(yīng)力外，其余測(cè)點(diǎn)均處于受壓狀態(tài)，并且所得拱頂拉應(yīng)力值在0.6MPa以下；中墻墻身處于受壓狀態(tài)，中墻頂并未出現(xiàn)拉應(yīng)力。所測(cè)二次襯砌在監(jiān)測(cè)斷面上的應(yīng)力不大，在3~6MPa之間，說(shuō)明施工方案與設(shè)計(jì)方案是合理的，隧道結(jié)構(gòu)受力狀況良好。
4結(jié)語(yǔ)
由計(jì)算分析結(jié)果和監(jiān)控量測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)看，二次襯砌上的應(yīng)力總體來(lái)說(shuō)不大，在拱頂及仰拱部位存在著一定的拉應(yīng)力，一般均滿足其抗拉強(qiáng)度，只是仰拱局部出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。就監(jiān)測(cè)的應(yīng)力狀態(tài)而言，二次襯砌整體應(yīng)力不大，隧道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)良好。監(jiān)控量測(cè)是信息化設(shè)計(jì)的重要組成內(nèi)容，也是新奧法復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)、施工的核心技術(shù)。監(jiān)控量測(cè)一方面可以掌握承載結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，由此來(lái)預(yù)見(jiàn)險(xiǎn)情，提前采取有效措施，保證施工安全；另一方面也是為以后的研究提供原始數(shù)據(jù)，積累工程資料。本文計(jì)算所采用的是二維有限元計(jì)算，但巖體的開(kāi)挖屬于三維問(wèn)題，巖體的變形也存在空間效應(yīng)，雖然二維有限元模型在簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程的同時(shí)也能較好的反映巖體的應(yīng)力和變形，但由于忽略了隧道開(kāi)挖的空間效應(yīng)，因此僅能得到計(jì)算斷面處變形收斂的穩(wěn)定位移，即最大位移。因此在實(shí)際的施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)圍巖內(nèi)部位移、凈空收斂和拱頂下沉的量測(cè)，及時(shí)反饋信息，才能確定出襯砌的最佳施作時(shí)機(jī)。
參考文獻(xiàn)
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[2] 趙玉光．雙連拱隧道施工力學(xué)數(shù)值模擬與施工方法比選[J]．廣西交通科技．2003.4
作者簡(jiǎn)介：謝愛(ài)華，女，1981年生，碩士研究生。
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