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560 m，位于野狐嶺段玄武巖臺地區(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級圍巖，進口地段圍巖以強風化碎塊狀玄武巖為主，次為亞粘土，地表風化強度更強，巖質疏松；出口地段主要為弱-強風化碎塊狀結構，次為碎石土；中部地段巖石風化程度較進口段弱，也以強風化碎塊狀玄武巖為主。由于巖體風化差異，致使疏松巖石與堅硬巖塊相間出現(xiàn)，開挖過程很難控制開挖斷面形狀，施工困難。
隧道橫斷面采用雙跨連拱斷面設計，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,以利于結構受力以及便于施工。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、后開挖、短進尺、弱爆破、快封閉、勤量測”的施工原則進行開挖施工。對于隧道洞口采用明挖法施工，隧道洞身段采用三導洞先墻后拱法施工，中導洞先行，左導洞滯后中導洞，右導洞滯后左導洞，導洞均采用正臺階法施工,臺階長度5-7 m，開挖進尺按兩榀鋼架間距進行。主洞開挖先進行左洞，右洞滯后左洞7-10 m。主洞開挖亦采用臺階法，上臺階分部開挖預留核心土。
2 有限元計算與分析
采用ansys進行計算分析，該可以方便地模擬分部施工過程和地應力的釋放。
1 計算模型的確定
（1）圍巖與支護的物理力學參數(shù)[1]
圍巖的物理力學指標
| 圍巖級別 |
重度γ() |
變形模量E（GPa） | 泊松比μ | 內摩擦角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、小導管超前支護，初期支護由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
計算假定：①隧道的受力和變形為平面應變問題；②由于埋深較淺，僅考慮自重應力場。依據(jù)圣維南原理，取洞徑的2~3倍作為計算區(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。圍巖用二維平面應變單元模擬，超前支護通過在加固范圍內設置重疊單元并提高其地層的物理力學參數(shù)來實現(xiàn)，噴射混凝土用二維平面單元進行模擬，二次襯砌則采用梁單元模擬[2]。網(wǎng)格按靠近開挖處較密、遠離開挖處較疏的原則劃分，共劃分了1602個單元，1274個節(jié)點。有限元網(wǎng)格如圖2。
圖2 有限元計算模型
Fig.2 FEM Model
?。?） 計算步驟
計算步驟分為12步：1導洞開挖及初期支護→2墻澆筑→3導洞開挖及初期支護→4主洞上部開挖→5主洞上部初期支護→6主洞下部開挖及支護→7洞開挖及初期支護→8主洞上部開挖→9主洞上部初期支護→10洞下部開挖及支護→11右洞二次初砌。加上初始應力場的計算共12步。
2 計算結果及分析
從計算得出的各個施工階段的最大主應力、最小主應力以及位移量，得出以下分析。
?。?）中導洞開挖后，導洞拱頂沉降有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，修筑中墻時應注意加強基礎。
?。?）左洞上部開挖后，中墻呈偏壓狀態(tài)，左側墻底受拉，其值為0.96MPa，并未超過混凝土的抗拉強度；開挖區(qū)附近圍巖的水平方向的應力重分布情況較明顯。
?。?）隨著右洞的開挖與初期支護后，左、右洞拱腳部位支護混凝土壓應力增長較快；中墻受力明顯改善，受力狀態(tài)趨于對稱，中墻底部出現(xiàn)拉應力，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看，仰拱普遍出現(xiàn)拉應力，其值大部分小于0.5MPa，局部出現(xiàn)1.18MPa的拉應力；拱頂也有拉應力出現(xiàn)，但未大于0.6MPa；中墻頂有6.63MPa的壓應力，墻底出現(xiàn)1.01MPa的拉應力。
3 監(jiān)測內容與結果
為評價承載結構受力狀況，本文結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力的量測工作。根據(jù)現(xiàn)場情況，本次應變監(jiān)測點選在K20+355斷面上。具體測點布置如圖4所示。
此次的二次襯砌表面應變量測工作選用的儀器是長沙金碼高科技實業(yè)有限公司生產的JMZX－212智能弦式數(shù)碼應變計以及JMZX-200X便攜式綜合測試儀，JMZX－212智能弦式數(shù)碼應變計是一種表貼式應變計，根據(jù)監(jiān)測時期的長短，可分別選用膨脹螺釘或粘貼劑將其固定在混凝土結構表面。普通傳感器輸出的均是原始信號（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，而且由于其已將計算方法和標定參數(shù)存儲在了傳感器內，因此還可以直接輸出相對應的被測物理量（應變等）。
圖4 二次襯砌表面應變測點布置
Fig.4 Measuring Points Arrangement on Secondary Lining Surface
二次襯砌表面應變量測在拆模后馬上進行，準備工作始于2005年8月下旬，量測工作從2005年9月1日開始，持續(xù)到10月23日（進入冬季，天太冷，現(xiàn)場停止大規(guī)模施工）。
盡管在準備階段對左右洞均布設了測點，但由于施工原因，僅獲得了左洞斷面的量測結果。圖5至圖7為各測點的應變變化情況。
圖5 中墻測點應變變化圖
Fig.6 Strain Development vs. Time of Measuring Point on the middle wall
圖6 拱部測點應變變化圖
Fig.6 Strain Development vs. Time of Measuring Point on the Top of the Secondary Lining
圖7 左邊墻測點應變變化圖
Fig.7 Strain Development vs. Time of Measuring Point on the Left of the Secondary Lining
實測結果表明，二次襯砌混凝土應變在量測過程中變化不大，由虎克定律求得二次襯砌混凝土表面應力值來看，除左洞拱頂測點存在拉應力外，其余測點均處于受壓狀態(tài)，并且所得拱頂拉應力值在0.6MPa以下；中墻墻身處于受壓狀態(tài)，中墻頂并未出現(xiàn)拉應力。所測二次襯砌在監(jiān)測斷面上的應力不大，在3~6MPa之間，說明施工方案與設計方案是合理的，隧道結構受力狀況良好。
4結語
由計算分析結果和監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)來看，二次襯砌上的應力總體來說不大，在拱頂及仰拱部位存在著一定的拉應力，一般均滿足其抗拉強度，只是仰拱局部出現(xiàn)較大的拉應力。就監(jiān)測的應力狀態(tài)而言，二次襯砌整體應力不大，隧道結構的受力狀態(tài)良好。監(jiān)控量測是信息化設計的重要組成內容，也是新奧法復合式襯砌設計、施工的核心技術。監(jiān)控量測一方面可以掌握承載結構的動態(tài)變化，由此來預見險情，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。本文計算所采用的是二維有限元計算，但巖體的開挖屬于三維問題，巖體的變形也存在空間效應，雖然二維有限元模型在簡化計算過程的同時也能較好的反映巖體的應力和變形，但由于忽略了隧道開挖的空間效應，因此僅能得到計算斷面處變形收斂的穩(wěn)定位移，即最大位移。因此在實際的施工過程中應加強對圍巖內部位移、凈空收斂和拱頂下沉的量測，及時反饋信息，才能確定出襯砌的最佳施作時機。
參考文獻
[1] 中華人民共和國行業(yè)標準．公路隧道設計規(guī)范（JTG D70-2004）[S]．北京：人民交通出版社，2004.8
[2] 趙玉光．雙連拱隧道施工力學數(shù)值模擬與施工方法比選[J]．廣西交通科技．2003.4
作者簡介：謝愛華，女，1981年生，碩士研究生。
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