巖土工程師輔導(dǎo)：拱隧道的施工過程模擬和測試分析

　　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(fēng)化碎塊狀玄武巖為主，次為亞粘土，地表風(fēng)化強度更強，巖質(zhì)疏松;出口地段主要為弱-強風(fēng)化碎塊狀結(jié)構(gòu)，次為碎石土;中部地段巖石風(fēng)化程度較進口段弱，也以強風(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(shè)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(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%。

　　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(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(yù)留核心土。

　　2 、有限元計算與分析

　　采用ansys軟件進行計算分析，該軟件可以方便地模擬分部施工過程和地應(yīng)力的釋放。

　　1 計算模型的確定

　　(1)模型的建立

　　計算假定：①隧道的受力和變形為平面應(yīng)變問題;②由于埋深較淺，僅考慮自重應(yīng)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(yīng)變單元模擬，超前支護通過在加固范圍內(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。

　　Fig.2 FEM Model

　　(2) 計算步驟

　　計算步驟分為12步：1導(dǎo)洞開挖及初期支護→2墻澆筑→3導(dǎo)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(yīng)力場的計算共12步。

　　2 計算結(jié)果及分析

　　從計算得出的各個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，修筑中墻時應(yīng)注意加強基礎(chǔ)。

　　(2)左洞上部開挖后，中墻呈偏壓狀態(tài)，左側(cè)墻底受拉，其值為0.96MPa，并未超過混凝土的抗拉強度;開挖區(qū)附近圍巖的水平方向的應(yīng)力重分布情況較明顯。

　　(3)隨著右洞的開挖與初期支護后，左、右洞拱腳部位支護混凝土壓應(yīng)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(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)測內(nèi)容與結(jié)果

　　為評價承載結(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)力的量測工作。根據(jù)現(xiàn)場情況，本次應(yīng)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(yīng)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(chǎn)的JMZX-212智能弦式數(shù)碼應(yīng)變計以及JMZX-200X便攜式綜合測試儀，JMZX-212智能弦式數(shù)碼應(yīng)變計是一種表貼式應(yīng)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(jié)構(gòu)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(nèi)，因此還可以直接輸出相對應(yīng)的被測物理量(應(yīng)變等)。

　　Fig.4 Measuring Points Arrangement on Secondary Lining Surface

　　二次襯砌表面應(yīng)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(shè)了測點，但由于施工原因，僅獲得了左洞斷面的量測結(jié)果。圖5至圖7為各測點的應(yīng)變變化情況。

　　實測結(jié)果表明，二次襯砌混凝土應(yīng)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(yīng)力值來看，除左洞拱頂測點存在拉應(yīng)力外，其余測點均處于受壓狀態(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。所測二次襯砌在監(jiān)測斷面上的應(yīng)力不大，在3~6MPa之間，說明施工方案與設(shè)計方案是合理的，隧道結(jié)構(gòu)受力狀況良好。

　　4、結(jié)語

　　由計算分析結(jié)果和監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)來看，二次襯砌上的應(yīng)力總體來說不大，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度，只是仰拱局部出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。就監(jiān)測的應(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)控量測是信息化設(shè)計的重要組成內(nèi)容，也是新奧法復(fù)合式襯砌設(shè)計、施工的核心技術(shù)。監(jiān)控量測一方面可以掌握承載結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，由此來預(yù)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(yīng)，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(yīng)力和變形，但由于忽略了隧道開挖的空間效應(yīng)，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(yīng)加強對圍巖內(nèi)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。

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