公路隧道梯形套拱斜交进洞施工数值分析

2018-05-14 09:50:33胡亚伟方梁正张化川寇有振王亚泽

现代交通技术 2018年2期

胡亚伟，方梁正，张化川，胡强，*，寇有振，左旭，王亚泽

（1. 长安大学公路学院，西安 710064；2.中设设计集团股份有限公司，南京 210014；3.宁波市交通规划设计研究院有限公司，宁波 315192）

在修建山岭隧道时，由于受到路线指标的限制，隧道洞口地形等高线与隧洞轴线斜交的情况时常出现。为了应对这种情况，工程技术人员提出了能有效降低洞口边仰坡高度，增加洞口成洞面稳定性的斜交进洞工法，并在此基础上进行了大量的研究。范永慧等[1]讨论了偏压地形下斜交进洞施工的可行性，并总结出各种斜交进洞工法的优缺点；陈友贤[2]研究了连拱隧道斜交正作下梯形套拱的施工力学响应，并对其设计和施工关键技术提出了相应的指导建议；梅勇文等[3]介绍了斜交进洞法零开挖进洞的设计要点和施工工序，提出斜交进洞法能够避免洞口段大开挖，保证山体稳定；唐颖[4]研究了斜交正作洞口中关键结构梯形套拱的受力情况，并总结了斜交正作洞口的优缺点、适用条件；刘继国和柯小华[5]研究了斜交进洞施工的影响因素，提出斜交进洞方式在地质较好的偏压地段具有一定优势。

值得注意的是，目前斜交进洞的研究以平行四边形套拱配合左右不同开挖进尺的斜交斜作和梯形套拱配合左右等距开挖的斜交正作为主，对配合左右不同开挖进尺的梯形套拱斜交进洞工法的研究尚少。为了验证梯形套拱斜交进洞法的合理性，并对其进一步完善，本文以宁波奉化环线乌鸦山隧道左线进洞所用施工方案为例，对公路隧道梯形套拱斜交进洞过程进行数值模拟，验证其设计参数与施工方法，进而总结出相应的施工规律，旨在为类似工程提供参考。

1 梯形套拱斜交进洞工法简介

梯形套拱斜交进洞工法采用梯形套拱配合左右不同开挖进尺的组合措施，利用提前施作的梯形套拱来支挡洞口处山体偏压的影响，并在洞口斜交段采用左右不同进尺开挖，钢拱架扇形布置，使得钢拱架能够及时封闭成环，初期支护受力将更为合理。具体施工方法如图1所示。

图1 梯形套拱左右不等距开挖示意图

2 工程概况

奉化西环线乌鸦山隧道位于宁波市奉化溪口风景区，为分离式双洞一级公路隧道。乌鸦山隧道左洞靠近山体侧围岩状况较好，为砂岩；冲沟侧为碎石黏土，山体横坡较大，设计为V级围岩。根据现场调研和地质勘查报告，靠山侧围岩少量风化层下即为条件较好的砾岩，另一侧基础平整可作为梯形斜交进洞的长边侧基础。综合各方面因素，采用梯形套拱斜交进洞施工，可将明暗交接处前移10m左右。由于斜交进洞方案施工复杂且有一定危险性，本文将对斜交进洞法施工的可行性和安全性进行模拟计算。乌鸦山隧道进口地形如图2所示。

图2 乌鸦山隧道进口地形图

3 计算模型

3.1 模型简介

以乌鸦山隧道左线出口实际地形建立三维数值模型，利用ANSYS软件模拟进洞施工全过程。一般认为隧道开挖影响范围为3～5倍的洞径，因此隧道两边各取60 m，隧道下方取60 m，上部按实际地形，取实际自然坡面；前后取70 m，包括梯形套拱段、斜交开挖段、正交开挖段。围岩从上到下依次为强风化砾岩、中风化砾岩、微风化砾岩。隧道洞身处于中风化砂岩中，隧道地面横坡为 30°，隧道轴线与地面等高线交角为40°。模型采用D-P准则，共划分了447 710个单元，93 928个节点，采用solid185实体单元模拟围岩和混凝土衬砌结构，shell181壳单元模拟初期支护，link10单元模拟系统锚杆，具体模型及网格划分如图3所示；表1为乌鸦山隧道洞口段支护设计参数；表2为围岩及支护结构计算参数。

表1 乌鸦山隧道洞口段支护设计参数

图3 三维有限元模型及网格划分图

3.2 模拟过程

（1）本文模拟的是梯形套拱斜交进洞施工全过程。其全过程可划分为：边、仰坡的开挖与防护；梯形套拱的施作；管棚施工；洞内不等距开挖段的开挖和支护。

（2）隧道采用预留核心土环形开挖法，本文主要模拟斜交进洞段梯形套拱在左右不同进尺条件下的受力与变形，为简化计算，采用4个循环从斜交进洞转变为正交进洞，左侧每次开挖2 m，右侧每次开挖4 m，具体如图4所示。每一循环分上台阶开挖、核心土开挖及下台阶开挖，一共12个开挖步。

表2 围岩及支护结构计算参数

（3）因洞口段属浅埋地段，初始应力场仅考虑自重应力场，不考虑构造应力场[6]。

图4 斜交左右不等距开挖进尺示意图

4 计算结果及分析

4.1 梯形套拱的内力及变形分析

4.1.1 梯形套拱内力分析

（1）梯形套拱拉应力分析

随着施工进程的推进，梯形套拱受拉应力变化不大，最大拉应力点集中在长边内侧拱腰处，为7.3 MPa左右，超过了C30混凝土的极限抗拉强度；梯形套拱两侧边墙内侧存在拉应力区，大小在1.0～1.4 MPa之间。

梯形套拱内设有钢拱架并需有必要的配筋设计，除极值点混凝土拉应力过大外，其他部分均满足抗拉强度要求。在设计中为避免梯形套拱被破坏，宜在套拱长边侧增加平衡偏压的支挡结构，如偏压挡墙、虚拟洞壁段片石混凝土回填等措施。

（2）梯形套拱压应力分析

梯形套拱内侧所受压应力较大值集中在靠近山体侧的拱腰处，其值大小主要在4～6 MPa之间，短边边墙受压应力较大。压应力最大值为10.4 MPa，随施工变化不大。

梯形套拱外侧所受压应力较大值集中在长边边墙与套拱基础连接处，此处模型为直角，易产生应力集中，实际梯形套拱基础设计时，应使用圆角平滑过渡；同时应增大拱脚基础，以利于套拱稳定性。梯形套拱的抗压强度满足设计要求。

4.1.2 梯形套拱变形分析

分析数值模拟结果，梯形套拱在竖直方向和水平方向的位移最大值为19 mm；左右侧变形不一致，短边侧相对长边侧而言，变化量更大，故而可知短边侧受山体偏压影响较显著。

4.1.3 梯形套拱抗倾覆分析

由于梯形套拱受山体偏压作用的影响，可能出现偏压倾覆的危险。套拱基础底面长边侧底部全部为压应力，短边底部有25%的区域表现为拉应力。因此，在实际施工时，应施作锁脚锚杆或锚索固定基底。

4.2 初期支护内力及变形分析

4.2.1 初期支护内力分析

（1）初期支护压应力分析

随着施工步骤的推进，初期支护压应力最大值和应力集中区有相应变化，上台阶施工时初期支护受力相对较小，最大压应力出现在拱脚处内侧和拱顶外侧；核心土开挖时初期支护受力相应有少量增加；下台阶开挖对初期支护受力影响较大，下台阶开挖后初期支护压应力最大值发生在拱脚与仰拱连接处。

随着开挖进尺的推进，初期支护所受最大压应力逐渐增大，如表3所示，最大应力集中区向隧道两侧拱脚外侧移动。在宽边拱脚外侧、衬砌与梯形套拱连接处，可采用联合支护形式，增加混凝土与套拱、钢拱架的整体作用，减少相应部位的应力集中现象。

表3 初期支护压应力随开挖步变化值

斜交转正交段施工完成后，初期支护最大压应力为3.52 MPa，发生在长边与套拱接触部位外侧。窄边拱肩内侧压应力值在1.1～1.7 MPa之间，拱顶压应力相对较小。总体上初期支护的压应力值较小，满足C25混凝土抗压强度要求。

（2）初期支护拉应力分析

初期支护拉应力施工过程数值模拟结果如表4所示。由表4可知，随着施工开挖进行，最大拉应力在逐渐增大，开挖第一环时最大拉应力发生在短边拱脚外侧，为0.97 MPa；最后一个开挖步隧道拉应力达到施工中最大值，为2.01 MPa；在正交段施工后初期支护受偏压作用相对减少，应力集中现象得到缓解，初期支护拉应力减弱，保持在安全的范围内。

4.2.2 初期支护变形分析

由于受偏压作用影响，施工完成后初期支护拱顶偏右侧竖直方向位移值最大，达到20.7 mm；宽边侧拱肩及拱墙竖直方向位移较其他部位大，为19.6～20.27 mm。隧道初期支护预留变形量为607 mm，实际变形量相对较小。随着隧道开挖、支护的进行，隧道拱顶右侧支护变形量大于其他部位，偏压对隧道衬砌变形影响明显。水平方向位移云图显示，水平方向位移最大值发生在初期支护最外端左、右侧拱墙处。为抵抗初期支护的水平位移，应在套拱长边侧设置偏压挡墙或反压支挡结构。

表4 初期支护拉应力随开挖步变化值

4.3 围岩应力及位移分析

围岩应力具有明显不对称性。围岩最大压应力为1.8MPa，发生在靠山侧拱肩处；同时拱脚内侧压应力也较为集中，施工时应加强拱脚处的支护。

为了直观地反映隧道开挖引起的围岩变形情况，在隧道洞口斜交段分别选取拱顶328号单元、底部29 455号单元及右侧边墙313号单元作为位移考察点。3个单元的位移随施工开挖的变化曲线如图5～7所示。洞口处拱顶下沉值随开挖步数逐渐增加，累计达到19.8 mm；底部隆起值随开挖步数增加逐渐由17.2 mm减小到16 mm；斜交进洞围岩受偏压作用明显，较大水平收敛值在洞口附近靠山侧拱脚至拱肩处；右侧最大水平收敛值累计为3.5 mm；围岩变形值均相对较小。