小研偏壓連拱隧道中墻優化設計
1 引言
20 世紀90 年代以來，我國高等級公路建設進入一個高速發展時期。在山區高等級公路的修建中，連拱隧道作為一種新的隧道形式，得到越來越廣泛的應用[1]。雖然連拱隧道近年來發展迅速，但因其設計和施工方法還不成熟，目前仍缺少有效的可以類比的工程借鑒。存在的諸多問題中，除了對連拱隧道的力學特性沒有進行深入的研究外，另一個重要問題是連拱隧道本身結構型式不盡合理 [2,3]。
作為連拱隧道結構的重要組成部分，中墻的設計合理與否，關系到整個隧道的穩定與否。
在隧道修建過程中，中墻受力非常復雜，在偏壓連拱隧道中尤為突出。對于偏壓連拱隧道，中墻不僅要承受隧道結構兩側覆土不對稱引起的地形偏壓；還在左右洞施工過程中，承受由于不對稱施工引起的施工偏壓[4]，從而產生不對稱的應力和應變，直接影響到隧道的總體穩定性[5]。因此，有必要結合實際工程對偏壓連拱隧道中墻的力學特性進行分析研究，從而對其進行優化設計，使中墻受力更合理，隧道更加穩定，這對雙連拱隧道的設計施工具有重要的借鑒和指導意義[6-8]。
2 工程概況
沙塘坑隧道位于四會市黃田鎮沙塘坑，設計為雙跨連拱式隧道，隧道走向呈近南東——北西向展布，山頂高程約95 m，隧道最大埋深約43m，設計隧道起訖樁號為K48+375～K48+575，全長200m，均采用鋼筋混凝土洞門形式。隧道區在地貌上屬于剝蝕丘陵地貌類型，隧道橫穿山丘，進出口段自然坡度較陡，坡角約為35～40°。隧道處地質構造上位于燕山期四會序列江頭單元侵入巖體中，巖石為細、中粒黑云母花崗巖，灰白色、肉紅色，細粒花崗結構，塊狀構造；節理裂隙較發育，節理產狀以215°～260°∠45°～50°和65°～80°∠75°～80°為主。
沙塘坑隧道建筑限界凈寬31.1（14.0×2+3.1）m，凈高5 m，采用復合式曲中墻結構，中墻高4.0 m，寬2.8 m。沙塘坑隧道施工方法為:Ⅲ、Ⅳ級圍巖采用中導洞法,Ⅴ級圍巖用三導洞法。
3 優化設計分析
3.1 計算模型
本文以沙塘坑隧道K48+520 斷面（Ⅴ級圍巖）為例，建立兩組實驗模型，模型一為原設計的中墻形式，設置在中導洞中央的對稱形式；模型二為優化的中墻設計形式，向深埋側（圍巖壓力大的一側）偏移的不對稱設置，中墻整體向深埋側平移1 m，其他條件不變。采用ANSYS 二維有限元模擬兩種情況下中墻的受力和變形情況。邊界條件為：上邊界自由約束，下邊界豎向約束，取3 倍隧道結構高度，兩側邊界水平約束，取4 倍隧道結構寬度。簡化的計算模型。
根據隧道圍巖的物理力學性質，在有限元計算當中，采用了彈塑性的非線性有限元法。
圍巖材料的本構模型采用Drucker-Prager(D-P)模型，計算隧道結構與地層在開挖過程中發生的非線性變形特性。在對隧道進行開挖過程的數值模擬分析中，計算程序采用了ANSYS 有限元分析軟件。隧道施工的分步開挖過程通過軟件提供單元的“生(alive)”和“死(kill)來實現[9]。在計算過程中，圍巖和支護結構均采用ANSYS 程序匯總的PLANE42 單元來加以模擬。在進行有限元計算時，中墻、圍巖和支護結構的物理力學參數依據設計資料確定，具體取值。
3.2 計算工序
本文研究的是 K48+520 斷面中墻的受力和變形情況，因該斷面處是Ⅴ級圍巖，故施工過程中采用的三導洞法，其具體的施工工序是：1 中導洞開挖及支護；2 澆筑中墻及上部土回填；3 左導洞開挖及支護；4 右導洞開挖及支護；5 左洞上臺階開挖及支護；6 左洞上下臺階開挖及支護；7 右洞上臺階開挖及支護；8 右洞下臺階開挖及支護。
3.3 計算結果分析
本文主要針對沙塘坑隧道中墻進行計算分析，研究在兩個不同模型條件下中墻的應力和應變情況。
3.3.1 中墻應力分析
中墻在兩個不同模型下隨著隧道開挖過程其應力情況模擬結果如下表。
可知，模型一中中墻最大應力的變化范圍為1.569 Mpa～2.544 MPa，而模型二的中墻最大應力的變化范圍僅為0.809 MPa～0.966 MPa。模型二相應開挖步的應力僅為模型一的40%左右。由此可見，優化設計大大降低了中墻的應力，提高了中墻的穩定性。以下是兩個模型在第3、5、7 施工步的應力圖。第4 施工步與第3 施工步、第6 施工步與第5 施工步、第8 施工步與第7 施工步變化趨勢基本相同。
連拱隧道在修建過程中，左右導坑的施工對中墻應力的影響較小，主要因為左右導坑開挖的輪廓較小，距離中墻大約有10m。連拱隧道中墻因承受隧道上方絕大部分的圍巖壓力，隨著上下臺階的開挖，中墻上方的圍巖在左側形成了一個臨空面，圍巖應力重分布后集中向左正洞方向釋放，這樣傳遞在中墻頂部各處的應力值不一致，從而造成中墻的應力集中，主要集中在中墻左側的中下部。同時，在地形偏壓作用下連拱隧道產生整體向隧道外側位移，在淺埋側隧道產生被動壓力，而在深埋側隧道產生主動壓力。因此中墻產生了從淺埋側向深埋側的彎矩，造成中墻淺埋側的應力比深埋側的大，所以中墻左側集中了較大的應力。這種應力增大到一定程度，中墻結構就會產生裂縫甚至破壞，隧道就會失穩。而中墻向深埋側(右側)移動1m 后，中墻因荷載的不對稱作用產生的彎矩將減小，中墻的應力也相應地減小到比較低的水平，且主要集中在基底，故中墻穩定性大大提高。
3.3.2 中墻應變分析
中墻在兩個不同模型下隨著隧道開挖過程其應變情況模擬結果。
可知，模型一中墻最大應變的范圍為0.156×10-3～0.308×10-3，而模型二的中墻應變的變化范圍為0.139×10-3～0.166×10-3，模型二最大的應變僅為模型一的50%左右，優化設計大大減小了中墻的應變，提高了中墻的整體穩定性。以下是兩個模型在第4、6、8施工步的應變圖。第3 施工步與第4 施工步、第5 施工步與第6 施工步、第7 施工步與第8施工步變化趨勢基本相同。
在偏壓條件下，中墻不僅產生橫向的整體偏移，且在縱向也產生扭轉變形[10]。從上圖可知，隨著隧道的開挖，中墻的應變越來越大，且主要集中在上部，基底的應變較小。因為不對稱荷載引起頂部的扭轉、偏移作用產生的變形遠大于底部的變形。在模型一情況下中墻的應變主要集中在右側上部，因為由于偏壓作用，中墻右側承受的圍巖壓力比左側的大，因此產生順時針的扭轉，中墻右側受壓，故其應變比左側的大。在模型二條件下，隧道的偏壓程度大大降低，中墻左右兩側所受的荷載相差不大，荷載不對稱作用引起的扭轉大大減弱，所以其應變也大幅度的減小，且左右兩側基本對稱，故中墻穩定性較對稱布置的好。
4 結論
通過對兩個模型下中墻在不同施工步的應力和應變的數值模擬結果進行分析，可以得出以下結論：
（1）對于偏壓連拱隧道，中墻中墻設置在中導洞中央的對稱形式由于不對稱荷載作用，左右兩側會產生較大的彎矩和扭矩，從而使其產生較大的應力和應變，對中墻的穩定不利。
（2）中墻向隧道深埋側移動1m，其偏壓程度會降低，左右兩側承受的應力相應的減小，僅為對稱布置的40%，且處于比較低的水平，中墻的穩定性大大提高。
（3）從應變水平上來看，中墻向深埋側移動1m，其應變僅為對稱布置的一半，且分布比較對稱，中墻變形比較合理。
（4）根據兩個模型的對比，不管是從應力水平還是從應變水平上來看，中墻向深埋側移動1m，其兩端所受的不對稱壓力將大大的減小，由此產生的應力和應變也大幅度降低，使中墻的受力更加合理，穩定性更好。
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