巖土工程師輔導(dǎo)：拱隧道的施工過(guò)程模擬和測(cè)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(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%。

　　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軟件進(jìn)行計(jì)算分析，該軟件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)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)。

　　Fig.2 FEM Model

　　(2) 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，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)。

　　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。

　　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)。

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