连拱隧道中墙结构优化分析.pdf

现代隧道技术 2006年增刊(31 1—315) 连拱隧道中墙结构优化分析 吴文荣1 丁文其1 王晓形1 李志厚2 李国锋3 (1同济大学地下建筑与工程系，上海200092；2云南省公路规划勘察设计院，昆明650011 3云南思小高速公路指挥部，西双版纳650011) 摘要随着我国公路隧道的发展，连拱隧道的应用也愈来愈广泛，而中墙是连拱隧道最重要的部分，但在实 际应用中中墙结构形式有很多种，各种中墙结构形式各有利弊。因此，从整体上分析各种中墙结构的特点，得出最 优化的中墙结构形式是很必要的。文章从连拱隧道中墙的设计与施工、裂缝调查及二维模拟计算几个方面，对几 种常见的连拱隧道结构形式进行比较，分析结果表明，三层曲中墙结构是最优化的结构形式。 关键词连拱隧道中墙设计结构形式数值模拟 l引言 由于连拱隧道跨度大、结构复杂、工序繁多，设 计与施工难度均大于双线分幅隧道，同时受施工技 术条件和水平的限制，我国《公路隧道设计规范》规 定：“高速公路、一级公路一般应设计为上、下行分 离的两座独立隧道”?，公路隧道很少采用连拱隧 道，一般修建分幅隧道。近些年，随着设计施工技术 水平的不断提高．连拱隧道在平面线路、洞口位置等 均较分幅隧道优越，且自由度大；因而在中短高速公 路隧道的修建中，特别是在我国西部交通工程建设 中，连拱隧道得到了越来越广泛的应用”。1。 2隧道裂缝调查分析 同济大学联合云南公路规划勘察设计院、云南 思小高速公路建设指挥部、贵州省交通规划勘察设 计研究院、四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 在2002—2005年对云南、贵州、四川等地的连拱隧 道裂缝进行了大范围的调查，调查结果表明：裂缝主 要出现在中墙顶与拱部接触部位、中墙墙脚部位、以 及边墙与拱部接触带，其中以中墙与拱部交接处出 现裂缝居多，一般80％以上的裂缝出现在墙部，裂 缝多数先出现在中墙与拱部交接处，再向中墙发展， 隧道渗水也多出现在这些裂缝处”o。 中墙是连拱隧道的传力和承力部位，是维系结 构整体稳定的中枢，也是连拱隧道防排水的重点设 置部位，是连拱隧道中最为重要的结构”o。选择最 优化的中墙结构形式是连拱隧道设计中的关键。在 现行灼连拱隧道中，中墙结构形式有很多种，其中常 见的有：整浇直中墙结构、整浇曲中墙结构、三层直 中墙结构、三层曲中墙结构。三层中墙结构很少出 现裂缝，尤其是三层曲中墙结构几乎没有裂缝，这与 二次衬砌一次模筑成功以及衬砌圆滑具有较好的力 学传递性能有关。另外，洞口段每平米墙面裂缝长 度约为洞身段裂缝长度的2．5倍，这与连拱隧道这 种结构的特殊性有关，连拱隧道一般应用于中短隧 道，带来的偏压影响较为严重。 3数值模拟比较分析 通过对相同地质参数、相同衬砌参数以及隧道 跨度、高度基本一致条件下的模拟计算，对三种中墙 结构形式的连拱隧道进行分析比较，计算采用平面 应变弹塑性本构模型进行分析，屈服准则为德鲁克 一普拉格屈服准则。围岩、中墙采用三角形实体单 元模拟。锚杆和初期衬砌采用两维杆单元模拟，二次 衬砌采用两维梁单元模拟。为了便于对三种结构进 行比较说明，围岩衬砌采用相同参数，隧道埋深40 m， 底部取5倍洞高，左右边取5倍洞径。考虑初期衬 砌与二次衬砌之问有一定滑动，在两者之间设接触 面单元，采用单层节理材料模拟。两侧边界结点加 水平方向约束，底部边界结点加竖直方向约束031。 根据设计和施工情况，把三导洞法开挖过程分 为8个施工步(共19个增量步)，具体施工步为： (1)开挖中导洞，施作初期衬砌，浇筑中墙；(2)开挖 ·3¨· 现代隧道技术 2006年增刊 左导洞，施作初期衬砌，中墙回填，架l临时支撑；(3) 弧形开挖左拱部，施作初期衬砌；(4)左上半断面、 下半断面及仰拱开挖，浇筑仰拱及二次衬砌；(5)弧 形开挖右拱部，施作初期衬砌；(6)弧形开挖右拱 部，施作初期衬砌；(7)右上半断面、下半断面及仰 拱开挖，浇筑仰拱及二次衬砌；(8)仰拱回填。 3．1拱顶沉降结果分析 三种结构各阶段拱顶沉降差别不大，对相同施 逞 邀 蟮 曼 左洞拱顶沉降fl}}线 工方案其变形趋势亦相似(图1)，数值模拟是基于 中墙顶部的回填密实且不考虑岩体流变，实际在软 弱破碎围岩带流变的影响相当大，所以采用合适的 施工方案缩短工期就显得相当重要。相对而言。曲 中墙结构对控制拱顶沉降效果比较明显：曲中墙结 构具有较好的受力性能和刚度，能较好地控制拱顶 沉降。三层曲中墙拱顶沉降最小，这与监测数据是 一致的。 詈＼ 垃 蛙 邑 《 右洞拱项jjC降fllf线 图l拱顶沉降随增量步变化曲线 3．2三种结构中墙应力比较 三种结构都有应力集中部位：直中墙结构分布 在中墙与树砌交接处(图2,0，且范围最大；整浇曲 中墙结构分布在中墙顶部与衬砌交接处和中部(图 2b)，范围较