连拱隧道洞口段施工方案优化分析.pdf

现代隧道技术 2006年增刊(397—401) 连拱隧道洞口段施工方案优化分析 黄俊1杜鹏宇2张瑞霞3 (1江西省交通设计院。南昌330002i2石家庄市电业设计研究院，石家庄05001I 3上海同岩土木工程科技有限公司，上海200092) 摘要随着我国公路隧道建设的发展，连拱隧道也越来越多。连拱隧道一般应用于中短隧道，常常与边坡 结合在一起．同时连拱隧道施工过程非常复杂，不同的施工方案带来不同的力学行为，故有必要对连拱隧道施工方 案进行优化分析，尤其是在有边坡影响的情况下。本文建立了连拱隧道施工动态有限元模型，分另U模拟先开挖边 坡外侧和先开挖内侧隧道的施工过程，并通过对中墙应力、围岩稳定性的比较，分析了边坡影响下两种施工方案的 优劣。 关键词连拱隧道边坡施工方案优化分析 1引言 2工程概况 近年来，连拱隧道多用于中、短隧道，尤其是在 多山地区的高速公路规划设计中。隧道工程和边坡 密切相关，特别是连拱隧道的设计施工中，在确定隧 道位置时就无法回避边坡问题，包括隧道进山时洞 门外的边坡以及洞门顶部的仰坡，而且在施工过程 中还可能受到偏压地形以及潜在的滑坡、剥落、崩塌 等边坡变形破坏问题的威胁?。因此，在边坡作用 下确定合理的连拱隧道施工方案就显得十分必要。 使隧道产生偏压的原因很多，如浅埋傍山隧道 的地形偏压、岩体结构及地质构造产生的地质构造 偏压、对称结构在由不对称向对称转化过程中产生 的偏压、隧一坡耦合作用下边坡移动造成的偏压、施 工中围岩局部松动产生的偏压以及衬砌背后回填不 密实产生的偏压等。偏压现象在滑坡地段对隧道影 响最大，特别是连拱隧道，由于其结构受力要在连拱 整体结构中进行调整，偏压现象导致的结构任何部 位的破坏和裂缝都会对结构的整体受力和防水性能 造成极大影响。连拱隧道与边坡共同作用所导致的 病害非常严重，如元(江)磨(黑)高速公路上的小曼 萨河隧道和三公箐隧道在施工过程中边坡产生了非 常严重的病害。周玉宏，赵燕明，程崇国(2002)等 对有关偏压连拱隧道施工方案及施工过程优化进行 了研究“o】。王建秀、朱合华等就连拱隧道的边坡 与隧道共同作用进行了较为系统的分析”1。 江西某隧道采用曲中隔墙连体隧道结构形式， 洞口桩号为K85+320、K85+535，隧道全长215 m， 隧道纵坡为2．499％．隧道进口位于右偏缓和曲线 上，其余位于R=2 150 m的右偏圆曲线上。其结 构断面如图1所示。隧道穿越处地面标高在98— 166 m之间，相对高差大于65 m，北侧丘顶标高 192．70 m。山体植被发育，穿越和通视条件差。隧 道两端进、出洞口处，风化作用改变了部分原岩结 构，形成8．60—29．80 111厚的全风化和强风化松散 层、碎块体，直接降低了围岩类别，增加了深厚风化 层所处隧道的施工、支护难度。 3连拱隧道施工动态数值模拟 3．1模型简化 本文选取的计算断面桩号为K85+510，隧道埋 深约13 m(中心线)。采用平面应变弹塑性本构模型 进行分析(图2)，屈服准则为德鲁克一普拉格屈服 准则。围岩、中墙、中墙顶部回填等采用四边形实体 单元模拟；锚杆和初期支护采用两维杆单元模拟；-- 次衬砌采用两维梁单元模拟；考虑初期支护与二次 衬砌之间有一定滑动，两者之间设接触面单元，采用 单层节理材料模拟。计算参数见表1、表2。按隧道 开挖影响范围大小，计算模型边界范围取：上边界至 地表自由面；下边界至开挖洞底距离为三倍洞高；左 ·397· 现代隧道技术 2006年增刊 仰拱段标准断_向内轮廓 与建筑限群目 J!√虬 ．=j墨二：=二兰=。 图1隧道断面图 图2有限元模型网格图 右边界距洞口距离分别为三倍隧道跨度。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Is]。 3．2开挖支护的动态数值模拟 由于地层应力在隧道开挖过程中受到多次扰 动，隧道有些部位的最大应力、位移等并不一定出现 在最终的施工步，因此有必要按照隧道施工过程进 行动态数值模拟。 表1实体单元计算参数表、 寺曲 弹模E 泊松比 容重y 粘聚力c内摩擦角尹为孙 ／CPa “ ／(1￡N．m·3)／MPa ／(。) 第一层围岩0．1 0．4 18 50 25 第一层围岩0．2 0，35 20 100 30 第一层围岩0．3 0，3 21 200 35 中墙 28．5 0．2 25 l 000 55 中墙顶部回填0．2 0．4 22 100 30 中墙底部回填0．1 0．4 20 50 25 表2粱、杆单元计算参数 垒塑 塑坚些壁塾查重型!堕：竺：：2墼亘篓些!： 塑丝堑芝竺： 锚杆 一 300 78 0．O004 初期支护 一 28．5 23 0．23 二次衬砌 一 28．5 25 0．5 (I)先开挖左洞的动态数值模拟 先开挖左洞的开挖方案分