公路隧道新型衬砌结构双孔开挖与支护方案略谈

论文导读:：本文以公路隧道为研究对象，取Ⅳ级围岩，利用有限元程序对台阶开挖法和环形开挖法进行了数值模拟，分析了其支护后衬砌结构的应力和变形特征。在此基础上，针对目前隧道衬砌结构在修建和运营过程中的不足，提出一种双孔支护方案，并进行了较系统的数值模拟。研究结果表明：环形开挖法的最大应力和位移明显小于台阶开挖法，双孔支护方案能很好地减小衬砌的受力和变形，为隧道的设计和施工提供一种新的思路。
论文关键词：公路隧道，衬砌，开挖方法，双孔支护

　　0 引言
　　当前，关于单拱隧道的开挖方式，主要有三种，即全断面法、台阶法和环形法[1]。在地形和地质较为恶劣的情况下，合理的隧道开挖方案和支护结构对维持隧道围岩的稳定有重要作用，对不同开挖法和不同支护结构进行对比研究，其结果对工程实践具有一定的指导意义。本文以隶属Ⅳ级岩体（即碎石结构、易松动）的隧道为研究对象，对后两种开挖法进行数值模拟[2]，对比分析隧道围岩的应力和变形特征期刊网，旨在探讨隧道在开挖和支护过程中普遍的问题，如拱顶塌方、底部拱起、掉快、拱肩破碎等，并提出更好的衬砌结构形式，避免或减缓上述病害的出现。
　　1.有限元模型与相关参数
　　相关设计参数为：建筑限界宽10.0m，高6.0m；内净空采用拱部单心圆方案，净空面积为60.25m2，净空周长32.50m；Φ22锚杆，间距为60cm，杆长3m；C25喷射混凝土厚度28cm；洞室周围围岩选取面积10080。建模时，取弹塑性平面应变模型；在开挖及支护后，把衬砌作为骨架结构，考虑锚杆和喷射混凝土的共同作用[2-6]；围岩及衬砌的物理参数，根据设计资料和相应规范拟定，其值如表1所示。 根据有限元数值计算特点，对其施工工序做了相应的简化，处理后的步骤如表2。边界约束为两侧施加滑动支座，使水平位移为0；下侧则施加竖向约束，使垂直位移为0；上侧为自由边界。网格划分时期刊网，选用二维四节点等参单元PLANE42划分围岩；用二维梁单元beam3来模拟衬砌，锚杆用二维杆单元Link1。隧道所承受荷载主要有自重应力场和侧压力，参照公路隧道规范选取[2]。
　　表1 围岩及各结构材料的物理力学参数表
　　Tab.1The mechanical parameters of rock and other structures
　　

表2 不同开挖方法的主要步骤
　　Tab.2Major procedures of differential excavation steps
　　

2.有限元结果分析
　　由于本文重点研究开挖支护后，衬砌的受力和变形特征，因此，提取支护后隧道洞周特殊点的位移和应力信息。所取特殊点分别是拱顶、拱肩、拱腰、拱脚，其所处位置如图1：
　　图1 隧道特殊点位置示意图
　　Fig.1Special points position on rock of the tunnel
　　2.1开挖支护后的位移场分析
　　浇筑衬砌后，隧道洞周特殊点的位移值，如图2所示。由图可知，采用环形开挖，所引起的拱顶沉降（即Y向位移）明显小于台阶法；而横向位移（即X向位移），则略小于台阶法（注：两者产生的横向位移均很小）。
　　综合位移数值可知：台阶法，拱顶处产生了最大沉降13.12mm，其次为拱腰有11.02mm的沉降值；环形法，拱顶处最大沉降为10.25mm，拱腰处沉降为9.04mm，最小沉降为拱底处5.04mm。
　　
　　图2隧道洞周处关键点的水平位移与竖向位移（mm）
　　Fig.2the horizontal and vertical displacements of special points on rock
　　2.2开挖支护后的应力场分析
　　浇筑衬砌后，两种开挖法所对应隧道洞周期刊网，特殊点的主应力值如图3所示。对比两种开挖法，从特殊点的主应力值对比可知，环形开挖产生的应力相对较小，其最大主压应力为2.06Mpa，而最小主拉应力则不超过0.38Mpa。 综合应力数值可知，对于台阶开挖，所产生的最大主应力在拱腰处，值为3.24Mpa，而环形开挖，最大主应力也在拱腰处，值为2.06MPa；其均在拱顶和拱脚处出现拉应力，拉应力值最小为0.12MPa。在此给出环形开挖法的最大沉降图及最大主应力云图，见图4和图5.
　　
　　图3 特殊点的最大和最小主应力值（Mpa）
　　Fig.3The max and min values of special points
　　
　　
　　图4 竖直方向（y方向）位移云图图5最大主应力云图
　　Fig.4 Thevertical displacements of tunnel Fig.5 The distributionmax principal stresses
　　阶段也是隧道施工安全与否和围岩是否被综合对比以上结果，从两者开挖到支护后的变形和应力特征可以看出，隧道拱顶有较大沉降，在所承受的拉应力达到一定值时，可能引发掉快或坍塌事故，而拱底在较大压应力作用下会向上拱起或者剪切破坏。隧道拱脚和拱肩处有一定范围的应力集中现象期刊网，若其应力达到围岩屈服强度，则可能引起局部位置破坏。
　　3 新方案提出
　　针对以上问题，本文提出以下改进的支护方法：即带附加支撑的双孔支护结构型式，其示意图见图6。采用相同参数条件，改用此种支护结构，并进行数值模拟分析后，得到隧道洞周特殊点的位移和应力值，对比分析如表5所示。此外，该种结构形式所产生的竖向位移云图和最大主应力云图如图5和图6。由此可知，拱顶沉降得到有效控制，且洞室围岩应力很小，应力集中现象得到有效控制，此外，还有效抑制底部拱起现象的出现，对拱肩位置起到了加强作用。尽管在目前单拱隧道中，还未曾采用过此种类型的衬砌结构，但是，从隧道的长期安全和稳定角度考虑期刊网，此种支护方式是很具有实践价值的，且承受载荷能力较强。
　　
　　图6 初期支护后隧道断面示意图
　　Fig.6 The cross section of tunnel afterprimary support
　　表5 新衬砌支护产生的应力与原衬砌产生的最小应力值对照表（Mpa）
　　Tab.5 the comparison of stress created bynovel lining and original lining (Mpa）
　　
　　
　　图5 竖直方向（y方向）位移云图图6最大主应力云图
　　Fig.5 The vertical displacements of tunnelFig.6 The distribution of max principal stresses
　　4.结论
　　本论文对Ⅳ级隧道围岩的开挖方法进行了力学分析，得出如下结论：
　　1）通过数值模拟并比较分析可知，环形开挖法产生的变形和应力是较小的，相对而言较安全，在施工中应优先考虑。
　　2）从两种开挖法支护后的应力和位移可知，初期支护后，隧道拱顶和拱底存在着沉降和应力较大的问题，因此，本文提出了一种新的支护方案，有效的改善其受力机理，降低此类问题出现的可能性，使隧道在支护后较稳定。

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