双跨连拱隧道的施工过程模拟和测试分析

1工程概况
　　张石高速公路野狐岭1#隧道起讫里程为K19+840～K20+400，全长560 m，位于野狐岭段玄武岩台地区，恰处分水岭（山脊）和垭口重合地段；该隧道最大埋深位于隧道中部偏后为16.8 m，进出口段埋深1～2 m，其余埋深5～8 m，属于浅埋隧道。隧道围岩主要为Ⅴ级围岩，进口地段围岩以强风化碎块状玄武岩为主，次为亚粘土，地表风化强度更强，岩质疏松；出口地段主要为弱-强风化碎块状结构，次为碎石土；中部地段岩石风化程度较进口段弱，也以强风化碎块状玄武岩为主。由于岩体风化差异，致使疏松岩石与坚硬岩块相间出现，开挖过程很难控制开挖断面形状，施工困难。
　　隧道横断面采用双跨连拱断面设计，净宽10.25 m，建筑限界高度5.0 m，净高7.05 m。衬砌断面采用单心圆方案，半径为5.43 m,以利于结构受力以及便于施工。隧道平面布置主要服从路线总体走向，采取平曲线，纵坡坡度2.673%。具体尺寸如图１所示。



　　施工中遵循“先支护、后开挖、短进尺、弱爆破、快封闭、勤量测”的施工原则进行开挖施工。对于隧道洞口采用明挖法施工，隧道洞身段采用三导洞先墙后拱法施工，中导洞先行，左导洞滞后中导洞，右导洞滞后左导洞，导洞均采用正台阶法施工,台阶长度5-7 m，开挖进尺按两榀钢架间距进行。主洞开挖先进行左洞，右洞滞后左洞7-10 m。主洞开挖亦采用台阶法，上台阶分部开挖预留核心土。
　　2 有限元计算与分析
　　采用ansys软件进行计算分析，该软件可以方便地模拟分部施工过程和地应力的释放。
　　1 计算模型的确定
　　（1）围岩与支护的物理力学参数[1]

围岩级别	重度γ()	变形模量E（GPa）	泊松比μ	内摩擦角φ（°）	粘聚力C(MPa)
Ⅴ	20	1.5	0.33	33.5	0.4

　　隧道顶部采用大管棚、小导管超前支护，初期支护由φ25锚杆+I20b钢拱架+喷混凝土组成，二次衬砌为C25钢筋混凝土。
　　 （2）模型的建立
　　 计算假定：①隧道的受力和变形为平面应变问题；②由于埋深较浅，仅考虑自重应力场。依据圣维南原理，取洞径的2~3倍作为计算区域，上边界取至地表面；左、右边界为水平约束，下边界为水平和垂直约束。围岩用二维平面应变单元模拟，超前支护通过在加固范围内设置重叠单元并提高其地层的物理力学参数来实现，喷射混凝土用二维平面单元进行模拟，二次衬砌则采用梁单元模拟[2]。网格按靠近开挖处较密、远离开挖处较疏的原则划分，共划分了1602个单元，1274个节点。有限元网格如图2。



　　（3） 计算步骤
　　计算步骤分为12步：1导洞开挖及初期支护→2墙浇筑→3导洞开挖及初期支护→4主洞上部开挖→5主洞上部初期支护→6主洞下部开挖及支护→7洞开挖及初期支护→8主洞上部开挖→9主洞上部初期支护→10洞下部开挖及支护→11右洞二次初砌。加上初始应力场的计算共12步。

　　2 计算结果及分析
　　从计算得出的各个施工阶段的最大主应力、最小主应力以及位移量，得出以下分析。
　　（1）中导洞开挖后，导洞拱顶沉降有7mm ；浇筑中墙后，中墙底部的围岩出现小部分的塑性区，表明底部围岩有局部的破坏，修筑中墙时应注意加强基础。
　　（2）左洞上部开挖后，中墙呈偏压状态，左侧墙底受拉，其值为0.96MPa，并未超过混凝土的抗拉强度；开挖区附近围岩的水平方向的应力重分布情况较明显。
　　（3）随着右洞的开挖与初期支护后，左、右洞拱脚部位支护混凝土压应力增长较快；中墙受力明显改善，受力状态趋于对称，中墙底部出现拉应力，但其值并未有太大的变化,约为1MPa；左、右洞拱顶均有约4～5mm的沉降。
　　（4）二次衬砌施作后，从模筑混凝土的受力来看，仰拱普遍出现拉应力，其值大部分小于0.5MPa，局部出现1.18MPa的拉应力；拱顶也有拉应力出现，但未大于0.6MPa；中墙顶有6.63MPa的压应力，墙底出现1.01MPa的拉应力。
　　3 监测内容与结果
　　为评价承载结构受力状况，本文结合张石高速公路野狐岭1#连拱隧道施工，主要做了二次衬砌混凝土内力的量测工作。根据现场情况，本次应变监测点选在K20+355断面上。具体测点布置如图4所示。
　　此次的二次衬砌表面应变量测工作选用的仪器是长沙金码高科技实业有限公司生产的JMZX－212智能弦式数码应变计以及JMZX-200X便携式综合测试仪，JMZX－212智能弦式数码应变计是一种表贴式应变计，根据监测时期的长短，可分别选用膨胀螺钉或粘贴剂将其固定在混凝土结构表面。普通传感器输出的均是原始信号（频率等），而智能弦式数码传感器不仅保留了钢弦频率的直接输出功能，而且由于其已将计算方法和标定参数存储在了传感器内，因此还可以直接输出相对应的被测物理量（应变等）。



　　二次衬砌表面应变量测在拆模后马上进行，准备工作始于2005年8月下旬，量测工作从2005年9月1日开始，持续到10月23日（进入冬季，天太冷，现场停止大规模施工）。
　　尽管在准备阶段对左右洞均布设了测点，但由于施工原因，仅获得了左洞断面的量测结果。图5至图7为各测点的应变变化情况。






　　 实测结果表明，二次衬砌混凝土应变在量测过程中变化不大，由虎克定律求得二次衬砌混凝土表面应力值来看，除左洞拱顶测点存在拉应力外，其余测点均处于受压状态，并且所得拱顶拉应力值在0.6MPa以下；中墙墙身处于受压状态，中墙顶并未出现拉应力。所测二次衬砌在监测断面上的应力不大，在3~6MPa之间，说明施工方案与设计方案是合理的，隧道结构受力状况良好。
　　4结语
　　由计算分析结果和监控量测的数据来看，二次衬砌上的应力总体来说不大，在拱顶及仰拱部位存在着一定的拉应力，一般均满足其抗拉强度，只是仰拱局部出现较大的拉应力。就监测的应力状态而言，二次衬砌整体应力不大，隧道结构的受力状态良好。监控量测是信息化设计的重要组成内容，也是新奥法复合式衬砌设计、施工的核心技术。监控量测一方面可以掌握承载结构的动态变化，由此来预见险情，提前采取有效措施，保证施工安全；另一方面也是为以后的研究提供原始数据，积累工程资料。本文计算所采用的是二维有限元计算，但岩体的开挖属于三维问题，岩体的变形也存在空间效应，虽然二维有限元模型在简化计算过程的同时也能较好的反映岩体的应力和变形，但由于忽略了隧道开挖的空间效应，因此仅能得到计算断面处变形收敛的稳定位移，即最大位移。因此在实际的施工过程中应加强对围岩内部位移、净空收敛和拱顶下沉的量测，及时反馈信息，才能确定出衬砌的最佳施作时机。