连拱隧道中隔墙设计与施工力学行为研究

第25卷第8期岩石力学与工程学报Vol.25No.82006年8月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringAug.，2006收稿日期：2005–04–01；修回日期：2005–06–24作者简介：张志强(1968–)，男，博士，1990年毕业于重庆大学采矿工程系采矿专业，现任教授，主要从事隧道工程及岩土工程方面的教学与研究工作。E-mail：[e-mail]，[e-mail]连拱隧道中隔墙设计与施工力学行为研究张志强1，2，何川1(1.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031；2.重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆400044)摘要：在连拱隧道施工中，中隔墙扮演着至关重要的角色。中隔墙上方作用荷载大小，不仅关系着连拱隧道在施工期间结构的安全，还直接影响工程造价以及隧道建成后衬砌结构的长期安全性。结合连拱隧道施工期间中隔墙的实际受力过程，建立中隔墙作用荷载的计算力学模型；采用FLAC程序，在0.5～2.0D埋深条件下，采用三导洞法和中导洞法对连拱隧道施工力学过程的II～IV类围岩的21种工况进行非线性数值模拟。同时，提出应用于中隔墙设计的作用荷载计算表达式及各类围岩相适应的施工工法。研究结果直接指导金丽温高速公路二期工程多座连拱隧道的变更设计，对今后国内连拱隧道中隔墙的设计施工有一定的参考价值。关键词：隧道工程；连拱隧道；中隔墙；设计荷载；施工工法选择中图分类号：U455.7；O241文献标识码：A文章编号：1000–6915(2006)08–1632–07STUDYONMECHANICALBEHAVIOURSOFDESIGNINGANDCONSTRUCTIONFORCENTERPILLAROFDOUBLE-ARCHEDTUNNELZHANGZhiqiang1，2，HEChuan1(1.SchoolofCivilEngineering，SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu，Sichun610031，China；2.KeyLaboratoryfortheExploitationofSouthwesternResourcesandtheEnvironmentalDisasterControlEngineering，MinistryofEducation，ChongqingUniversity，Chongqing400044，China)Abstract：Duringtheconstructionofdouble-archedtunnel，theroleofcenterpillarisofgreatimportance.Asakeyload-bearingcomponentindouble-archedtunnelsupport，itwillinfluencethestabilityandconstructioncostaswellaslong-termsafetyofdouble-archedtunnel.Therefore，theassumptionofloadsactingoncenterpillarisofanimportantconsiderationinstructuredesign.Throughtheanalysisoftheloadsactingoncenterpillarduringdouble-archedtunnelconstructionprocedure，themechanicalmodelforcalculationofpracticalloadsactingoncenterpillarissetup.ByusingFLAC，twenty-onekindsofcasesfordouble-archedtunnelinsurroundingrockmasseswithClassesII–IVarestudied.Thecoveringdepthsfrom0.5Dto2.0Daswellasthethreeconstructionmethodsconsistingofthree-driftandcenter-driftcoupledwithbenchcutandfull-facemethodsareconsidered.Basedonanalysisoftheloadedcharacteristicsofcenterpillarandmagnitudechangesofactualloads，thetwoestimationformulaeofloadsactingonthecenterpillarinplaceoftheassumptionofthetotaloverburdenloadfordesignofcenterpillarstructureareproposed.Furthermore，theoptimumconstructionmethodscorrespondingtothedifferentclassesofrockmassesarerecommended.Theachievedresultsaresuccessfullyappliedtothemodificationdesignofdouble-archedtunnelsofJinhua—Lishui—WenzhouExpresswayinEastChina.Theresultsdemonstratethattheassumptionofproposedloadsactingoncenterpillarisreasonable，andtheoptimumconstructionmethodscansaveconstructioncostandshortenconstructionperiodofdouble-archedtunnel.Keywords：tunnellingengineering；double-archedtunnel；centerpillar；designloads；selectionofconstructionmethods第25卷第8期张志强等.连拱隧道中隔墙设计与施工力学行为研究•1633•1引言作为连拱隧道最主要的受力结构，中隔墙受力状况不仅关系着施工期间结构的安全，还直接影响工程造价，以及隧道建成后衬砌结构的长期安全性。就目前现状看，对连拱隧道的研究主要集中在施工期间围岩与隧道结构的稳定性分析[1]、连拱隧道施工工法研究[2]、施工方案及过程的优化[3]、施工工序对中隔墙影响[4]、现场监控量测分析[5]及防排水技术等方面。关于连拱隧道最根本、也是最关键问题则鲜见报导，如中隔墙设计、中隔墙上方所受的荷载、与中隔墙作用荷载有关的因素、中隔墙作用荷载在施工期间的变化情况、最不利工况出现以及相应施工工法的选择等。越来越多的工程实践表明，完全采用“全覆土自重”荷载对中隔墙进行设计，而不考虑连拱隧道埋深、地质条件等因素的做法，是不合理的。因此，在弄清各种情况下中隔墙上方实际作用荷载的大小，本文提出明确的中隔墙设计荷载的计算公式，对连拱隧道的合理设计是至关重要的。2工程概况本文依托工程——浙江省金丽温高速公路二期工程，其主要在地质及地形条件复杂的山岭重丘区通过，围岩为II～IV类。由于受地形限制和交通要求，大量采用连拱隧道方案，在本期工程总长约90km的线路中，连拱隧道达到20座，采用连拱公路隧道设计，断面形式为单心圆的双连整体式。隧道横断面除满足建筑限界规定外，还考虑排水、照明、消防及管线电缆等设施所需空间。根据工程特点及地质、埋深情况，在断面与净空设计中，还考虑土压力影响及施工工法等必要空间富裕量。经优化分析，确定隧道净空断面，侧墙预留装修层10cm，拱部考虑施工误差5cm，净高5.0m。隧道横断面采用喷锚支护复合模筑混凝土衬砌，内夹防排水层。路面采用单面横坡，坡度2.0%，路面设单侧、双侧排水构，路基中心设中心排水沟。3中隔墙作用荷载模型及计算分析3.1计算基本情况根据不同的围岩类别、施工工法和埋藏深度，确定出金丽温高速公路二期工程连拱隧道计算系列，共计21种工况[6]，如表1所示。表1边拱隧道计算系列Table1Calculationsofdouble-archedtunnelwithdifferentconstructionmethods围岩类别施工工法埋深三导洞超前0.5D，1.0D，2.0DII中导洞+半断面0.5D，1.0D，2.0D三导洞超前0.5D，1.0D，2.0D中导洞+半断面0.5D，1.0D，2.0DIII中导洞+全断面0.5D，1.0D，2.0D中导洞+半断面0.5D，1.0D，2.0DIV中导洞+全断面0.5D，1.0D，2.0D3.2施工工法模拟本文采用能同时模拟材料非线性(选取Mohr-Coulomb屈服准则)和几何非线性[7]快速拉格朗日有限差分FLAC程序[8，9]模拟三导洞工法、中导洞+半断面及中导洞+全断面结合的施工工法，如图1～3所示。图1三导洞施工工法Fig.1Three-driftmethod图2中导洞+半断面施工工法Fig.2Center-driftcoupledwithbenchcutmethod图3中导洞+全断面施工工法Fig.3Center-driftcoupledwithfull-facemethod3.3围岩物性指标及支护结构参数本文研究的工程中所采用的围岩结构参数及支护结构参数[10]如表2，3所示。•1634•岩石力学与工程学报2006年表2围岩结构参数[10]Table2Mechanicalparametersofsurroundingrocks[10]围岩类别E/GPaγ/(kN·m－3)νc/MPaϕ/(°)II0.421.80.350.129.0III1.023.50.320.432.5IV3.025.00.260.836.0表3支护结构参数[10]Table3Mechanicalparametersofsupportstructures[10]支护结构E/GPaγ/(kN·m－3)截面几何参数喷混凝土3.923.0II～III类：t=10cm，IV类：t=5cm导洞钢拱210.078.5II类：三主筋型(φ22)，腹筋φ12喷混凝土25.023.0II类：t=15cmIII类：t=20cmIV类：t=25cm钢拱210.078.5II类：H14@0.5mIII类：H14@1.0m主隧道锚杆210.078.5II类：φ25(长3.5m，1.2m×0.5m)III类：φ25(长3.0m，1.2m×1.0m)IV类：φ25(长2.5m，1.2m×1.0m)中墙钢筋混凝土30.025.0t=1.8m，C30混凝土，Rb=21MPa3.4建模分析根据围岩地质条件、开挖面积及地应力场水平等影响因素来选取计算范围。对于金丽温高速公路二期工程连拱隧道，单一隧道的跨度均为12.0～12.5m，且连拱隧道整体跨度D达到近25.0m，因此，在水平方向选取长度100.0m，而垂直方向从地表向下分别选取埋深为0.5D，1.0D及2.0D，如图4所示。图4计算范围Fig.4Rangesofnumericalsimulationanalysis由于本期连拱隧道多处于埋深不大的山岭重丘区，构造应力残存较小，因此以围岩自重应力场为主，进行地应力场模拟。边界条件取为：左右边界水平约束，下边界垂直方向约束，地表为自由面。试算结果表明所取影响范围造成计算误差低于5%。本次非线性计算，最大使用500×320=16×104个高精度有限差分单元进行计算，以保证计算精度。图5为II，III类围岩(带仰拱)以及IV类围岩(无仰拱)网格图；而隧道支护模拟，则以II，III类围岩为例说明，如图6所示。(a)带仰拱(b)无仰拱图5连拱隧道(带仰拱和无仰拱)网格剖分图Fig.5Meshesofdouble-archedtunnelwit