摘要：采用有限元数值方法对山区高速公路中连拱隧道的开挖和支护过程进行模拟，特别针对偏压段连拱隧道的中隔墙受力特征进行了分析研究。结果表明，中墙是连拱隧道最关键的受力构件，在偏压地段的开挖容易在中墙部位引起较大偏心荷载和应力集中，偏压连拱隧道采用复合式曲中墙结构将有助于改善中墙受力状况，减小应力集中及上部位移。该研究成果可为偏压地段的连拱隧道的合理设计以及修建提供理论根据和技术支持。
关键词：山区高速公路；偏压连拱隧道；中隔墙；施工力学；有限元模拟
Abstract:Taking an expressway in mountain areas as the engineering background,the behavior of a double-arch tunnel with partial-pressure during construction is simulated by ANSYS—professional finite element software. As an important bearing structure,the middle wall in the multi arch tunnel,often dominates the success and safety of a project. The results show that the nonsymmetrical excavating would easily bring the eccentrical loads on the wall. The double-arched tunnel which adopted the multiple bent mid-board structures would be helpful to improve the bearing behaviors of the mid-partition wall and to decrease the concentration of stress and the top displacement. The research result offers the theoretical and methodological experiences to the similar engineering.
Key words: expressways in mountainous areas; partial pressure joint arch tunnel; middle wall; construction mechanical；FE simulation
中图分类号：U412.36+6文献标识码：A 文章编号：
1．引言
随着我国交通建设的飞速发展，在山区修建高等级公路逐渐增多，为适应地形展线的需要，公路隧道也将越来越多遇到受到地形因素的限制，将通常的分离式隧道改设计为双跨连拱隧道。连拱隧道相对于分离式隧道，在工程建设中不可避免地存在着对围岩的多次扰动，特别是在穿越不良地质段修建将牵涉众多不确定因素，因此连拱隧道的施工存在较大的难度。而偏压连拱隧道通过施筑中墙这一钢筋混凝土结构代替了分离式隧道中的岩柱，它是连拱隧道特有的，相当于是加强了的岩柱。在连拱隧道的开挖过程中，中隔墙部位受力十分复杂，压、拉、弯、扭、剪形式的受力均有，故中隔墙部位的施工是连拱隧道施工的关键，因此有必要对连拱隧道结构及其中隔墙的施工力学进行分析研究，以便为类似的偏压段连拱隧道的设计和施工提供科学依据和技术指导。
2．工程概况
某连拱隧道为西部山区高速公路线路中关键性工程，隧道起止里程为K6+890～K7+250，隧道全长360m。隧道址区内地面倾斜，地形条件呈明显偏压。上覆土层主要为填筑土，土层厚度一般小于1.5m，下伏基岩主要为砂岩和粉砂质泥岩。砂岩呈灰白色，中粒结构，巨厚层状构造，泥钙质胶结，岩质坚硬，岩体完整，裂隙不发育。粉砂质泥岩呈红褐色，粉砂泥质结构，中厚层状构造，岩质较硬，岩体较完整，裂隙不发育。拟建隧道位置属于硬质岩，粉砂质泥岩属于软质岩。隧道位置处围岩受地质构造的影响轻微。该隧道埋深10—20m，隧道最大埋深24m，隧道单跨净宽为10.53 m，净高为7.4m，开挖高度7.8m,洞宽14m，单跨采用单心圆，边墙为曲线，中墙为直线，中墙厚为2m。围岩级别为Ⅳ级，隧道施工采用先中墙，再上下台阶的开挖法施工，初期支护都采用锚杆和喷射混凝土支护，二次衬砌采用复合式方式, 隧道施工示意及顺序如图1。该连拱隧道处在偏压状态中，如图2。
图1连拱隧道隧道设计施工工序图
图2偏压段连拱隧道有限元分析模型网格图
3 连拱隧道结构的计算分析
3.1基本假设及计算范围
针对该偏压段连拱隧道的数值模拟采用大型通用有限元软件—ANSYS分析，模型采用平面应变模式，并做如下假设：计算模型为弹塑性应变，计算准则为Drucker—Prager屈服准则；岩体是各向同性的；围岩的初始应力场由自重应力场构成，不考虑构造应力对隧道区域的影响。根据设计文件所提供的隧道所处的地段以及地质资料，将该地段围岩级别拟定为Ⅳ级，并结合施工设计图的隧道断面的相关尺寸如工程概所述以及图1所示，建立了隧道的二维平面有限元计算模型。按照隧道弹塑性有限元理论，选取3～5倍洞径为计算区域。本模型选取中墙两边各30m，下部至隧道底部以下20m，上部选至地表，模型左右两边界为水平约束，下边界为垂直约束，上边界是地表自由约束，计算模型见图2。
3.2参数确定
围岩的物理力学参数依据公路连拱隧道锚喷结构参数确定，其力学参数按照依据工程设计文件确定，中隔墙为钢筋混凝土材料，按照弹塑性材料处理，而支护结构采用混凝土C25的参数，同时利用ANSYS软件提供的单元“生(alive)”与“死(kill)”的处理功能，对偏压段的连拱隧道的不同施工过程中以及对中隔墙进行数值模拟，岩体物理力学参数见表1，对偏压连拱隧道建立的有限元模型并划分网格，总共划分为2700个PLANE42单元。
表1 岩体物理力学参数
3.3 计算结果
基于ANSYS软件的数值模拟分析结果可知，中隔墙对于该偏压段连拱隧道的开挖过程的围岩的稳定性和确保隧道支护系统的安全性极为关键。分析图3～6的应力云图受力可得出以下结论：
(1)在连拱隧道的开挖与支护过程的各个施工阶段，中隔墙结构一直承担较大偏向围岩压力，顶部和地脚的水平应力分量呈方向相反的拉应力，并且导致中墙墙身中部向左侧突出，基脚右趾呈向上鼓起。导致中墙将产生顺种方向偏转的趋势，为避免该隧道施工过程中可能出现的剪切错动破坏进而导致隧道整体塌陷，因此在隧道施工过程应可能降低隧道中隔墙结构应力水平，同时需加强中隔墙部位的施工和监测，确保隧道结构安全。