双向8车道连拱隧道中墙及二衬结构分析

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1、公路隧道2011年第3期(总第75期)双向8车道连拱隧道中墙及二衬结构分析缪圆冰(福建省交通规划设计院福州350004)摘要采用有限元方法对双向8车道连拱隧道中墙及二衬结构进行分析，根据计算结果提出了设计中需注意的关键点。关键词连拱隧道仰拱大跨度有限元进行计算：1概述工况1：中墙顶部始终与中导洞顶密贴。福州长乐国际机场高速公路二期工程中金鸡工况2：中墙施工完成后即与围岩脱离，但主洞山、罗汉山隧道设计为双向8车道连拱隧道，单洞净初期支护形成后与中墙可靠连接。跨为18．2m，毛洞总跨度为41．5m。如此大跨

2、度的采用同济大学开发的同济曙光岩土及地下工程连拱隧道在国内尚无先例，无相类似工程可以类比，设计与施工分析软件，取V级围岩，埋深为2倍开而现行的规范及相关的技术标准均在3车道和两车挖高度的情况进行分析道中等断面隧道的设计施工基础上制定的，部分条图1为二维有限元网格剖分图，采用四结点实款和公式等已不适用于双向8车道连拱隧道的设计体单元来模拟岩体，二维梁单元模拟初期支护喷射及施工。混凝土及钢拱架，二维杆单元模拟锚杆。在连拱隧道实际施工过程中，由于混凝土干缩及其它原因常导致中墙顶部与围岩间存在空隙。中墙顶部空隙

3、若没有及时进行有效的注浆处理，将使主洞开挖时毛洞跨度增大，且对初期支护的受力造成不利的影响。另外，中墙是连拱隧道中最为重要的结构，其受力状态十分复杂，并存在应力集中，对本工程中的特大跨度连拱隧道应对中墙做重点分析。图I二维有限元模型图采用复合式衬砌隧道的二次衬砌，计算时通常围岩模拟为理想弹塑性材料，屈服准则采用德鲁采用荷载结构法，且采用的荷载一般为围岩的松动克一普拉格准则；其余材料均采用线弹性本构模型。荷载。现行《公路隧道设计规范》(JTGD704—计算模拟了中导洞先行，主洞双侧壁导坑法开2004)c妇

4、给出的围岩压力确定方法是针对单洞给出挖的施工步骤，图2为施工工序图。计算时考虑了的，且不适用于特大跨度的扁平公路隧道。施工期间开挖释放荷载的分步释放，即释放荷载由针对以上问题，本文对中墙及二次衬砌进行数围岩和初期支护共同分担，断面开挖结束时释放值分析，根据分析结果提出了中墙设计中需注意的50荷载，初期支护施作后，再释放其余50载荷。关键点；同时，根据相关科研成果，提出了简化的双向8车道连拱隧道二衬计算荷载建议取值并对设计二衬配筋进行了验算。2中墙顶部空隙影响分析2．1分析思路为分析中墙顶部与围岩间空隙对

5、围岩稳定初期图2施工工序图支护受力的影响，采用地层结构法，对以下两种工况·25·公路隧道2011年第3期(4-第75期)2．2分析结果为进一步体现初支与中墙连接的作用，图3中图3中a)、b)分别为工况1、2计算得到的围岩c)给出了中墙与围岩和初支均脱离情况下计算得到屈服区示意图，可以看到，两种工况得到的屈服区基的围岩屈服区，这时中墙失去作用，隧道跨度变为原本相同，即中墙顶部空隙对围岩稳定性的影响不大。跨度的两倍，导致围岩失稳，屈服区急剧扩大，并贯这主要是因为初支施做后与中墙相连，有效地承担通至地表。了围

6、岩压力并传递到中墙上，左右洞分别形成了各通过对两种工况下初支轴力的对比，发现工况自的承载环。2初支与工况1相比均增大。图4为工况2相对工况1轴力增大百分比示意图，其中靠近中墙的初支轴力增加越大，且左洞增大百分比大于右洞。另外，两种工况相比靠近中墙的初支弯矩变化较大，而其余位置初支弯矩基本相同。a)工况1图4工况2相对工况1轴力增大百分比示意图将初支考虑为型钢混凝土组合结构进行验算，结果如表1所示。可以看到况2与工况1相比，初支安全系数均不同程度地降低；左洞初支与中墙顶连接位置由于应力集中，安全系数小于1

7、。2．3分析结论(1)从计算结果可以看到，在初支与中墙可靠连接的情况下，中墙顶与围岩的空隙基本不会影响围b)工况2岩的整体稳定；但由于有限元模型是一个理想化模型，无法考虑实际施工中的各种特殊情况，如初期支护未即时施做并达到足够强度时，中墙顶与围岩的空隙是十分危险的。(2)将初支考虑为型钢混凝土组合结构进行验算结果表明，中墙顶与围岩的空隙导致初支安全系数不同程度地降低，且与中墙顶连接位置较为危险。(3)由于靠近中墙位置的初支轴力与弯矩均大幅增加，会影响中墙顶混凝土的局部稳定性，可能会产c)中墙与围岩及初支

8、完全脱离时生局部受压破坏或剪切破坏，并进而影响围岩稳定。图3各工况围岩屈服区示意图表1初支验算左洞中墙顶左洞左拱腰左洞1／4左拱左洞1／4右拱右洞中墙顶右洞1／4左拱右洞1／4右拱工轴力(kN)3493．002929．801846．91931．9O3008．601688．401552．30况弯矩(kN．m)一199．2858．75166．42213．56—162．49183．52245．761安全系数1．361．752．442．271．59