双跨连拱隧道的施工过程模拟和测试分析

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1、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560m，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16.8m，进出口段埋深1～2m，其余埋深5～8m，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

2、横断面采用双跨连拱断面设计，净宽10.25m，建筑限界高度5.0m，净高7.05m.衬砌断面采用单心圆方案，半径为5.43m，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。　　图１隧道断面图　　Fig.1TheCrossSectionoftheTunnel　　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5-7m，开挖进尺按两榀钢架间距进行。主洞

3、开挖先进行左洞，右洞滞后左洞7-10m.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）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

4、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.　　图2有限元计算模型　　Fig.2FEMModel　　（2）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

5、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0.6M

6、Pa；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

7、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）。　　图4二次衬砌表面应变测点布置　　Fig.4MeasuringPointsArrangementonSecondaryLiningSurface　　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