非对称连拱隧道不同开挖方案的比较分析.pdf

第3 2 卷第5 期 2 0 1 2 年1 0 月 矿冶 工程 M Ⅱ吁Ⅱ呵GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 2 №5 0 c t o b e r2 0 1 2 非对称连拱隧道不同开挖方案的比较分析① 聂善文1 ，张端良1 ，樊帅1 ，杨大林1 ，陈 赘2 1 ．湖南省高速公路管理局，湖南长沙4 1 0 0 0 1 ；2 ．长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙4 1 0 0 0 4 摘要根据某高速公路非对称连拱隧道衬砌结构形式，针对地表平、地表顺倾斜和地表逆倾斜等地表倾斜情况建立了相应的有 限元分析模型，选取围岩稳定性、衬砌安全性和偏压情况等反映隧道稳定性的性能指标，采用数值模拟方法综合分析了不同地表倾 斜情况下不同开挖方案对隧道稳定性的影响。结果表明，地表倾斜状况显著影响非对称连拱隧道围岩和衬砌的受力和变形情况， 非对称连拱隧道地表平时应采用先大洞后小洞的开挖方案，地表倾斜时必须综合考虑地表倾斜情况和大小洞的跨度差异，才能合 理确定开挖方案。非对称连拱隧道隧洞开挖时，先开挖一侧的围岩应力释放会引起另一侧未开挖岩体的竖向应力增大，导致另一 侧岩体开挖时释放的荷载也相应增大，使后开挖一侧隧洞的围岩位移和应力增大；开挖过程中应使左右洞的应力释放量尽量接近， 降低最终拱顶沉降和拱顶围压拉应力，确保隧道围岩稳定及衬砌结构安全。 关键词非对称连拱隧道；地表倾斜；围岩稳定；衬砌结构；开挖方案；数值分析 中图分类号7 r U 9 4文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 5 一0 0 0 7 一0 4 C o m p a r a t i v eA n a l y s i so fD i f f ．e r e n tE x c a v a t i o nS c h 哪e sf o r A s v m m e t r i cD o u b l e ．A r c hT m m e l N I ES h a n ．w e n l ，Z H A N GD u a n 一1 i a n 9 1 ，F A NS h u a i l ，Y A N GD a ．1 i n l ，C H E NY u n 2 1 ．肌凡帆E 即船5 叫。yA d m i n 厶删眈Q 班c e ，c 五。嶝耽4 1 0 0 0 1 ，肌M n ，吼i m ；2 ．蹴D o Z 矿瓶功铋口蒯‰唧D 砌砌n E n g i n e e r 吆，C Ⅱn 舒玩‰溉瑙拓y 矿．s c 妇n c e 孔c n o f o g y ，吼锄伊玩4 1 0 0 0 4 ，吼n 口，毫，铂i 眦 A b s t r a c t B a s e do nt h el i n i n gs t m c t u r eo fa s y m m e t r i cd o u b l e - a r c ht u n n e l so fa ne x p r e s s w a y ，t I l ec o n ．e s p o n d i n gf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sm o d e lw a se s t a b l i s h e di nt e 瑚so fd i f k r e n tc o n d i t i o n so fg r o u n ds u r f a c e b e i n gn a t ，u p w a r di n c l i n e da n d d o w n w a r di n c l i n e d ．T h es t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c k ，s a | e t yo fl i n i n gs t m c t u r ea n db i a sp r e s s u r ew e r es e l e c t e da st h e p e I f o r n l a n c ei n d i c a t o rf b rt u n n e ls t a b i l i t y ． T h ei m p a c to fd i f k r e n te x c a V a t i o ns c h e m e so nt u n n e ls t a b i l i t ya td i f I - e I e n tc o n d i t i o n so fg r o u n ds u r f a c ew a sc o m p r e h e n s i V e l ya n a l y z e db yd i g i t a ls i m u l a t i o nm e t h o d ．T h er e s u l t ss h o w e dt h ed i Ⅱ．e r e n t g r o u n ds u r | a c ec o n d i t i o n sw o u l dh a v eag r e a ti n n u e n c eo nt h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no ft h es u r r o u n d i n gr o c ka n dl i n i n g s t m c t u r eo fa s y m m e t r i cd o u b l e ．a r c ht u n n e l s ． T h u si nt h ec a s eo fg r o u n ds u d a c eb e i n gn a t ，t h el a r g e rh o l es h o u l db e e x c a v a t e df i r s t ．A sf o rt h ei n c l i n e dg r o u n ds u d ’a c e ，t h ed i f k r e n ti n c l i n a t i o no fg m u n ds u r f 如ea n dd i H ’e r e n ts p a no ft w o a r c h e ss h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n ti nt h ed e t e 瑚i n a t i o no fe x c a v a t i o ns c h e m e ．F u n h e 珊o r e ，i nt h ec o n s t m c t i o no fa s y m m e t r i cd o u b l e - a r c ht u n n e l ，t h es t r e s sr e l e a s eo fs u Ⅱo u n d i n gm c ko nt h ee x c a v a t e ds i d ew i l lc a u s ev e r t i c a ls t r l e s si n c r e a s e d o nt h eu n e x c a v a t e ds i d e ，r e s u l t i n gi na ni n c r e a s e dl o a dr e l e a s ed u r i n gt h el a t e re x c a v a t i o n ．C o n s e q u e n t l yt h ef i n a ls e t t l e m e n ta n ds t r e s so fs u n ．o u n d i n gr o e kw i l la 1 1b ei n c r e a s e d ．I ti s s u g g e s t e d ’t h a tt } l es t r e s sr e l e a s ei nt h ee x c a v a t i o no fb o t h h o l e ss h a l lb ee n s u r e dt ob ec l o s et oe a c ho t h e r ，t h e6 n a ls e t t l e m e n t 粕dt e n s i l es t r e s s0 ft h es u r I o u n d i n gr o c k 砒t h ea r c h c r o w ns h a Ub em i n i m i z e ds oa st oe n s u r et h es t a b i l i t yo fs u r m u n d i n gm c ka n ds a f e t yo fl i n i n gs t l l l c t u r e ． K e yw o r d s a s y m m e t r i c d o u b l e - a r c ht u n n e l ；i n c l i n a t i o no fg r o u n ds u d ’a c e ； s t a b i l i t yo fs u n ．o u n d i n gr o c k ；l i n i n g s t m c t u r e ；e x c a v a t i o ns c h e m e ； n u m e r i c a la n a l y s i s 连拱隧道和分离式隧道是目前修建公路隧道的两 种主要形式，前者因线路占地面积小在公路隧道中得 到越来越多的应用。但是，由于连拱隧道跨度大，其开 挖和支护相对于分离式衬砌更为复杂，因此，对施工技 术提出了更高的要求‘1 。2 | ，以确保围岩稳定和衬砌安 全。根据连拱隧道的结构形式可将其分为对称式连拱 隧道和非对称式连拱隧道，对称式连拱隧道的上下线 隧洞的衬砌结构形式相同，反之则为非对称连拱隧道。 ①收稿日期2 0 1 2 旬4 - 1 4 基金项目国家自然科学基金 4 0 8 0 2 0 6 4 ；湖南省交通运输厅2 0 0 9 年度科技进步与创新计划项目 2 0 0 9 2 5 作者简介聂善文 1 9 6 8 一 ，男，湖南邵阳人，高级工程师，主要从事公路工程技术研究及管理工作。 万方数据 矿冶工程第3 2 卷 大量的工程实践和研究表明，隧洞开挖方案对连 拱隧道的整体稳定性具有显著影响。丁文其等人。3 J 比较了上下台阶法开挖和三导洞法开挖的优缺点，认 为岩性较好时宜采用上下台阶法开挖，而围岩软弱时 则宜采用三导洞法开挖。翁其能等人Ho 指出开挖过 程的不对称性，即左右隧洞开挖的先后顺序，对隧道稳 定性的影响十分显著。周玉宏等人“ 1 、庄宁等人∞1 、 朱正国等人。7 1 讨论了偏压状态下，连拱隧道左右洞开 挖的先后顺序选择问题，认为先开挖浅埋一侧的隧洞 和先开挖深埋一侧的隧洞各有优劣。上述研究均只针 对对称连拱隧道情况，尚未涉及偏压情况更为复杂的 非对称连拱隧道。在一些特殊工程中，如匝道口附近， 由于地质条件或场地限制，可能需要采用非对称衬砌 结构的连拱隧道，此时上线和下线隧洞的跨度不同，导 致出现复杂的偏压问题。因此，有必要对非对称连拱 隧道不同开挖方案情况下隧道围岩和衬砌结构的内力 和变形情况开展深入研究，为非对称连拱隧道的设计 和施工提供技术支持。 本文根据某高速公路非对称连拱隧道衬砌结构形 式，针对地表平、地表顺倾斜和地表逆倾斜等地表倾斜 情况，建立相应的有限元分析模型，采用数值模拟方法， 研究先小洞后大洞和先大洞后小洞两种不同开挖方案 下隧道围岩与衬砌结构的内力和变形变化规律。 l 工程概况 某实际高速公路连拱隧道全长3 0 0m ，位于Ⅲ类 围岩中，衬砌结构形式如图1 所示，结构参数见表1 。 隧道进出口处有3 ～8m 残坡积层，其余地段为花岗岩 及其风化层直接出露；洞身段以弱～微风化混合花岗 岩为主，有少部分凝灰熔岩，局部辉长 绿 岩脉岩侵 入，围岩类别为Ⅱ～Ⅲ类，致密而坚硬。连拱隧道的双 洞不对称，分成大洞 右洞 和小洞 左洞 。整个隧道 按新奥法进行设计和施工，采用复合衬砌，以锚杆湿喷 } 昆凝土、钢筋网等为初期支护，并辅以钢支撑、注浆小 导管等支护措施，充分调动和发挥围岩的自承能力，在 监控量测信息的指导下施筑二次衬砌。 图l某高速公路连拱隧道衬砌结构形式 表l隧道结构参数／m m 2 计算模型 2 ．1 地表倾斜方向计算模型 对于浅埋或中等埋深隧道，地表的倾斜方向决定 了初始地应力场分布，对开挖方案选择的影响很大。 本研究中，根据地表倾斜方向将地表分为地表平、地表 顺倾斜和地表逆倾斜3 种情况，其中顺倾斜和逆倾斜 的坡度均为1 9 0 ，见图2 。 图2 不同的地表倾斜情况 2 ．2 有限元模型建立 有限元建模中，岩体和巾墙采用4 节点的平面四 边形单元模拟，局部采用3 节点的三角形单元模拟；锚 杆和喷层采用两维杆单元模拟；二衬 内衬 和仰拱采 用两维梁单元进行模拟。同时，考虑到内外衬之间有 可能错动，两者之间设立接触面单元，允许二衬 内 衬 和初衬 外衬 之间有一定的滑动。有限元模型的 建模范围取隧道跨度的6 倍以上，以减少边界效应。 模型顶面无约束，以模拟地面变形；左右两侧水平位移 约束，竖向自由；底面同时约束水平和竖向位移。 万方数据 第5 期聂善文等非对称连拱隧道不同开挖方案的比较分析 9 计算中，对岩层分布进行简化假设计算剖面上围 岩为同一种类型，即均为Ⅲ类围岩。该工程Ⅲ类围岩 为坚硬花岗岩，结构完整，呈弹性性质，因此仅作线弹 性分析。对比分析的所有计算工况如图3 所示，材料 计算参数见表2 。在以下的所有讨论中，左洞均指小 洞，右洞则指大洞。 计算工况丁二二辜茎篓j | 蓁蒌 r 先左洞后右洞 【逆倾斜霞篡篡 图3 所有计算工况 表2 围岩计算参数 2 ．3 开挖步骤模拟 为考察实际施工过程中连拱隧道的稳定性，根据 实际施工工序对连拱隧道的全施工过程进行数值模 拟。先开挖左洞后开挖右洞的施工步序为⑨初始状 态_ ①中导洞开挖一②中导洞锚喷支护一③施作中 墙_ ④两侧导洞开挖一⑤两侧导洞锚喷支护_ ⑥左洞开挖一⑦左洞锚喷支护一⑧左洞施作二衬一 ⑨左洞开挖仰拱_ ①左洞施作仰拱_ ⑩右洞开挖一 ⑩右洞锚喷支护_ ⑩右洞施作二衬_ ⑩右洞开挖仰 拱_ ⑩右洞施作仰拱。由此得到模拟施工的关键步 骤，见图4 。 先开挖右洞后开挖左洞的施工步序在正洞开挖时 与上述步骤正好相反，不再列举。 第O 步初始状态 第3 步施作中墙 第2 步中导洞锚喷支护 第s 步两侧导洞开挖支护 第l O 步左洞施作仰拱第1 5 步右 同施作仰拱 图4 关键施工步骤 2 ．4 计算指标的确定 对连拱隧道稳定性的影响因素很多，如围岩变形、 围岩应力分布、衬砌结构的内力等【8 2 l ，要寻求单一 反映连拱隧道稳定性的指标非常困难。通过综合分 析，在连拱隧道安全性评价中，隧道围岩稳定性和衬砌 安全性最为关键，另外偏压对中墙稳定性也有重要影 响3 ‘1 引。因此，本研究中，选取这些指标进行计算和 比较分析，即反映隧道围岩稳定性的指标拱顶沉 降和拱顶处最大拉应力，反映衬砌安全的指标内 衬拱顶最大正弯矩 假定隧道内侧受拉的弯矩为正弯 矩 ，反映偏压情况的指标中墙左侧和右侧的最 大压应力。 3 结果与分析 3 ．1 计算结果 3 种地表倾斜情况下所有施工步骤结束以后非对 称连拱隧道的计算结果见表3 。 表3 不同地表倾斜情况和开挖方案下的计算结果 万方数据 1 0 矿冶工程 第3 2 卷 3 ．2 地表平 对于地表平的情况，先左后右的开挖方案产生的 左右洞拱顶沉降、右洞拱顶围岩拉应力和中墙左右侧 最大压应力均要比先右后左开挖方案更大，而内衬的 弯矩则相差不大。即在地表平的情况下，从围岩稳定 性的角度来看，先开挖大洞要比先开挖小洞更有优势。 跟踪每一个增量步可发现，先开挖一侧的围岩应力释 放会引起另一侧未开挖岩体的竖向应力增大，因此，当 开挖另一侧岩体时，其释放荷载也相应增大，使后开挖 一侧隧洞的围岩位移和应力相应地增大。由此可见， 如果采用先开挖小洞的方案，会使大洞侧的围岩应力 增加，使大洞开挖时释放的应力进一步增加，导致最终 大洞的围岩变形和拱顶拉应力增大；反之，如果先开挖 大洞，则会使小洞侧的围岩竖向应力增加，使大小洞围 岩开挖时的释放应力趋于均匀，有利于减小最终的围 岩变形和拱顶受拉区的围岩最大拉应力。 综上所述，当地表平坦时，对于非对称连拱隧道， 宜采用先开挖大洞，再开挖小洞的开挖方案。 3 ．3 地表顺倾斜 对于地表顺倾斜的情况，两种开挖方案下拱顶沉 降和中墙最大压应力相差不大，但是先左后右开挖方 案产生的右洞拱顶围岩拉应力要比先右后左开挖方案 明显更大，因此，从围岩稳定性的角度来看，先开挖大 洞更为合理。然而需要注意的是，先左后右开挖方案 产生的右洞内衬弯矩要明显小于先右后左的开挖方 案。显然，从衬砌结构的受力安全性来看，先开挖小洞 更有利于衬砌结构的安全。 这说明对于地表顺倾斜的情况，先左后右和先右 后左这两种不同的开挖方案各有优劣。在实际施工过 程中，应该结合围岩的具体情况加以判断选择。如果 围岩软弱，则建议采用先开挖大洞再开挖小洞的方案， 这样围岩的变形和拱顶受拉区的围岩拉应力较小，有 利于围岩的稳定；反之，如果围岩强度高且整体性好， 则宜采用先开挖小洞再开挖大洞的方案，这样内衬所 受的弯矩较小，更有利于衬砌结构的安全。 3 ．4 地表逆倾斜 对于地表逆倾斜的情况，两种开挖情况下拱顶沉 降与中墙最大压应力也相差不大，但是先左后右开挖 方案产生的左洞的拱顶围岩拉应力和右洞的内衬弯矩 要明显小于先右后左的开挖方案，因此，先开挖小洞显 然更为合理。 上述分析表明，对于本研究中的非对称连拱隧道 地表逆倾斜情况，宜采用先开挖小洞再开挖大洞的开 挖方案。必须指出的是，这一结论是基于地表倾斜程 度较大 坡度1 9 。 ，即在地表倾斜产生的偏压大于隧 洞跨度不同造成的偏压的情况下计算得出的，当地表 倾斜坡度不大时，则需要根据实际情况计算分析。 4 结论 1 对浅埋或中等埋深的隧道，地表倾斜状况影响 初始应力场分布，从而显著影响隧道围岩和衬砌的受 力和变形情况。 2 对非对称连拱隧道，地表平时应采用先大洞后 小洞的开挖方案；地表倾斜时，必须综合考虑地表倾斜 情况和大小洞的跨度差异，才能合理确定开挖方案。 3 先开挖一侧的围岩应力释放会引起另一侧未 开挖岩体的竖向应力增大，导致另一侧岩体开挖时释 放的荷载相应增大，使后开挖一侧隧洞的围岩位移和 应力增大。 4 非对称连拱隧洞开挖时，应使左右洞开挖时的 应力释放量尽量接近，降低最终的拱顶沉降和拱顶围 压拉应力，有利于隧道围岩的稳定和衬砌结构的安全。 参考文献 [ 1 ]陈少华，李勇．连拱隧道结构分析[ J ] ．中国公路学报，2 0 0 0 ，1 3 1 4 8 5 1 ． [ 2 ]唐前松，马云锋，周勇，等．连拱隧道中墙顶部回填砼与围岩偏 心接触的影响分析[ J ] ．矿冶工程，2 0 l l 6 9 一1 2 ． 【3 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m k oVV ，P e n gss ，I J a p t e e vAA ，e ta l D 踟a g em e c h a n i c s a r o u n dat u n n e ld u et oi n c r e m e n t a l 夥o u n dp r e s s u r e [ J ] ．I n t e m a t i o n a l J o u m a lo fR 0 c kM e c h a n i c sa n dM i n i n gs c i e n c e s ，1 9 9 7 ，3 4 3 ／4 】一1 4 ， [ 1 1 ] 杨小礼，李亮，刘宝琛．偏压隧道结构稳定性评价的信息优化 分析[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 2 ，2 1 4 4 8 4 4 8 8 ． [ 1 2 ]靳晓光，李晓红，杨春和，等．深埋隧道围岩支护结构稳定性研 究[ J 1 ，岩土力学，2 0 0 5 ，2 6 9 1 4 7 3 一1 4 7 6 ． [ 1 3 ] 刘新荣，孙辉，陈晓江，等．黄土连拱隧道中墙结构的数值模 拟研究[ J ] ．地下空间与工程学报，2 0 0 5 6 8 3 7 8 4 0 ． [ 1 4 ]曹云钦，王小林．浅埋偏压连拱隧道中墙优化分析[ J ] ．岩土工 程学报，2 0 0 6 ，2 8 4 5 3 7 5 4 0 ． [ 1 5 ] 李强，王明年，李玉文．双跨连拱隧道两种中墙的空间力学 效应分析[ J ] ．岩土力学，2 0 0 6 ，2 7 4 6 6 7 6 7 2 ． 万方数据