小研偏压连拱隧道中墙优化设计

1 引言
　　20 世纪90 年代以来，我国高等级公路建设进入一个高速发展时期。在山区高等级公路的修建中，连拱隧道作为一种新的隧道形式，得到越来越广泛的应用[1]。虽然连拱隧道近年来发展迅速，但因其设计和施工方法还不成熟，目前仍缺少有效的可以类比的工程借鉴。存在的诸多问题中，除了对连拱隧道的力学特性没有进行深入的研究外，另一个重要问题是连拱隧道本身结构型式不尽合理 [2,3]。
　　作为连拱隧道结构的重要组成部分，中墙的设计合理与否，关系到整个隧道的稳定与否。
　　在隧道修建过程中，中墙受力非常复杂，在偏压连拱隧道中尤为突出。对于偏压连拱隧道，中墙不仅要承受隧道结构两侧覆土不对称引起的地形偏压；还在左右洞施工过程中，承受由于不对称施工引起的施工偏压[4]，从而产生不对称的应力和应变，直接影响到隧道的总体稳定性[5]。因此，有必要结合实际工程对偏压连拱隧道中墙的力学特性进行分析研究，从而对其进行优化设计，使中墙受力更合理，隧道更加稳定，这对双连拱隧道的设计施工具有重要的借鉴和指导意义[6-8]。
　　2 工程概况
　　沙塘坑隧道位于四会市黄田镇沙塘坑，设计为双跨连拱式隧道，隧道走向呈近南东——北西向展布，山顶高程约95 m，隧道最大埋深约43m，设计隧道起讫桩号为K48+375～K48+575，全长200m，均采用钢筋混凝土洞门形式。隧道区在地貌上属于剥蚀丘陵地貌类型，隧道横穿山丘，进出口段自然坡度较陡，坡角约为35～40°。隧道处地质构造上位于燕山期四会序列江头单元侵入岩体中，岩石为细、中粒黑云母花岗岩，灰白色、肉红色，细粒花岗结构，块状构造；节理裂隙较发育，节理产状以215°～260°∠45°～50°和65°～80°∠75°～80°为主。
　　沙塘坑隧道建筑限界净宽31.1（14.0×2+3.1）m，净高5 m，采用复合式曲中墙结构，中墙高4.0 m，宽2.8 m。沙塘坑隧道施工方法为:Ⅲ、Ⅳ级围岩采用中导洞法,Ⅴ级围岩用三导洞法。
　　3 优化设计分析
　　3.1 计算模型
　　本文以沙塘坑隧道K48+520 断面（Ⅴ级围岩）为例，建立两组实验模型，模型一为原设计的中墙形式，设置在中导洞中央的对称形式；模型二为优化的中墙设计形式，向深埋侧（围岩压力大的一侧）偏移的不对称设置，中墙整体向深埋侧平移1 m，其他条件不变。采用ANSYS 二维有限元模拟两种情况下中墙的受力和变形情况。边界条件为：上边界自由约束，下边界竖向约束，取3 倍隧道结构高度，两侧边界水平约束，取4 倍隧道结构宽度。简化的计算模型。
　　根据隧道围岩的物理力学性质，在有限元计算当中，采用了弹塑性的非线性有限元法。
　　围岩材料的本构模型采用Drucker-Prager(D-P)模型，计算隧道结构与地层在开挖过程中发生的非线性变形特性。在对隧道进行开挖过程的数值模拟分析中，计算程序采用了ANSYS 有限元分析软件。隧道施工的分步开挖过程通过软件提供单元的“生(alive)”和“死(kill)来实现[9]。在计算过程中，围岩和支护结构均采用ANSYS 程序汇总的PLANE42 单元来加以模拟。在进行有限元计算时，中墙、围岩和支护结构的物理力学参数依据设计资料确定，具体取值。
　　3.2 计算工序
　　本文研究的是 K48+520 断面中墙的受力和变形情况，因该断面处是Ⅴ级围岩，故施工过程中采用的三导洞法，其具体的施工工序是：1 中导洞开挖及支护；2 浇筑中墙及上部土回填；3 左导洞开挖及支护；4 右导洞开挖及支护；5 左洞上台阶开挖及支护；6 左洞上下台阶开挖及支护；7 右洞上台阶开挖及支护；8 右洞下台阶开挖及支护。
　　3.3 计算结果分析
　　本文主要针对沙塘坑隧道中墙进行计算分析，研究在两个不同模型条件下中墙的应力和应变情况。
　　3.3.1 中墙应力分析
　　中墙在两个不同模型下随着隧道开挖过程其应力情况模拟结果如下表。