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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。
可知，模型一中中墙最大应力的变化范围为1.569 Mpa～2.544 MPa，而模型二的中墙最大应力的变化范围仅为0.809 MPa～0.966 MPa。模型二相应开挖步的应力仅为模型一的40%左右。由此可见，优化设计大大降低了中墙的应力，提高了中墙的稳定性。以下是两个模型在第3、5、7 施工步的应力图。第4 施工步与第3 施工步、第6 施工步与第5 施工步、第8 施工步与第7 施工步变化趋势基本相同。
连拱隧道在修建过程中，左右导坑的施工对中墙应力的影响较小，主要因为左右导坑开挖的轮廓较小，距离中墙大约有10m。连拱隧道中墙因承受隧道上方绝大部分的围岩压力，随着上下台阶的开挖，中墙上方的围岩在左侧形成了一个临空面，围岩应力重分布后集中向左正洞方向释放，这样传递在中墙顶部各处的应力值不一致，从而造成中墙的应力集中，主要集中在中墙左侧的中下部。同时，在地形偏压作用下连拱隧道产生整体向隧道外侧位移，在浅埋侧隧道产生被动压力，而在深埋侧隧道产生主动压力。因此中墙产生了从浅埋侧向深埋侧的弯矩，造成中墙浅埋侧的应力比深埋侧的大，所以中墙左侧集中了较大的应力。这种应力增大到一定程度，中墙结构就会产生裂缝甚至破坏，隧道就会失稳。而中墙向深埋侧(右侧)移动1m 后，中墙因荷载的不对称作用产生的弯矩将减小，中墙的应力也相应地减小到比较低的水平，且主要集中在基底，故中墙稳定性大大提高。
3.3.2 中墙应变分析
中墙在两个不同模型下随着隧道开挖过程其应变情况模拟结果。
可知，模型一中墙最大应变的范围为0.156×10-3～0.308×10-3，而模型二的中墙应变的变化范围为0.139×10-3～0.166×10-3，模型二最大的应变仅为模型一的50%左右，优化设计大大减小了中墙的应变，提高了中墙的整体稳定性。以下是两个模型在第4、6、8施工步的应变图。第3 施工步与第4 施工步、第5 施工步与第6 施工步、第7 施工步与第8施工步变化趋势基本相同。
在偏压条件下，中墙不仅产生横向的整体偏移，且在纵向也产生扭转变形[10]。从上图可知，随着隧道的开挖，中墙的应变越来越大，且主要集中在上部，基底的应变较小。因为不对称荷载引起顶部的扭转、偏移作用产生的变形远大于底部的变形。在模型一情况下中墙的应变主要集中在右侧上部，因为由于偏压作用，中墙右侧承受的围岩压力比左侧的大，因此产生顺时针的扭转，中墙右侧受压，故其应变比左侧的大。在模型二条件下，隧道的偏压程度大大降低，中墙左右两侧所受的荷载相差不大，荷载不对称作用引起的扭转大大减弱，所以其应变也大幅度的减小，且左右两侧基本对称，故中墙稳定性较对称布置的好。
4 结论
通过对两个模型下中墙在不同施工步的应力和应变的数值模拟结果进行分析，可以得出以下结论：
（1）对于偏压连拱隧道，中墙中墙设置在中导洞中央的对称形式由于不对称荷载作用，左右两侧会产生较大的弯矩和扭矩，从而使其产生较大的应力和应变，对中墙的稳定不利。
（2）中墙向隧道深埋侧移动1m，其偏压程度会降低，左右两侧承受的应力相应的减小，仅为对称布置的40%，且处于比较低的水平，中墙的稳定性大大提高。
（3）从应变水平上来看，中墙向深埋侧移动1m，其应变仅为对称布置的一半，且分布比较对称，中墙变形比较合理。
（4）根据两个模型的对比，不管是从应力水平还是从应变水平上来看，中墙向深埋侧移动1m，其两端所受的不对称压力将大大的减小，由此产生的应力和应变也大幅度降低，使中墙的受力更加合理，稳定性更好。
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