第３７卷第２９期 ２ ０ １ １年１ ０月 文章编号：１００９－６８２５（２０１１）２９—０１５１－０３ 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣ ＩＵＲＥ Ｖ０１．３７ Ｎｏ．２９ Ｏｃｔ． ２０１１ ・１５１・ 软弱隧道环形预留核心土开挖过程数值分析 冯家鑫摘应力的变化规律，得出对隧道施工具有指导意义的结论。 关键词：软弱隧道，核心土，施工方法，数值模拟 郇澜 要：以昆仑隧道开挖为例，运用有限元软件，分析了环形预留核心土开挖过程中各个开挖阶段的应力图以及位移和 中图分类号：Ｕ４５５．４ 文献标识码：Ａ １ 工程概况 泥质岩以及前泥盆系（ＡｎＤ）变质砂岩、板岩。隧道埋深较浅。隧 ０．３８ ｍ，宽ｌ２．９２ ｍ。 昆仑隧道位于大埔县银江镇昆仑一大麻镇岌头村之间，本隧 道开挖断面高度为ｌ道为分离式长隧道，起止桩号左线ＺＫ４２＋１８０～ｚＫ４４＋９７５，长 ２有限元模型的建立 ２ ７９５ ｍ；右线Ｋ４２＋１９３一Ｋ４４＋９９８，长２ ８０５ ｍ。 ２．１ 计算范围 根据圣维南原理，开挖只在洞周一定范围内引起应力重分 隧道穿越昆仑山，为丘陵地貌，起伏较大。隧道进口位于山 体西坡，坡度较缓，基本与等高线正交，山上植被为桉树林，覆盖 布。实践和理论分析表明，在均质弹性无限域中开挖的圆形隧 层较厚，出口位于冲沟南侧山嘴处，山间植被茂密，基本为松树、 道，由于荷载释放而引起的洞室周围介质的应力和位移的变化，农田和灌木。 在５倍洞径范围之外将小于１％，在３倍洞径之外约小于５％。因 一依据工程的具体要求和有限元法的离散误差以及计算误差， 隧址区内地层结构较为复杂，地质构造复杂，岩性变化很大， 此，般选取的计算范围沿洞径各个方向均不小于３倍一５倍洞 勘察揭露隧道址区内存在有较多的断裂构造带，隧址区地层上部 隧道几何模型的取值范围左右两侧从隧道中心向外 为第四纪残坡积层覆盖，下伏基岩为侏罗系漳平组（Ｊ２ｚｈ）砂岩、 径 。因此，图２，图３所示。 裂缝处设置。 按照上述方案加固后安全系数为３．５ｌ，满足规范…要求 （ｔ＞２．４０），加固方案可行。 ６）施工中采用的胶粘剂与混凝土界面剂的质量参数，均应符 合规范 的规定。 ２．４施工注意事项 １）钻孔注浆前，应确定设计钻孔位置的钢筋分布情况；钻孔 裂缝走向自下而上依次进行。 ３结语 本文通过隧道加固实例，从裂缝补强、围岩注浆、新增三衬、 时，应避开钢筋；钻孔注浆时宜严格控制注浆压力等参数，并宜沿 加强防排水体系等多方面进行综合治理，对新增衬砌的安全系数 进行了评估，通过本文的研究，对今后类似工程的研究提供了参考。 ２）对渗漏易发部位（如沉降缝、施工缝）必须加强振捣施工， １）对衬砌后围岩不密实区注浆加固，采用注浆补强、贴碳纤 选择有利于抗裂防渗的时间段进行混凝土浇捣施工。衬砌施作 维布和型钢等手段有效抑制裂缝发展，充分利用原有衬砌的结构 完成后应及时检查其背后与原结构层之间的空隙，一旦发现，应 承载能力。 及时注浆填充。 ２）新增三衬混凝土结构进行永久加固，经验证，计算后的衬 ３）铺设防水板前应裁除出露的钢筋端部，修整表面过大的凹 砌结构满足安全系数的要求。 凸不平处，以防刺破防水板，铺设过程中应注意防水板材搭接良好。 ３）对地下水进行防、排、截、堵综合整治，加固以不破坏原有 ４）根据原二次衬砌变形缝的位置设置变形缝，当原二次衬砌 防排水体系为原则，重新布置完整的防排水系统，保证隧道防排 在很长距离没有设置变形缝时，补强层也应根据裂缝开裂情况每 水系统的长期有效。 ２０ ｍ～３０ ｍ设置一处变形缝。 参考文献： ５）由于部分衬砌出现渗水现象，因此，在进行补强时，采用ｎ ［１］ＪＴＧ Ｄ７０—２０ｏ４，公路隧道设计规范［Ｓ］． 形弹簧排水管进行引排，原则上在原衬砌每道施工缝、变形缝和 ［２］ ＧＢ ５０３６７—２００６，混凝土结构加固设计规范［ｓ］． Ｏｎ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ＸＵ Ｊｉａｎ－ｍｉｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆａｃｔｕａｌ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｄｏｐｔｓ ａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｔｏ ｕｎｄｅｒｔａｋｅ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ，ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆ ａｎｄ ｄｒａｉｎａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｒｅｓｕｍｅｓ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌｓ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｉｍｉｌａｒ ｐｒｏｊｅｃｔｓ ｉｎ ｆｕｔｕｒｅ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌ，ｃｒａｃｋ，ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ，ｌｉｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 收稿日期：２０１１－０６—０３ 作者简介：冯ｇ￣（１９８２．），男，助理工程师，中铁二十局集团第六工程有限公司，陕西西安７１００３２ 郇 ￣（１９８５．），男，西安科技大学建筑与土木工程学院硕士研究生，助理工程师，中铁二十局集团第六工程有限 公司，陕西西安７１００３２ ・１５２・ 第３７卷第２９期 ２ ０ １ １年１ ０月 山 西 建 筑 和三次应力状态。研究开挖过程中应力发展变化规律（见图１）， 为隧道围岩和支护结构稳定性分析提供依据。 各延深５０ ｍ，上下部边界均取为３０ ｍ。 ２．２计算参数的确定 根据工程勘察报告，并结合《公路隧道设计规范》 ，选取的 岩土体参数为：弹性模量Ｅ＝２００ ＭＰａ，泊松比 ＝０．４，重度ｙ＝ ２０ ｋＮ／ｍ ，凝聚力ｃ＝５５ ｋＰａ，内摩擦角 ＝２９．５。。 初期支护结构的弹性模量Ｅ＝２５ ＧＰａ，／．Ｌ＝０．２０， ＝３０ ｋｉＮ／ｍ３。 ２．３施工工序模拟 进行有限元模拟时，将整个施工过程分为７步： 第１步：自重应力场计算； 第２步：开挖上台阶； ａ）上台阶开挖后第一主应力等值线 第３步：支护上台阶； 第４步：开挖核心土； 第５步：开挖下台阶； 第６步：支护下台阶； 第７步：开挖仰拱； 第８步：支护仰拱。 ３计算结果分析 ３．１ 围岩应力场分析 ｃ）下台阶开挖后第一主应力等值线 一一 一一 ｂ）核心土开挖后第一主应力等值线 ｄ）仰拱开挖后第一主应力等值线 图１各工序开挖后第一主应力等值线图 根据计算结果，对不同工序下围岩拱顶、左右拱脚、左右边 隧道在没有开挖前，围岩在自重应力作用下处于初始应力状 墙及仰拱的中点六个关键点的应力分布情况进行提取，具体见 态，开挖隧道后引起围岩应力重新分布，使围岩处于二次应力状态 表１。 表１ 各关键点的第一、第三主应力 步骤 Ｏ＂１ ＭＰａ 右边墙脚 Ｏ＂１ ０＂３ 拱顶 ０＂３ Ｏ＂１ 左拱脚 ０＂３ Ｏ＂１ 右拱脚 ｏ＂３ 左边墙脚 １７＂１ Ｏ＂３ 仰拱中点 Ｏ＂１ ０＂３ 开挖上台阶 支护上台阶 开挖核心土 ０．０４５ ０．Ｏ５ｌ ０．０４９ —０．７８ 一０．７７ 一Ｏ．７８ 一１．３８ 一１．３６ —１．３６ —３．５９ —３．６０ —３．６１ —１．２８ 一１．２６ —１．２６ —３．４２ —３．４２ —３．４３ 一Ｏ．５８ —０．５８ —０．５６ —１．２２ —１．２３ —１．２４ —０．５５ —０．５６ —０．５４ —１．１６ 一１．１７ —１．１９ 一Ｏ．３８ —０．３８ 一Ｏ．３３ 一Ｏ．９０ —０．９０ —０．９２ 开挖下台阶 支护下台阶 开挖仰拱 ０．Ｏ１４ ０．０１３ ０．０１１ —０．８５ —０．８４ 一Ｏ．９１ —０．４０ —０．２７ 一Ｏ．２４ —２．２２ —２．１４ —２．Ｏ３ 一Ｏ．３３ —０．２４ —０．２０ —２．０９ —２．０３ —１．９ｏ —１．２Ｏ 一１．１６ 一０．４１ 一３．７５ —３．７４ —２．６６ 一１．３５ —１．３ｌ 一Ｏ．４２ —３．９ｏ 一３ ８８ —２．７Ｏ 一０．１４ —０．１４ 一０．０１３ —０．８３ —０．８３ —０．８６ 仰拱支护 一０．２４ 一Ｏ．９２ 一Ｏ．２２ —１．９６ —０．１８ —１．８３ —０．３８ —２．５６ 一Ｏ．３７ —２．５２ —０．Ｏ２１ —０．８７ 从表１各关键点第一、第三主应力中可以看出，上台阶开挖 及仰拱的中点六个关键点的 ，，，方向的位移进行提取，具体见表２。 后拱顶处于受拉状态，左右拱脚出现应力集中。核心土开挖后， 从表２中可以看出，最大水平位移发生在左右边墙中部。拱 对各监测点处的第一、第三主应力影响很小。下台阶开挖后，左 顶竖向位移在隧道开挖后发生了较大变化，上台阶开挖后拱顶处 右边墙脚出现应力集中。在仰拱支护施作后，拱顶岩体由受拉状 位移量达２．９３ ｍｌｎ，下台阶开挖后位移量又有所增加，这是由于随 态转为受压状态，左右拱脚和左右边墙脚的受力得到了改善。因 着开挖断面的增大，围岩体应力重新调整的结果，当仰拱施作后， 此在软弱隧道环形预留核心土开挖过程中，要加强对拱顶、左右 拱顶位移有所减小，为２．８７ ｍｍ，这表明施作仰拱对拱顶竖向位移 拱脚和左右边墙脚的支护，防止受拉和应力集中的部位围岩坍 有一定的限制作用。左右拱腰处的水平位移和竖向位移，在上台阶 塌，并且应该及时施作仰拱，来改善围岩的整体受力。 开挖后，达到总位移的７０％以上，这说明要加强上台阶的支护。左 ３．２ 围岩位移场分析 右边墙中部向上隆起，在施作仰拱后，明显减小。拱顶和仰拱中点 表２各关键点 。Ｙ方向位移值 ｒｔｌｎｌ 右边墙中 ｙ 根据计算结果，对不同工序下围岩拱顶、左右拱腰、左右边墙 处的水平位移为０，这是因为在数值模拟时，取的模型是对称模型。 步骤 开挖上台阶 支护上台阶 开挖核・ 土 拱顶 ｙ 左拱腰 ｙ 右ｋｇ－－腰 ｙ 左边墙中 ０．４７ ０．４６ ０．５１ 仰拱中点 ｙ ０ ０ Ｏ —２．９３ —２．９８ 一２．８８ １．１７ １．１７ １．１８ —１．８４ —１．８９ —１．７７ —１．１８ 一１．１８ 一１．１９ —１．８６ —１．９０ —１．７９ ０．４９ ０．４５ ０．６０ —０．４６ —０．４５ —０．４９ ０．５３ ０．４９ ０．６４ ０ Ｏ ０ １．９１ １．８９ ２．１７ 开挖下台阶 支护下台阶 开挖仰拱 ０ ０ ０ —２．９５ —２．９６ —２．８６ １．４８ １．４９ １．６７ —２．０６ —２．ｏ６ —２．０７ —１．４９ —１．４９ —１．６７ —２．０８ —２．０８ —２．０８ １．２８ １．３０ ２．１７ ０．３５ ０．３４ ０．１９ —１．３５ 一１．３８ —２．２６ ０．３２ ０．３１ Ｏ．１５ ０ ０ ０ ３．０１ ２．９９ ３．５３ 仰拱支护 Ｏ 一２．８７ １．６６ —２．０６ —１．６７ —２．０７ ２．２９ ０．１８ —２．４１ ０．１５ ０ ３．４８ ４结语 引发坍塌，并且应该及时施作仰拱，来改善围岩的整体受力。 本文以昆仑隧道Ｖ级围岩段环形预留核心土开挖过程为研 ２）核 ｔＬ，土对围岩水平方向和竖直方向的应力和位移的变化 究对象，利用数值模拟的方法，得到各个施工工序的应力和位移 有影响，但是影响不大。 的变化规律，得出了一些对施工有益的结论。 ３）拱顶竖向位移值以及左右拱腰处的水平位移和竖向位移， １）软弱隧道在运用环形预留核一ｔＬ，－Ｉ－开挖方法时，应加强对拱 在上台阶开挖后，达到总位移的７０％以上，这表明加强上台阶的支 顶、左右拱脚和左右边墙脚的支护，防止围岩因受拉和应力集中 护可以有效的控制位移的变形值。 第３７卷第２９期 ２ ０ １ １年１ ０月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣ ＩＵＲＥ ＶｏＩ｜３７ Ｎｏ．２９ Ｏｃｔ． ２０１１ ・１５３・ 文章编号：１００９・６８２５（２０１ １）２９—０１５３－０２ 怀洪新河特大桥主塔鞍座区应力分析 苗超于西尧 摘要：利用通用有限元程序ＡＮＳＹＳ对怀洪新河特大桥主塔鞍座锚固区应力进行了空间受力分析，从而得出了该桥不 同区域应力分布情况，并针对存在隐患部位提出了相应建议，为索鞍设计提供了理论依据，对同类矮塔斜拉桥的应力分 析具有一定指导意义。 关键词：斜拉桥，鞍座锚固区，局部应力分析 中图分类号：Ｕ４４３．３８ 文献标识码：Ａ １ 概述 矮塔斜拉桥的力学特性介于斜拉桥与梁桥之间，主塔鞍座区 在索鞍内平行布置，其优点表现在以下几个方面： １）索鞍下部与混凝土的接触面很宽，不会形成不利的应力集 很好地解决了索鞍下部应力过大的问题； 设计是矮塔斜拉桥的一个关键技术问题，鞍座区基本功能是让拉 中，２）单根无粘结钢绞线在索鞍段采取不剥外包ＰＥ的方法，使 索以不间断的方式通过主塔，并通过粘结锚固使拉索锁定，将斜 得防腐效果更好，它的防腐原理等同于拉索自由段； 拉索的作用力传至桥塔。 怀洪新河特大桥主桥为墩塔梁固结的预应力混凝土部分斜 ３）单根钢绞线张拉产生的压应力直接传到索鞍内的高强环 再分散传递到索鞍的混凝土上，受力明确，并且可以实 拉桥，跨径布置为（７５＋１３０＋７５）ｍ，下部结构为薄壁墩、承台接群 氧砂浆内，现单根调索和换索； 桩基础。主塔为实心矩形截面，塔身上部设有鞍座，混凝土塔内 ４）施工时每根无粘结筋只穿过对应的钢管，不会存在打绞问 预埋分丝管。斜拉索穿过分丝管，钢绞线张拉完后在索鞍内的倒 雨滴形分丝管内灌注高强砂浆，通过钢绞线与高强砂浆之间的摩 题，施工非常便利。擦力来抵抗主塔两侧的不平衡拉力。图１为主塔构造图。为了解 ２．１．２双重管（预埋管＋内套管）索鞍 如图３所示外套管作为预留孔道，拉索整体或单根穿过内套 主塔鞍座处的受力特点及应力分布，确保主塔鞍座区结构安全性 管后灌注高强环氧砂浆，同时在索鞍出口处用高强环氧砂浆做成 及可靠性，在实体主塔鞍座区选取一节段进行有限元模型分析。 抗滑移装置，然后对称锚固于主梁上，双重套管索鞍在设计及施 工方面的不足表现在以下几个方面： １）索鞍的内套管和外套管之间形成线接触，产生应力集中， 有可能因过大的局部应力造成混凝土开裂； ２）内套管灌浆情况、钢绞线的防腐情况无法检查； ３）由于组成拉索的各根钢绞线相互叠压在一起，各根钢绞线 受力不均匀，可能会导致钢绞线过早疲劳失效，并且难以实现单 图１主塔构造图 根调索及更换； ２主塔索鞍构造分析 ２．１ 主塔索鞍类型比选 ２．１．１ ＶＳＬ分丝管索鞍 ４）钢绞线通过内套管时容易打绞，施工相当困难； ５）换索工艺复杂，工作量大。 综上，ＶＳＬ分丝管索鞍结构与双套管索鞍结构相比，很好的解 如图２所示索鞍埋设于塔内，断面为矩形，尺寸为２３０×２３４， 决了双套管索鞍结构存在的索鞍下部与混凝土接触部应力过大、 钢绞线各自独立穿过各分丝管并锚固于两侧主梁上，各根钢绞线 穿索困难、钢绞线相互挤压、防腐效果无法检查等问题。因此本桥 参考文献： ［３］ 王茂和，刘学增，何燕云．龙山浅埋大跨连拱隧道施工过程 的数值模拟［Ｊ］．山西建筑，２００７，３３（２３）：３０７—３０８． ［１］ 阳志元．大断面浅埋暗挖隧道施工过程数值模拟［Ｊ］．山西 建筑，２００８，３４（９）：３１８－３２０． 硕士学位论文，２００３． ［４］ＪＴＧ Ｄ７０－２００４，公路隧道设计规范［ｓ］． ［２］ 张小旺．浅埋隧道施工过程仿真分析［Ｄ］．郑州：郑州大学 ［５］ 霍润科，王艳波，宋战平，等．黄土隧道初期支护性能分析 ［Ｊ］．岩土力学，２００９，３０（２）：２８７－２９０． Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｗｅａｋ ｔｕｎｎｅｌ ｒｉｎｇ ｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｃｏｒｅ ｓｏｉｌ ＦＥＮＧ Ｊｉａ－ｘｉｎ ＸＵＮ Ｌａｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｅ Ｋｕｎｌｕｎ ｔｕｎｎｅｌ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ，ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｓｅｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｇｒａｐｈ ｏｆ ｅａｃｈ ｅｘｃａ‘ ｖａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｃｈａｎｇｅ ｌａｗ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｒｉｎｇ ｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｃｏｒｅ ｓｏｆｔ，ｄｒｅｗ ｇｕｉｄｉｎｇ ｓｉｇｎｉｉｃａｎｃｅ ｔｆｏ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ・ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｆｔ ｔｕｎｎｅｌ，ＣＯｒｅ ｓｏｉｌ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 收稿日期：２０１１－０５－２５ 作者简介：苗超（１９８１．），男，工程师，安徽省交通规划设计研究院，安徽合肥２３００８８ 于西尧（１９８０．），男，工程师，天津市政工程设计研究院，天津３０００５１
