連拱隧道中隔墻優化設計研究

(湖南省懷芷高速公路建設開發有限公司，湖南 懷化 418000)

0 引言

連拱隧道與單洞隧道的最大區別是中隔墻，在連拱隧道中中隔墻部位最為關鍵。國內許多連拱隧道在后期運營過程中，中隔墻頂部出現開裂、滲水現象，這對隧道結構不利，給行車安全帶來隱患。劉庭金等[1]對云南省連拱隧道襯砌開裂及滲漏水進行了調查分析，結果顯示襯砌開裂滲水往往是施工、設計、地質等綜合因素導致的；夏才初等[2]對相思嶺連拱隧道中隔墻應力進行了研究，研究表明中隔墻頂部容易產生應力集中，給中隔墻開裂造成隱患；申玉生[3]對軟弱圍巖雙連拱隧道設計施工關鍵技術進行研究，表明中隔墻與初期支護連接部分是施工關鍵所在。國內對連拱隧道研究得較多，但連拱隧道中隔墻部分的設計、施工不夠完善。本文依據具體的工程實例，結合施工的便捷性，對連拱隧道中隔墻進行優化設計，并通過數值計算，論述了設計的合理性。

1 連拱隧道中隔墻優化設計

懷芷高速公路毛里坡連拱隧道主洞初期支護外輪廓半徑為6.69 m，中隔墻頂部圍巖采用Ф42小導管進行注漿，見圖1，中隔墻高6 m，中隔墻頂部為R=3.2 m的圓弧，寬2.18 m，見圖2，初期支護工字鋼與中隔墻通過高強螺栓進行連接，見圖3。

圖1 原設計襯砌

圖2 中隔墻(單位： cm)

圖3 高強螺栓連接

上述連拱中隔墻部分的設計存在著一些不足之處，與中隔墻頂部連接段，初期支護半徑偏小，這容易導致初期支護及中隔墻頂部應力集中，且主線左右兩側的初期支護沒形成一整體，對結構受力不利；中隔墻頂部為圓曲面，這不利于與初期支護的工字鋼進行連接；高強膨脹螺栓一般是通過風鎬在中隔墻頂部進行鉆孔，然后埋設，而中隔墻頂部周圍施工空間狹小，這無疑增加了高強螺栓施工的難度，高強螺栓鉆孔會對混凝土產生損傷及打入高強螺栓會產生局部應力，這是中隔墻開裂的重要原因之一；另外中隔墻底部沒有進行相關設計。

針對上述問題，本文對連拱隧道進行優化設計，與中隔墻頂部連接段，擴大初期支護半徑，見圖4，范圍為45°，半徑增大至8.76 m，且主洞左右兩側初期支護之間設置Ф25水平拉桿，拉桿與工字鋼進行焊接；中隔墻頂部兩側采用直面，見圖5，能與初期支護工字鋼充分連接；初期支護工字鋼與中隔墻頂部采用鋼板進行焊接，見圖6，中隔墻澆筑混凝土之前，墻頂通長埋設鋼板B,并預埋Ф22鋼筋(縱向間距30 cm)，初期支護工字鋼通過鋼板A與中隔墻頂部鋼板B進行焊接(滿焊)，這大大增加了施工的便捷性，同時也避免了高強螺栓的施工對混凝土產生的損傷；中隔墻底部設置Ф22錨桿，使中隔墻與地基形成一整體。

圖4 優化后襯砌設計

圖5 優化后中隔墻(單位: cm)

圖6 鋼板焊接(單位： mm)

2 數值計算

上文對連拱隧道進行了優化設計，下文通過數值計算，從第1主應力、位移等兩個方面，對原設計與優化設計進行對比，計算軟件為Midas gts-NX。

采用地層結構法，圍巖設定為強風化砂巖，初期支護、中隔墻、強風化巖均采用實體單元進行模擬，錨桿采用植入式桁架進行模擬，二次襯砌采用梁單元進行模擬，初期支護及圍巖承擔35%的圍巖壓力，二次襯砌承擔65%的圍巖壓力。材料參數見表1，計算模型見圖7。

2.1 初期支護應力分析

主要分析中隔墻頂部初期支護的第1主應力，見圖8、圖9。

從圖8、圖9中可以看出，原設計中隔墻頂部初期支護最大應力值為4.01 MPa，優化設計中隔墻頂部初期支護最大應力值為2.3 MPa，初期支護擴大拱腳之后最大壓應力有所減小，避免了應力集中。

表1 材料參數表材料單元類型模型類型彈性模量E/(106kN·m-2)初期支護實體單元彈性31錨桿植入式桁架單元彈性100中隔墻實體單元彈性31二次襯砌梁單元摩爾庫倫31強風化砂巖實體單元摩爾庫倫1泊松比v容重(γ)/(kN·m-3)容重(飽和)/(kN·m-3)粘聚力c/MPa摩擦角?/(°)0．2250．2580．2260．2260．352．1210．130

圖7 計算模型

圖8 原設計初期支護第1主應力

圖9 優化設計初期支護第1主應力

2.2 中隔墻應力分析

主要分析中隔墻頂部的第1主應力，見圖10、圖11。從中可以看出，原設計中隔墻頂部最大應力為3.43 MPa，優化設計中隔墻頂部最大應力為1.74 MPa，墻頂最大應力值均發生在與初期支護連接的部位，優化設計后的應力有所減小。

圖10 原設計中墻第1主應力

圖11 優化設計中隔墻第1主應力

2.3 中隔墻位移分析

主要分析墻頂豎向位移，見圖12、圖13。

圖12 原設計中墻應力

圖13 優化設計中隔墻應力

從圖中可以得知，原設計墻頂最大豎向位移為2.68 mm，發生在頂部兩側，優化設計墻頂豎向位移均衡布置，最大值為1.52 mm，有所減小。

3 結論

針對目前連拱隧道中隔墻部分設計的不足，本文對連拱隧道中隔墻部分進行了優化設計，主要有以下結論：

1) 與中隔墻頂部連接段，擴大初期支護半徑，范圍為45°，主洞左右兩側初期支護之間設置Ф25水平拉桿，拉桿與工字鋼進行焊接；中隔墻頂部兩側采用直面；墻頂通長埋設鋼板，初期支護工字鋼與中隔墻頂部采用鋼板進行焊接，中隔墻底部設置Ф22錨桿。

2) 通過數值計算可以得出：與原設計進行比較，中隔墻頂部初期支護最大應力值、中隔墻頂部最大應力值、中隔墻頂部豎向位移等均有所減小，表明優化設計更合理。

[1] 劉庭金,朱合華,夏才初,等.云南省連拱隧道襯砌開裂和滲漏水調查結構及分析[J].中國公路學報,2004 ,17(2) :64-67.

[2] 夏才初,劉金磊.相思嶺連拱隧道中墻應力研究[J].巖石力學與工程學報,2000 ,19 (S):1115-1119.

[3] 申玉生.軟弱圍巖雙連拱隧道設計施工關鍵技術研究[D].成都：西南交通大學，2005.