1、1八庙隧道仰拱对初衬的影响分析摘 要：以桃巴高速公路八庙隧道为例，采用 ANSYS10.0 软件，计算仰拱的封闭距离对初衬变形和应力的影响，进而得出八庙隧道级围岩段应尽快封闭仰拱的建议。可为类似隧道的仰拱支护优化及现场施工提供一定的理论参考。 关键词：隧道；仰拱；封闭距离；ANSYS10.0 中图分类号：U455 文献标识码： A 文章编号： 仰拱是衬砌结构的重要组成部分，其封闭的时空控制对新奥法的成功应用是至关重要的。本文以桃巴高速公路八庙隧道为工程背景，采用数值模拟对不同仰拱封闭距离下该断面稳定性进行分析，从而提出及时封闭仰拱的建议。 一、工程概况及地质条件 八庙隧道位于四川省桃园（川陕界
2、）至巴中高速公路 LJ13 合同段，为分离式隧道。隧道左右洞起讫桩号为 ZK109+868- ZK113+957，K109+868- K113+956。本文主要研究八庙隧道级围岩段，其地质情况为：洞身段为汉阳铺组泥岩及砂岩，岩体破碎，稳定性差，水文地质条件简单。隧道洞身纵断面如图 1。 图 1 隧道施工纵断面图 2二、模型建立与分析 1、计算模型 采用 Ansys 分析软件对隧道围岩体系及支护结构进行三维弹塑性静力分析。采用生死单元模拟隧道开挖，分析模型如图 2 所示，沿隧道纵向取 80m，隧道左右边距隧道边墙 55m，顶面距离隧道拱顶 35m，底边距离仰拱底面 25m；其边界条件如下：顶面为
3、自由表面，左右边界平面为横向约束，底面为固定约束；选取 ZK111+275 断面为上台阶掌子面，分别建立无仰拱以及仰拱封闭距离为 5D、4D、3D、2D、1D 的模型，讨论设置仰拱与不设仰拱、不同封闭距离衬砌垂直变形与等效应力的影响。 图 2 ANSYS 有限元 2、材料参数 表 1 材料参数 3、施工过程 八庙隧道典型断面施工过程拟按照实际开挖及支护步骤，在此计算中每个断面施工步骤：1)上台阶开挖；2）上台阶初期支护；3）下台阶开挖；4）下台阶初期支护；5）仰拱部分开挖；6）仰拱支护。 三、隧道初支变形及应力分析 1、设置仰拱与不设仰拱开挖过程分析 3（1）对初衬竖直变形的影响 本文模拟了有
4、、无仰拱全过程开挖，提取了下台阶开挖 15 米、25 米、35 米、45 米、55 米 5 个断面的数据进行列表比对，选取了下台阶开挖15 米的有、无仰拱的典型数值变形图。 图 3 有仰拱（左图）与无仰拱（右图）开挖 15 米初衬竖直变形图 从图 3 可以看出最大竖直变形出现在初衬拱顶部位，开挖 15 米时，设置仰拱时的拱顶下沉为 10.822mm，无仰拱时的拱顶下沉为 10.805mm，有仰拱比无仰拱衬砌拱顶最大沉降少 0.017mm，而且随着开挖距离的加长，有仰拱与不设仰拱的拱顶沉降差值越大。具体有无仰拱的拱顶下沉值对比见表 2。此次分析说明有仰拱的设置对衬砌竖直变形有改善作用，尤其是随着
5、开挖的长度的加长，设置仰拱对拱顶沉降的作用就更加突出。 表 2 有、无仰拱的开挖过程的衬砌拱顶沉降(mm) （2）对初衬应力的影响 对初衬的应力的影响，本文取初衬的等效应力。选取下台阶开挖 15米的有、无仰拱的初衬等效应力图。从图中分析如下：开挖过程中设置仰拱时较大等效应力出现在拱腰处，不设置仰拱时拱腰处的出现较大应力的区域明显增大，而且拱脚处的等效应力也有所增加。见图 4。 4图 4 有仰拱（左图）与无仰拱（右图）开挖 15 米初衬等效应力图 2、仰拱封闭距离的研究 针对不同仰拱封闭长度 1D、2D、3D、4D、5D 按照实际开挖步骤已做了分析，根据表 2 发现了初支拱顶沉降先期逐渐增大，后
6、趋于 10.822mm稳定。初衬等效应力较大区域出现在拱腰（图 4） ，出现的范围也逐渐减小。下文研究不同封闭距离开挖到指定掌子面（图 1 中显示的未开挖段前端）时对衬砌拱顶下沉和等效应力的影响。选取 1D、5D 计算结果对比，如图 5 所示： 图 5 仰拱不同封闭距离的初衬竖直变形（左） 、等效应力图（右） 比较不同封闭距离开挖完成后 1D、2D、3D、4D、5D 的最大数值变形值为 10.823mm、10.924mm、11.726mm、12.930mm、13.216mm 发现仰拱封闭距离越长拱顶沉降越大；而随着封闭距离的加大最大等效应力值越大，出现的区域（拱腰和拱脚处）也在增大。得出八庙隧
7、道级围岩段应尽快封闭仰拱的建议。 四、结论 利用 ANSYS10.0 数值模拟手段，分析了八庙隧道级围岩段设置仰拱与否对隧道开挖的影响，比对了不同仰拱封闭距离对初衬的数值变形和等效应力的影响得出如下结论： （1）在隧道施工尤其是围岩较差隧道施工中，仰拱设置对衬砌的拱5顶下沉可以起到减小的作用，也可减小衬砌的应力，对隧道的使用和承载力作用明显。说明应及时设置仰拱。 （2）随着仰拱封闭距离的减小，隧道变形呈现减小的趋势，初支的应力也有减小，出现较大应力的区域也在减小。说明应尽快跟进仰拱，减小隧道变形。 参考文献： 1王明年，翁汉民，李志业. 隧道仰拱的力学行为研究J.岩土工程学报，1996，18（1）：46-53 2关宝树. 隧道力学概论M.成都：西南交通大学出版社，1993.6367 作者简介：刘继军（1988- ） ，江苏盐城人，硕士研究生，研究方向为隧道与地下工程设计理论及应用。
