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偏压连拱隧道中隔墙力学特性数值分析 摘要：中隔墙作为连拱隧道的中枢结构和重要承载构件，其受力及位移情况往往对工程成败和安全起着决定性作用。本文针对张石高速公路某偏压连拱隧道工程实例，利用数值有限元法，并结合中隔墙主筋轴力现场监测量测分析，对偏压连拱隧道中隔墙的受力特征及变形进行了研究。 关键词：偏压连拱隧道；中隔墙；模拟计算；监测 abstract: in the wall as the arch of the central structure of the tunnel and an important bearing components, the force and displacement often plays a decisive role in engineering the success and security. force and deformation of a bias for chang shi highway, arch tunnel project instance, using numerical finite element method, combined with the measurement of wall reinforcement in the axial force on-site monitoring, the arch in the tunnel wall on bias were studied.key words: bias arch tunnel; in the wall; simulation; monitoring 中图分类号： u45文献标识码：a 文章编号：2095-2104（2012） 1 工程概况 张石高速公路某连拱隧道全长550 m，隧道工程地质较差，基岩为页岩，风化严重，上覆第四系粘土，含碎石、角砾，有顺层滑移伴危岩、落石等危险，围岩属ⅲ～ⅳ级围岩，隧道进口段上部围岩为一明显斜坡，因此隧道处于偏压状态。隧道内轮廓为单心园和直中墙组成，其内半径为550cm，隧道为单坡、直线隧道，纵坡3%。隧道建筑界限为：净宽10.25m，净高5.0m。开挖界限为宽23.97m，高9.85m。 2隧道结构的计算模型 2.1 基本假设 本模型做了如下假设： 1）计算模型为弹塑性应变，围岩进入塑性后，采用d-p准则，支护体系在线弹性范围内变化； 2）岩体变形是各项同性的； 3）隧道受力、变形为平面应变问题； 4）围岩的初始应力场由自重应力构成，不考虑构造应力的影响。 2.2 本构模型 岩石单元采用弹塑性应变模型，材料进入塑性状态的准则采用drucker-prager屈服准则，其表达式为： 式中：、为d-p准则材料常数，为应力张量的第一不变量；为应力偏量的第二不变量。 ， 式中：、为岩体的粘聚力和内摩擦角。 2.3 数值模型的建立 按照弹塑性力学理论及工程类比方法，一般选取3至5倍洞径为计算区域[3][4]。本模型选取中墙两边各50 m，下部至隧道底部以下30 m，上部选至地表。模型左右边界为水平约束，下边界为垂直约束，上边界是自由地表。采用弹塑性模型，围岩采用二维平面应变单元plane42单元进行模拟；初期支护（喷射混凝土、钢拱架）采用壳单元shell63单元起进行模拟；二次衬砌断面较大，采用plane82单元进行模拟；初期支护与围岩紧密接触，将其与围岩视为一体，而初期支护与二次衬砌采用接触单元来进行处理，两者间只传递压应力不传递摩擦力。对于管棚注浆预加固和锚杆等加固的围岩，按经验采取提高c、φ值来模拟，喷射混凝土中的钢拱架也采用提高混凝土参数的办法来模拟。偏压连拱隧道有限元网格划分，模型共有8159个单元，26432个节点。 3计算结果和分析 3.1中墙随开挖进程应力及位移变化 从数值模拟分析结果可知，中隔墙对于加强隧道围岩的稳定性、确保整座隧道支护系统的安全性至为关键。 (1) 在偏压隧道的各个施工阶段，中隔墙始终承受着巨大偏向围岩压力，顶部和底部的水平应力分量为方向相反的张应力，在这对力偶的作用下，中隔墙墙身中部向左侧鼓出，基脚右趾向上抬起。整道隔墙具有顺时针偏转的态势，为避免连拱隧道施工过程中可能的剪切错动破坏，故隧道施工过程应尽量减少隧道中隔墙承受的围岩压力。 (2) 随着隧道的左右洞上下台阶的交替开挖，中墙承受的压力在浇筑中墙时较小，随着左右洞室的开挖而变得越来越大，偏压中墙的两端均出现了应力集中现象；中墙顶部压力达到2.85mpa，比开挖左洞下台阶时的中墙顶部压力增加了1.73mpa；中墙底部压力局部达到2.52mpa，比开挖左洞下台阶时的中墙底部压力增加了1.02mpa。 (3) 在左右洞室的上台阶开挖时，中墙应力增加最大，而下台阶开挖时，中墙应力变化不大，