劉偉
(陜西省公路局,陜西西安 710068)
集寧—呼和浩特高速公路旗下營隧道位于內蒙古自治區(qū)察哈爾右翼中旗烏蘭哈葉蘇木,屬大跨軟弱圍巖淺埋隧道。隧道斷面形式為三心圓曲墻式斷面,普通斷面開挖寬度16 m,高12 m,開挖面積約156.6 m2。隧道穿越剝蝕低山丘陵,最大埋深約150 m。隧道區(qū)屬于剝蝕丘陵山地地貌,隧址區(qū)上覆為第四系全新統沖積成因粉土、碎石、卵石、漂石等,下伏基巖為第三系礫巖、砂巖、砂礫巖及砂質泥巖等。隧道圍巖為Ⅴ級,巖質極軟,巖體破碎。在雨水浸潤易軟化,圍巖自穩(wěn)能力差,無支護時拱部易塌方,側壁易失穩(wěn)。
本文采用ABAQUS有限元軟件,就三臺階七步開挖方法與CD法的全過程進行了數值模擬。通過兩種工藝下地表沉降、拱頂沉降以及周邊收斂情況的對比分析表明,較三臺階七步開挖方法而言,CD法更適合于旗下營隧道的施工。
三臺階七步法和CD法的開挖工藝如圖1所示。
圖1 施工工藝
本文有限元分析按平面應變問題建立二維模型。為減少模型的邊界效應,選取的模型范圍為:下部取至隧道底部以下60 m,左右面邊界取至隧道外側55 m,上部取至隧道頂部以上20 m。模型的左、右邊界施加水平約束,底邊界施加豎向約束。有限元模型如圖2所示。
數值分析中,地表沉降沿垂直于隧道軸向方向間隔3 m均勻布置1~7共7個測點,其中4號測點位于隧道拱頂正上方。拱頂沉降和周邊收斂測點布置如圖3所示。
模型采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型,圍巖采用實體單元,初期支護采用ABAQUS中具有“追蹤功能”的單元來模擬(通過ELCOPY關鍵字完成),錨桿加固區(qū)通過等效強度方法實現。圍巖初始力可以通過未開挖前自重應力下提取各單元的應力,然后在模擬過程中將提取的各單元應力文件通過initial conditions關鍵字施加到模型上,從而可以在初始應力平衡下進行開挖模擬。
圖2 有限元模型
圖3 測點布置
模型相關參數如表1所示。
表1 材料參數
圖4給出了隧道三臺階七步法開挖完成后的豎向位移云圖。由圖4可知,隧道開挖完成后拱頂左、中、右三個測點的豎向沉降值分別為7.34 mm,7.49 mm和7.38 mm;中間測點的豎向沉降最大,由于隧道對稱開挖,左、右兩測點的沉降值相當。
圖4 豎向位移云圖(一)
圖5給出了隧道三臺階七步法開挖完成后的橫向位移云圖。由圖5可知,對于周邊收斂,拱腰處水平凈空收斂值約為0.15 mm,邊墻處水平凈空收斂值約為0.32 mm。
表2給出了隧道開挖完成后的地表沉降值。由表2可知,地表最大沉降值位于隧道正上方4號測點,約為6.17 mm;其他測點沉降值隨距4號點距離增加漸小。
表2 地表沉降(一)
圖6給出了隧道CD法開挖完成后豎向位移云圖。由圖6可知,隧道開挖完成后拱頂左測點的最終豎向沉降值約為6.14 mm,中間測點的最終豎向沉降值約為6.52 mm,右測點的最終豎向沉降值約為6.33 mm。
圖5 橫向位移云圖(一)
圖6 豎向位移云圖(二)
圖7給出了隧道CD法開挖完成后的橫向位移云圖。由圖7可知,對于周邊收斂處拱腰水平凈空收斂值約為0.33 mm,邊墻處水平凈空收斂值約為2.88 mm。
圖7 橫向位移云圖(二)
表3給出了隧道開挖完成后的地表沉降值。由表3可知,地表最大沉降值位于隧道正上方4號測點,約為5.12 mm;其他測點沉降值隨距4號點距離增加漸小。
表3 地表沉降(二)
由以上兩節(jié)分析可知,較三臺階七步法而言,采用CD法施工時隧道開挖完成后的拱頂沉降值較小,但水平凈空收斂值較大。
將表2和表3所得結果繪于圖8。由圖8可知,兩種施工工藝下隧道開挖完成后,地表沉降最大沉降值均位于拱頂正上方4號測點,左、右測點地表沉降值基本上對稱于測點4分布。較三臺階七步開挖方法而言,CD法施工完成后隧道地表沉降值較小。
圖8 地表沉降
以集呼高速旗下營隧道為工程背景,采用有限元軟件得到了CD法和三臺階七步法兩種開挖方案的數值結果。通過拱頂位移、水平凈空收斂以及地表沉降值的分析對比,得到了一些有益結論。
采用CD法施工時隧道開挖完成后的拱頂沉降值較小,但水平凈空收斂值略大。兩種施工工藝下隧道開挖完成后,地表沉降最大沉降值均位于拱頂正上方,左、右測點地表沉降值基本上對稱于隧道中心線分布;較三臺階七步開挖方法而言,CD法施工完成后隧道地表沉降值較小。綜合分析可知大跨度軟巖隧道淺埋區(qū)采用CD法開挖對隧道的穩(wěn)定性更加有利可靠。
[1] 王 志.大跨度公路隧道淺埋段設計施工方案研究[J].山西建筑,2011,37(18):161-162.