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        軟弱砂巖段深埋隧道開挖數(shù)值模擬與監(jiān)測分析

        2012-10-16 03:14:26張運良王昌勝李鳳翔
        黑龍江交通科技 2012年3期
        關(guān)鍵詞:花子拱頂臺階

        張運良,路 平,王昌勝,李鳳翔

        (中南大學土木工程學院)

        0 引言

        軟弱巖石是指工程環(huán)境中能產(chǎn)生顯著塑性變形,具有軟弱、松散、破碎、風化、膨脹等物理特性的巖體總稱。因其工程性質(zhì)軟弱并常常導致工程地質(zhì)問題或地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生,軟弱圍巖常是隧道工程處理和加固的對象。

        對于軟弱圍巖,隧道開挖后的變形基本可分為彈性變形、塑性變形和流變?nèi)齻€階段。對于一般軟弱圍巖,只要加強支護結(jié)構(gòu),如提高支護結(jié)構(gòu)的剛度,縮短支護時間等即可有效限制圍巖變形的進一步發(fā)展。而縮短支護時間由于其經(jīng)濟有效性,成為隧道工程施工中普遍采用的方法。

        臺階法是新奧法中適用性最廣泛的施工方法,它將斷面分成上半斷面和下半斷面兩部分分別進行開挖。隨著臺階長度的調(diào)整,它幾乎可以用于所有的地層,因而在隧道工程施工中,臺階法是最重要的方法之一。根據(jù)臺階的長度,有長臺階法、短臺階法和超短臺階三種方式。根據(jù)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、圍巖類別、隧道埋深、斷面尺寸等因素,綜合考慮決定臺階法施工的步距。

        本文根據(jù)炎汝高速公路花子坳隧道的施工為研究背景,對Ⅴ級圍巖段所采用的短臺階施工工法進行有限元數(shù)值模擬計算,并作了較深入的研究。

        1 工程概況

        花子坳隧道是炎汝高速公路第10標的主要工程之一,位于湖南省炎陵縣境內(nèi)。隧道左線起訖里程為ZK42+945~ZK43+868,右線起訖里程 YK42+916.5~YK43+860,為上下行雙線分離式隧道。YK43+915~YK43+140段為粘土、強風化砂質(zhì)頁巖,巖體極破碎,自穩(wěn)性差,拱部無支護時易冒頂、掉快,為Ⅴ級圍巖。根據(jù)圍巖情況,該段采用短臺階法進行掘進施工。

        2 數(shù)值模擬

        2.1 計算概況

        花子坳隧道襯砌內(nèi)輪廓采用直徑5.5 m的單心圓,初期支護采用24 cm厚的C20噴射混凝土;工字鋼采用I18工字鋼,工字鋼間距為60 cm;錨桿采用D25中空注漿錨桿,環(huán)向間距120 cm,縱向間距60 cm;仰拱填充采用C15片石混凝土,二襯作為安全儲備暫不考慮。

        2.2 模型計算

        本文章利用MIDAS GTS有限元分析軟件對Ⅴ級圍巖深埋段的隧道開挖過程進行模擬,建模時考慮邊界效應(yīng)影響,計算模型沿橫截面方向左右各取40 m,約4倍洞徑;隧底以下取35 m,上部取值大于Ⅴ級圍巖的坍方平均高度,取55 m;縱向取69 m。

        為進行臺階法開挖對周邊圍巖穩(wěn)定性影響的模擬,建立模型如下:縱向0~6 m和24~30 m為考慮縱向邊界效應(yīng)的“緩沖”區(qū)間,6~24 m為進行臺階法施工區(qū)間,臺階長度為6 m,循環(huán)進尺為1.2 m,初期支護緊跟開挖進行。

        對該模型數(shù)值模擬計算中,把整個施工過程分成以下步序來加以模擬分析:第一步初始狀態(tài)step1,第二步上臺階開挖step2,第三步上臺階周邊噴錨支護及臨時仰拱施作step3;第四步下臺階開挖step4,,第五步下臺階周邊噴錨支護step5,第六步拆除臨時仰拱step6。

        該模型僅僅考慮系統(tǒng)錨桿、鋼支撐、噴射混凝土對圍巖的支護的作用,超前錨桿和二襯作為安全儲備,不予考慮。

        計算荷載主要是圍巖的自重,按照施工步驟,逐步進行計算,得出開挖擾動后圍巖的位移、內(nèi)力和塑性區(qū)等,進而評價施工過程的安全性,并就施工過程提出合理的建議。

        根據(jù)隧道地勘資料以及《公路隧道設(shè)計規(guī)范》JTG D70-2004,圍巖與支護材料參數(shù)如表1所示,計算模型如圖1所示。

        表1 模型參數(shù)

        圖1 數(shù)值模擬模型

        2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

        (1)隧道開挖應(yīng)力特征分析。

        表2 不同施工步序特征點主應(yīng)力計算結(jié)果 kN

        圖2 特征點主應(yīng)力隨施工過程變化曲線圖

        從計算值看出,隨著施工的進行,各特征點主應(yīng)力σ1和σ3呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律:拱頂、拱腰處由于開挖應(yīng)力的釋放,圍巖應(yīng)力水平呈減小趨勢并保持較低應(yīng)力水平;拱腳處隨開挖過程逐漸增大并保持較大應(yīng)力水平,達到2.2 MPa,出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象;拱底由于上部圍巖壓力的解除,隨開挖過程隨開挖減小并持續(xù)較低。在隧道的開挖過程中,圍巖處于受壓狀態(tài)。由于隧道深埋且無結(jié)構(gòu)性偏壓,左右側(cè)應(yīng)力基本對稱。

        施工中應(yīng)特別注意拱腰與拱腳處鎖腳錨桿的施工的及時性和可靠性,并注意加強對該段的監(jiān)控量測,防止拱腰和拱腳處因圍巖壓力較大出現(xiàn)過大變形,引起支護開裂和侵限,進而引起圍巖松動,影響圍巖穩(wěn)定性和隧道結(jié)構(gòu)的安全性。

        (2)隧道開挖變形特征分析。

        由計算結(jié)果可知,花子坳隧道V級圍巖段上臺階施工過程中,隧道拱頂圍巖的累積下沉變形量最大為-2.8 mm,兩側(cè)邊墻圍巖向洞內(nèi)的累積水平收斂位移量最大為-1.09 mm,下臺階開挖施工后,隧道拱頂圍巖的累積下沉變形量最大為-4.27 mm,兩側(cè)邊墻圍巖向洞內(nèi)的累積水平收斂位移量最大為-1.64 mm,臨時仰拱拆除后累積下沉變形量最大為-4.80 mm,兩側(cè)邊墻圍巖向洞內(nèi)的累積水平收斂位移量最大為-1.89 mm,特征點位移隨施工過程的變化趨勢如圖3所示。每一施工步洞周特征點的位移計算結(jié)果如表2所示。由計算結(jié)果可見,開挖過程中隧道圍巖基本穩(wěn)定。

        表3 不同施工步序特征點位移計算結(jié)果 mm

        施工中對計算斷面圍巖變形進行了量測,隧道開挖過程中,圍巖豎向位移與周邊收斂在上臺階開挖后達到最大沉降值的50%左右。由實測數(shù)值可見,圍巖水平收斂和拱頂下沉較計算結(jié)果稍大,但變化規(guī)律基本一致。

        圖3 特征點位移隨施工過程變化曲線圖

        3 監(jiān)控結(jié)果

        3.1 監(jiān)測結(jié)果

        隧道深埋段施工過程中,對拱頂沉降、圍巖壓力進行現(xiàn)場測量。本文選取與數(shù)值模擬同一斷面處的變形、應(yīng)力數(shù)據(jù)進行分析,應(yīng)力、位移變形圖如圖4、圖5。

        圖4 右線進口深埋段拱頂沉降時程圖

        圖5 右線進口深埋段圍巖壓力時程圖

        3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

        從圖4、5可以看出,拱頂沉降和圍巖壓力在隧道上臺階開挖完成4~6 d后基本趨于穩(wěn)定;下臺階開挖后,拱頂沉降繼續(xù)增大,而后趨于穩(wěn)定,最終沉降值為-13.29 mm,較理論計算值偏大。圍巖壓力實測值右拱腰達1.082 MPa,左拱腰0.255 MPa,右拱腰較左拱腰大,說明存在一定的構(gòu)造偏壓。后序施工中需加強對此處監(jiān)測,防止發(fā)生襯砌開裂等病害。

        4 結(jié)論

        通過有限元數(shù)值模擬花子坳隧道臺階法施工過程中圍巖體穩(wěn)定性、支護結(jié)構(gòu)的變形以及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比分析,在花子坳隧道Ⅴ級圍巖深埋段采用短臺階法施工,效果良好,拱頂下沉及圍巖變形都在控制范圍內(nèi)。表明此工法適應(yīng)花子坳隧道的地形地質(zhì)條件,可作為地質(zhì)情況相似的其他深埋隧道的施工方案。

        [1]何滿潮,景海河,孫曉明.軟巖工程力學[M].北京:科學出版社,2002:6-8.

        [2]王軍,夏才初,朱合華等.不對稱連拱隧道現(xiàn)場監(jiān)測與分析研究[J].巖石力學與工程學報,2004,23(2):267-271.

        [3]彭立敏,劉小兵.交通隧道工程[M].長沙:中南大學出版社,2005:137-142.

        [4]公路隧道設(shè)計細則(JTG/T D70-2010)[S].北京:人民交通出版社,2010:45-46.

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