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        淺埋偏壓小凈距隧道的力學(xué)特性及方案比選研究

        2013-02-09 09:05:58張學(xué)富袁理中蘇佳園
        重慶建筑 2013年1期
        關(guān)鍵詞:左洞偏壓拱頂

        張學(xué)富,袁理中,蘇佳園

        (重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院,重慶 400074)

        引言

        隨著我國(guó)公路建設(shè)的蓬勃發(fā)展,淺埋偏壓小凈距隧道越來(lái)越多地受到眾多學(xué)者的關(guān)注。隧道埋深淺且出現(xiàn)偏壓將使圍巖位移及力學(xué)性能發(fā)生顯著變化。隧道的修建過(guò)程將使圍巖多次被擾動(dòng)、圍巖應(yīng)力多次重分布,結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,施工中稍有不慎將出現(xiàn)塌方等嚴(yán)重事故[1],目前已建或在建公路隧道,在隧道圍巖變形與應(yīng)力分布、結(jié)構(gòu)受力等方面采用數(shù)值模擬、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等多種手段進(jìn)行了大量研究工作,取得了一定的成果[2-4],但涉及淺埋偏壓小凈距隧道的研究相對(duì)較少。本文通過(guò)四種不同開(kāi)挖方法對(duì)比分析,并結(jié)合重慶南山隧道出口端淺埋偏壓段工程實(shí)例中存在的偏壓?jiǎn)栴}進(jìn)行探討,分析隧道偏壓產(chǎn)生的影響指導(dǎo)施工,并為類似工程建設(shè)提供參考。

        1 工程概況

        南山隧道工程為重慶市江南大道中線重慶茶園新城區(qū)東西干道(一期)工程的重要組成部分,隧道西洞口位于南岸區(qū)上新街,東洞口位于瓦房子社,位于主線里程樁號(hào)K0+405-K3+230m處,分為左右兩線,各長(zhǎng)約2825m,隧道屬于城市公路長(zhǎng)隧道,為小凈距隧道。隧道凈寬10.8m,凈高6.8m,隧道軸線間距35.5m,設(shè)計(jì)行車速度60km/h;隧道沖溝淺埋偏壓段均為軟質(zhì)巖覆蓋,土層厚度一般0.5~1.8m,基巖面傾角5~10O左右,其圍巖類別為Ⅳ級(jí)。臺(tái)階法施工,開(kāi)挖方法采用工況二(見(jiàn)圖3)。

        2 隧道施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真數(shù)值模擬研究

        2.1 基本原理[1,5]

        隧道開(kāi)挖過(guò)程包括圍巖分步開(kāi)挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的分步設(shè)置等,用以模擬不同施工階段力學(xué)性態(tài)的有限元方程為:

        式中,M為施工階段總數(shù),[K0]為開(kāi)挖前巖體的初始總剛度矩陣;[△Ki]為施工過(guò)程中巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度的增量或減量,其值為挖去巖體單元及設(shè)置或拆除支護(hù)結(jié)構(gòu)單元的剛度;{△Fir}為由開(kāi)挖釋放產(chǎn)生的邊界增量結(jié)點(diǎn)力列陣,初次開(kāi)挖由巖體自重、地下水荷載、地面超載等確定,其后各開(kāi)挖步由當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)決定;{△Fia}為施工過(guò)程中增加的結(jié)點(diǎn)荷載列陣;{△δi}為任一施工階段產(chǎn)生的結(jié)點(diǎn)增量位移列陣。

        任一施工階段的位移{δi}、應(yīng)變{εi}和應(yīng)力{σi}為:

        式中,{σ0}為初始應(yīng)力,{△σj}為各施工階段的增量應(yīng)力。

        當(dāng)介質(zhì)材料假設(shè)為彈塑性體時(shí),上述計(jì)算可采用增量初應(yīng)力法,在施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真數(shù)值模擬分析中,我們是以不同的開(kāi)挖階段(同一開(kāi)挖階段也可以包括若干個(gè)施工亞階段)來(lái)進(jìn)行模擬的,分部卸載由開(kāi)挖面向前推進(jìn)而引起,計(jì)算時(shí)可依據(jù)經(jīng)驗(yàn)或由現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)位移分別在同一開(kāi)挖階段選取不同的地應(yīng)力釋放系數(shù),據(jù)此以反映不同施工階段的變化。

        2.2 模型的建立

        由ANSYS所建立的二維有限元分析基本模型如圖1所示。

        圖1 二維彈塑性有限元分析模型

        參考以往工程經(jīng)驗(yàn),對(duì)隧道左右兩側(cè)及下方巖體選用三倍洞徑作為有限元分析范圍,位移邊界條件采用兩側(cè)限制水平方向位移,頂部為自由邊界,底部施加豎向約束。利用ANSYS中單元的“生”和“死”模擬隧道的開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程,隧道的開(kāi)挖過(guò)程是通過(guò)殺死開(kāi)挖部分的單元實(shí)現(xiàn)的,即把死單元相關(guān)的剛度和荷載變?yōu)橐粯O小值[6];隧道的襯砌支護(hù)通過(guò)激活單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。土體采用Plane42實(shí)體單元和平面應(yīng)變模式,隧道襯砌采用Beam3單元,錨桿采用Link8單元,屈服準(zhǔn)則采用Drucker-Prager準(zhǔn)則,Ⅳ級(jí)圍巖、錨桿及襯砌支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 數(shù)值計(jì)算中材料物理力學(xué)參數(shù)

        隧道左洞埋深20m,右洞埋深12m,偏壓角從左至右依次約為46°、15°、8°,模型中有節(jié)點(diǎn)1315個(gè),單元1529個(gè)。 分四種開(kāi)挖方法進(jìn)行對(duì)比分析,如圖2-圖5。

        圖3 第二種開(kāi)挖方法(工況二)

        圖4 第三種開(kāi)挖方法(工況三)

        圖5 第四種開(kāi)挖方法(工況四)

        2.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

        計(jì)算分別模擬重力場(chǎng)和隧道開(kāi)挖施工過(guò)程。通過(guò)對(duì)重慶南山隧道出洞口沖溝淺埋偏壓段工程實(shí)例模擬計(jì)算,對(duì)比分析了隧道施工力學(xué)響應(yīng)行為,得到以下一些主要結(jié)論。

        2.3.1 圍巖位移特征

        位移能夠真實(shí)的反映施工變化,是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)和數(shù)值模擬計(jì)算中最直觀的參量指標(biāo)。本文主要對(duì)不同開(kāi)挖順序下隧道拱頂?shù)乇沓两?、洞?nèi)周邊收斂和拱頂下沉位置進(jìn)行位移分析。四種工況隧道拱頂?shù)乇沓两怠⒍磧?nèi)拱頂下沉和周邊收斂位移變化數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

        由此,我們不難發(fā)現(xiàn),原本是為了公平正義、為學(xué)生著想的輪流座位,其實(shí)是一種變相的“吃大鍋飯”的行為,是對(duì)部分家長(zhǎng)的應(yīng)付、迎合,甚至是討好。

        表2 模擬累積變化量與實(shí)測(cè)累積變化量對(duì)比(單位:mm)

        偏壓情況下隧道左洞(即深埋側(cè)隧道)的地表沉降量和洞內(nèi)拱頂下沉量均大于右洞,但右洞洞內(nèi)周邊收斂量大于左洞。開(kāi)挖順序的變化對(duì)隧道位移影響較明顯,若先開(kāi)挖右洞,工況二位移變化量最大,地表沉降量最終能達(dá)到20.02mm,洞內(nèi)拱頂下沉量最終達(dá)到31.54mm,同一開(kāi)挖方法左洞(即深埋側(cè)隧道)的地表沉降量和洞內(nèi)拱頂下沉量比右洞約大20%;若先開(kāi)挖左洞,工況四位移變化量最大,地表沉降量最終達(dá)到29.61mm,洞內(nèi)拱頂下沉量最終達(dá)到51.91mm,同一開(kāi)挖方法左洞(即深埋側(cè)隧道)的地表沉降量和洞內(nèi)拱頂下沉量比右洞約大70%。故知,偏壓小凈距隧道先開(kāi)挖深埋側(cè)隧道對(duì)洞內(nèi)周邊收斂比較有利;先開(kāi)挖淺埋側(cè)隧道對(duì)洞內(nèi)拱頂下沉和地表沉降比較有利。

        左、右洞開(kāi)挖順序不同,右洞地表沉降和洞內(nèi)拱頂下沉累積量總小于左洞,洞內(nèi)周邊收斂累積量則反之;左、右洞開(kāi)挖順序相同,同一位置位移累積量幾乎相等。

        由于深埋側(cè)隧道施工工程中受擾動(dòng)較大,故分析深埋側(cè)隧道地表沉降、洞內(nèi)拱頂下沉和周邊收斂量隨模擬開(kāi)挖荷載步變化如圖6-圖8。得知隧道對(duì)圍巖的擾動(dòng)主要發(fā)生在上臺(tái)階開(kāi)挖階段,隧道未開(kāi)挖之前,鄰近隧道開(kāi)挖對(duì)其圍巖擾動(dòng)較自身開(kāi)挖對(duì)圍巖擾動(dòng)小得多。

        圖6 地表沉降隨荷載步變化圖

        圖7 拱頂下沉隨荷載步變化圖

        圖8 周邊收斂隨荷載步變化圖

        2.3.2 隧道開(kāi)挖應(yīng)力特征

        通過(guò)對(duì)不同開(kāi)挖順序進(jìn)行數(shù)值模擬,當(dāng)采用工況四的施工工藝時(shí),隧道在整個(gè)施工過(guò)程中受力最佳,最大第一主應(yīng)力值為1.61MPa,最大第三主應(yīng)力值為-2.33MPa,均發(fā)生在隧道左洞下臺(tái)階左側(cè)拱腳初支懸空部位,且表現(xiàn)為應(yīng)力集中(見(jiàn)圖9-圖10)。

        圖10 第三主應(yīng)力

        因此,在施工過(guò)程中,必要時(shí)應(yīng)加強(qiáng)壓應(yīng)力集中區(qū)域圍巖抗壓強(qiáng)度(如對(duì)于拱腳部分,應(yīng)加強(qiáng)鎖腳錨桿及混凝土注漿加固等措施,以提高局部承載能力)。淺埋偏壓隧道開(kāi)挖過(guò)程中,隧道兩側(cè)圍巖壓力呈不對(duì)稱分布,深埋側(cè)受壓程度比淺埋側(cè)大。故在進(jìn)行隧道斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠抵抗偏壓作用引起的不均勻變形。

        由于工況四隧道在整個(gè)施工過(guò)程中受力最佳,因此在施工中應(yīng)采用工況四的施工工藝,現(xiàn)考慮在工況四下,通過(guò)分別取左洞錨桿長(zhǎng)度分別為3m、3.5m、4m、4.5m來(lái)考察錨桿的受力情況。

        (1)左洞上臺(tái)階初支和錨桿施作完后,進(jìn)行下臺(tái)階左側(cè)開(kāi)挖時(shí),上臺(tái)階左側(cè)拱腳局部錨桿軸力突變最大,當(dāng)左洞錨桿長(zhǎng)度為3.5m時(shí),左洞拱腳錨桿拉力突變最大達(dá)到576.8kN,且錨桿長(zhǎng)度越長(zhǎng)拉力越大,因此,施工進(jìn)行此工序時(shí)應(yīng)注意防止坍塌,及時(shí)施作下臺(tái)階左側(cè)初支。不同錨桿長(zhǎng)度左洞錨桿軸力分布如圖11。

        圖11 左洞錨桿軸力分布圖

        (2)左洞錨桿長(zhǎng)度為3m和3.5m時(shí),施作二襯后最終軸力未出現(xiàn)受拉情況,左洞錨桿長(zhǎng)度為4m和4.5m時(shí),施作二襯后最終軸力出現(xiàn)了受拉情況,且錨桿長(zhǎng)度越長(zhǎng)拉力越大。說(shuō)明前者二襯與初支共同受力抵抗圍巖壓力,后者相對(duì)較?。磺义^桿長(zhǎng)度越長(zhǎng)最終二襯受力越小,二襯安全儲(chǔ)備越高。

        (3)左洞錨桿長(zhǎng)度為4.5m時(shí),隧道施工過(guò)程中,左側(cè)拱腳初支懸空部位圍巖受力比較均勻,未出現(xiàn)受拉情況,右側(cè)拱腳部位出現(xiàn)應(yīng)力集中,集中拉力為3.28MPa,初支右拱腰位置第三主應(yīng)力最大達(dá)到-9.49MPa。由此可見(jiàn),當(dāng)左洞錨桿長(zhǎng)度由3m增至4.5m時(shí),圍巖最大拉力由左側(cè)拱腳初支懸空部位轉(zhuǎn)移到右側(cè)拱腳部位,最大壓力由左側(cè)拱腳初支懸空部位轉(zhuǎn)移到初支右拱腰部位,提高了左側(cè)拱腳初支懸空部位的施工安全性,但在施工工程中應(yīng)防止初支右拱腰部位出現(xiàn)噴射混凝土開(kāi)裂、剝離現(xiàn)象。

        3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析

        通過(guò)對(duì)南山隧道沖溝淺埋偏壓段ZK2+734斷面進(jìn)行一個(gè)月的觀測(cè),得到地表沉降、拱頂下沉和周邊收斂量測(cè)結(jié)果累積變化量如表2所示。

        由于開(kāi)挖是引起圍巖位移變化的主要因素,而監(jiān)測(cè)工作往往是滯后于開(kāi)挖工作的,開(kāi)挖初期釋放掉的部分位移未能在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)里反映出來(lái),導(dǎo)致模擬計(jì)算值相對(duì)偏大,但二者基本相符,反映了計(jì)算模型和參數(shù)選取的合理性。

        4 結(jié)論

        通過(guò)對(duì)二維有限元的彈塑性計(jì)算在偏壓情況下的小凈距隧道不同開(kāi)挖方法的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)特性對(duì)比分析,并與部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了其結(jié)果的可靠性,得出以下結(jié)論:

        (1)偏壓小凈距隧道先開(kāi)挖深埋側(cè)隧道對(duì)洞內(nèi)周邊收斂比較有利,最大累積量為30.81mm;先開(kāi)挖淺埋側(cè)隧道對(duì)洞內(nèi)拱頂下沉和地表沉降比較有利,最大累積量分別為-31.54mm和-20.02mm。故在偏壓小凈距隧道施工時(shí),應(yīng)根據(jù)不同環(huán)境選擇合理的開(kāi)挖方法。

        (2)采用工況一施工工藝時(shí),隧道圍巖位移累積量最佳,最大地表沉降累積量為-19.84mm、洞內(nèi)周邊收斂累積量為34.20mm、洞內(nèi)拱頂下沉累積量為-31.44mm。采用工況四施工工藝時(shí),隧道在整個(gè)施工過(guò)程中局部受力最佳,最大第一主應(yīng)力值為1.61MPa,最大第三主應(yīng)力值為-2.33MPa,應(yīng)力集中現(xiàn)象較小。

        (3)左洞上臺(tái)階初支和錨桿施作完后,進(jìn)行下臺(tái)階左側(cè)開(kāi)挖時(shí),上臺(tái)階左側(cè)拱腳局部錨桿軸力突變較大,最大可達(dá)576.8kN。因此,施工進(jìn)行此工序時(shí)應(yīng)注意防止坍塌,及時(shí)施作下臺(tái)階左側(cè)初支。

        (4)隨著左洞錨桿長(zhǎng)度的增加,初支受力逐漸增大,二襯受力逐漸減小,即錨桿長(zhǎng)度越長(zhǎng)最終二襯受力越小,二襯安全儲(chǔ)備越高;隧道施工過(guò)程中,左側(cè)拱腳初支懸空部位施工安全性得到提高。

        [1]孫鈞.地下工程設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,1996:121-133.

        [2]趙陽(yáng),王偉筆,楊昌能.偏壓淺埋連拱隧道施工過(guò)程的三維數(shù)值模擬[J].中南公路工程,2005,30(2):181-184.

        [3]申玉生,趙玉光.偏壓連拱隧道圍巖變形的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與分析研究[J].公路,2005(4):194-198.

        [4]王磊,傅鋼,汪振偉,等.關(guān)于淺埋偏壓隧道合理開(kāi)挖進(jìn)尺的討論[C].//第二屆全國(guó)巖土與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集,2006.

        [5]朱合華,丁文其.地下結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真模擬分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1999,18(5):558-562.

        [6]鄭余朝.深圳地鐵重疊隧道三維數(shù)值模擬分析[D].成都:西南交通大學(xué),2000.

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