張建國
(山東交通學(xué)院土木工程系,山東濟南 250357)
對于時速200 km客貨共線雙線大跨度隧道的開挖不僅取決于工程地質(zhì)條件及斷面跨度與形狀,而且在很大程度上受施工方法的影響。大跨度隧道一般采用分步開挖,開挖順序不同,圍巖應(yīng)力分布差別甚大[1],因此,不同的開挖順序使得圍巖的穩(wěn)定程度存在差異,這就是工程開挖的動態(tài)力學(xué)特性。目前對軟弱圍巖大跨度鐵路隧道較常用的分步施工方法有臺階法、中隔壁法(CD 法)、交叉中隔壁法(CRD 法)[2-3]及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。為了比較各工法的不同開挖效果及施工的安全性,有必要研究開挖過程的動態(tài)特性,以尋求各工況條件下經(jīng)濟有效的合理施工工法。
時速200 km客貨共線雙線大跨度隧道襯砌斷面見圖1。Ⅳ級和Ⅴ級圍巖在淺埋偏壓情況下的初期支護(hù)參數(shù)見表1。
本文采用了臺階法、CD法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法4種工法,其中臺階法為環(huán)形開挖預(yù)留核心土法,目的是為了在軟弱圍巖情況下提高開挖面的自穩(wěn)能力。各工法開挖工序見圖2。
圖1 隧道襯砌斷面示意(單位:cm)
為了比較不同施工方法的開挖效果,本文利用三維有限差分程序FLAC3D2.0建立9種有限元模型,并采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則分別對12種工況下的隧道動態(tài)開挖力學(xué)特性進(jìn)行了模擬。
表1 隧道初期支護(hù)參數(shù) cm
圖2 各工法開挖步驟示意
在有限元計算中,邊界約束條件對計算結(jié)果影響較大,考慮到開挖隧道影響范圍為洞跨的3~5倍[4-5],故模型范圍確定為:上部取至地表,左右各取50m,下部取至隧道仰拱以下45m,隧道長度取60m;隧道左右有水平約束,下部有垂直約束,前方和后方均有垂直其面的約束,地表為自由邊界。各工況下的埋深條件見表2。計算中,用8節(jié)點6面體實體單元模擬圍巖、初期支護(hù)及臨時支護(hù),每開挖步每次進(jìn)尺1 m。其中CD法計算模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。
表2 各工況下的埋深條件
圖3 有限元網(wǎng)格劃分示意
計算模型中,型鋼的作用采用等效剛度的方法將其折合成混凝土進(jìn)行計算;對系統(tǒng)錨桿、超前小導(dǎo)管注漿的效果,按經(jīng)驗采取提高其黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ值來加以仿真模擬[6-9],圍巖及支護(hù)材料的力學(xué)參數(shù)見表3。
表3 不同級別圍巖及其支護(hù)體系力學(xué)參數(shù)
按破損階段法檢算隧道初期支護(hù)截面強度時,根據(jù)結(jié)構(gòu)所受的不同荷載組合,在計算中應(yīng)分別選用不同的安全系數(shù)。當(dāng)按所采用的施工方法檢算施工階段強度時,根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[10],要求初期支護(hù)安全系數(shù)不低于表4所列的限值。臨時支護(hù)的安全系數(shù)不得小于1.0。
表4 混凝土初期支護(hù)不同荷載安全系數(shù)限值
對隧道初期支護(hù)周邊控制點位移按隧道初期支護(hù)極限相對位移和穩(wěn)定判別法,按照《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定,經(jīng)換算得初期支護(hù)極限位移判定標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。
表5 初期支護(hù)極限位移判定標(biāo)準(zhǔn)
12種工況的計算結(jié)果如表6所示。
表6 各工況計算結(jié)果
由表6可以看出:
1)Ⅳ級石質(zhì)圍巖淺埋
拆撐前,CD法施工的初支安全系數(shù)大于臺階法。臺階法初支最小安全系數(shù)為4.3,CD法為4.6,發(fā)生在先行施工的左導(dǎo)坑邊墻頂部。拆除臨時支護(hù)后CD法初支安全系數(shù)降為3.6,因此,拆臨時支撐安全系數(shù)降低較多,是關(guān)鍵工序。CD法施工時,圍巖位移小于臺階法。采用CD法施工淺埋Ⅳ級石質(zhì)圍巖,不管是從約束圍巖變形還是從支護(hù)受力,取得的效果均較臺階法好。
2)Ⅳ級石質(zhì)圍巖偏壓
先行施工的左導(dǎo)坑初支安全系數(shù)較右導(dǎo)坑小,最小安全系數(shù)為1.8,發(fā)生在邊墻頂部。由于地形偏壓的影響,使得位移并不對稱,拱頂最終位移為13 mm,而最大位移出現(xiàn)在右導(dǎo)坑的拱肩處,為18 mm。最終的位移反映了地形偏壓的影響。因此,采用CD法施工偏壓Ⅳ級石質(zhì)圍巖是可行的,支護(hù)安全系數(shù)能夠得到保證,圍巖變形也能得到有效約束。
3)Ⅳ級土質(zhì)圍巖淺埋
與Ⅳ級石質(zhì)圍巖淺埋的情況相似,無論是從約束圍巖變形還是從支護(hù)受力,采用CD法施工淺埋Ⅳ級土質(zhì)圍巖,取得的效果均較臺階法好。
4)Ⅳ級土質(zhì)圍巖偏壓
先行施工的左導(dǎo)坑初支安全系數(shù)較右導(dǎo)坑小,拆撐后最小安全系數(shù)為1.8,發(fā)生在邊墻頂部。拆除臨時支撐是關(guān)鍵工序,使得安全系數(shù)降低明顯。由于地形偏壓的影響,使得位移不對稱,最大位移出現(xiàn)在右導(dǎo)坑的拱肩處,為11 mm。所以,采取CRD法施工偏壓Ⅳ級土質(zhì)圍巖是可行的,支護(hù)安全系數(shù)能夠得到保證,圍巖變形也能得到有效約束。
5)Ⅴ級圍巖淺埋
從初期支護(hù)的安全性看,臺階法、CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在拆撐前的最小安全系數(shù)分別為1.9,2.1,2.2,2.3,相差并不大,但是發(fā)生在不同的結(jié)構(gòu)部位。從安全系數(shù)的分布情況看,CRD法施工的安全系數(shù)較CD法大,CD法施工的安全系數(shù)又較臺階法大;CRD法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相差不大,但是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分布更加均勻,因而效果稍好。從約束圍巖變形的效果來看,雙側(cè)壁導(dǎo)坑法>CRD法>CD法。
6)Ⅴ級圍巖偏壓
從初期支護(hù)的安全性看,CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在拆撐前的最小安全系數(shù)分別為2.3,1.8,均發(fā)生在邊墻頂部。從安全系數(shù)的分布情況看,CRD法施工的左導(dǎo)坑安全系數(shù)與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法接近,相差較小,而右導(dǎo)坑安全系數(shù)則明顯較雙側(cè)壁導(dǎo)坑法大,也就是說更安全。但是,雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分布更加均勻。從約束圍巖變形的效果來看,雙側(cè)壁導(dǎo)坑法>CRD法。
另外,在各種工況下,臨時支護(hù)的安全系數(shù)滿足規(guī)范要求,能夠保證施工的安全性。
通過以上分析,綜合對比了各圍巖條件下不同施工工法的初期支護(hù)安全系數(shù)與位移,最終推薦的各工況的合理施工工法見表7。
表7 各工況推薦施工工法
1)對于CD法和CRD法兩種施工工法,安全系數(shù)的最小值均發(fā)生在先行施工一側(cè),位置在邊墻頂部。
2)對于有臨時支護(hù)的施工工法,臨時支撐的拆除會使得安全系數(shù)明顯降低,是關(guān)鍵工序。
3)在各種工況下,臨時支護(hù)的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求,能夠保證施工的安全性。
4)偏壓工況下的最大位移均發(fā)生在拱肩處,反映出地形的影響。
5)通過對各圍巖條件下不同施工工法的初期支護(hù)安全系數(shù)與位移的對比分析,最終給出了各工況的合理施工工法:Ⅳ級石質(zhì)圍巖(包括淺埋及偏壓)及土質(zhì)圍巖淺埋情況可采用CD法施工,Ⅳ級土質(zhì)圍巖偏壓及Ⅴ級圍巖淺埋情況采用CRD法施工較好,而Ⅴ級圍巖偏壓情況建議采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。
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