孫志杰

(山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室 ,山西 太原 030006)

大斷面黃土隧道加寬過渡段變形特性三維數(shù)值分析

孫志杰

(山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室 ,山西 太原 030006)

針對三車道公路隧道加寬段空間跨度大，加寬過渡段設(shè)計難度大的難題。以某三車道黃土隧道為依托，采用三維有限元仿真的方法，對加寬過渡段的支護結(jié)構(gòu)和圍巖的變形規(guī)律進行了研究。研究結(jié)果表明：加寬過渡段處初支結(jié)構(gòu)的變形呈現(xiàn)不對稱性。距過渡段10 m范圍以外加寬段圍巖變形趨于對稱。加寬段施工對正常段的圍巖變形影響較小，對加寬段圍巖的影響范圍約為10 m。故在三車道公路隧道的加寬段施工過程中，除加強支護外，距離過渡斷面的前10 m加寬段施工應(yīng)提高監(jiān)控量測頻率。

大斷面；黃土隧道；加寬段；變形；三維數(shù)值

0 引言

在黃土隧道中，由于土體強度低，施工中往往會發(fā)生側(cè)墻變形、拱頂下沉等現(xiàn)象，如果施工工序不當(dāng)，還會導(dǎo)致既有襯砌的開裂。而對于長大隧道，每隔一定距離會增設(shè)加寬車道，車道的加寬直接導(dǎo)致隧道跨度的加大和開挖面積的增加。而三車道公路隧道，其空間跨度更大，加寬段設(shè)計難度更大，施工風(fēng)險更高。對于加寬段處的設(shè)計，由于受力關(guān)系復(fù)雜，分析比較繁瑣，國內(nèi)的設(shè)計主要是以工程類比為主。

霍潤科[1]針對兩車道黃土隧道加寬段初期結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)的裂縫，通過數(shù)值分析和監(jiān)控量測的手段對裂縫出現(xiàn)的原因進行了分析。閆振東[2]對天恒山隧道Ⅵ級圍巖加寬帶施工進行了仿真模擬，分析了加寬段的開挖變形行為和襯砌應(yīng)力、圍巖位移和應(yīng)力特征等。除此之外，目前對隧道洞室內(nèi)交叉段研究較多，采用數(shù)值分析[3-7]，現(xiàn)場試驗[3,6,8-9]等方法對交叉口段的受力、變形、穩(wěn)定性進行了有益探索。

可見，針對隧道加寬段開展的研究的較少，對大斷面黃土隧道加寬段的研究更少。為此，以某高速公路中三車道黃土隧道加寬過渡段為研究對象，重點對加寬段處初支結(jié)構(gòu)和圍巖的變形規(guī)律進行分析。

1 工程概況

依托工程平陽高速公路陽曲1#隧道，該隧道屬于黃土三車道單洞隧道，隧道主要布置在黃土梁、峁邊緣，沿線以風(fēng)積地層為主，隧道圍巖以第四系中更新統(tǒng)離石組、上更新統(tǒng)馬蘭組黃土為主。沿線黃土“V”字形沖溝發(fā)育,垂直節(jié)理發(fā)育。沿線不良地質(zhì)現(xiàn)象主要有濕陷性黃土、黃土陷穴、坡面表層溜坍及溝岸坍塌。

隧道加寬段超前支護采用Φ42超前小導(dǎo)管注漿支護，環(huán)向間距40 cm，長度5.2 m。初期支護采用I22b型鋼拱架，縱向間距50 cm，縱向Φ22連接鋼筋環(huán)向間距1 m。Φ25早強砂漿錨桿每根長4.5 m，50 cm×80 cm梅花形布置。掛Φ8雙層鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm。噴C25早強混凝土31 cm，在分段型鋼拱架拱腳設(shè)置4.5 m/根的鎖腳錨桿，每榀施作12根。

隧道加寬段開挖方式采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，先進行超前支護，開挖左側(cè)導(dǎo)洞，支護左側(cè)導(dǎo)洞。開挖右側(cè)導(dǎo)洞，支護右側(cè)導(dǎo)洞。開挖上半斷面，支護上半斷面。開挖下半斷面，支護下半斷面。拆除側(cè)隔壁墻。施工時左右導(dǎo)洞距離控制在3～5 m，右導(dǎo)洞和上半斷面距離控制在3～5 m，上下半斷面距離控制在3～5 m。

2 數(shù)值模擬

圖1 監(jiān)測斷面布置圖

為分析加寬段支護結(jié)構(gòu)的受力和變形特性，采用有限元軟件進行三維動態(tài)模擬。為研究加寬段開挖對主洞初支結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，分別在正常段和加寬段分界面、在距分界面2 m、6 m、10 m處正常段和加寬段兩側(cè)設(shè)置監(jiān)測斷面，對初支結(jié)構(gòu)的拱頂下沉和拱腳收斂進行施工過程監(jiān)測。監(jiān)測斷面布置如圖1所示。

2.1 模型的建立

模型尺寸：主洞左右邊界距離為大于3倍開挖寬度，主洞下邊界為大于3倍開挖高度，上表面取至地表。主洞開挖長度選為60 m。Y軸正向為開挖方向。Y=0～30 m為正常段，Y=30～60 m為加寬段。

施工過程采用先開挖正常段，正常段支護施作完畢后加寬段開挖一個施工步，支護正常段和加寬段分界面，再進行加寬段的開挖和支護。模型采用“激活”、“鈍化”相應(yīng)單元來模擬圍巖的開挖和支護結(jié)構(gòu)的施加。正常段和加寬段過渡段局部模型如圖2所示。

圖2 正常段和加寬段過渡段局部模型

2.2 模型計算參數(shù)

計算模型圍巖采用實體單元，主洞和橫洞的初期支護噴射混凝土采用板單元，錨桿采用植入式桁架單元，巖體本構(gòu)模型為莫爾-庫侖模型。材料的計算參數(shù)見表1。其中圍巖的計算參數(shù)通過現(xiàn)場所取的原狀土三軸試驗獲得，支護結(jié)構(gòu)的計算參數(shù)參照山西交科公路勘察設(shè)計院陽曲隧道施工圖。

表1 模型材料計算參數(shù)

3 結(jié)果及分析

為分析橫洞施工對主洞結(jié)構(gòu)的影響，選取距離交叉點不同距離的斷面，對各斷面關(guān)鍵節(jié)點的位移進行施工過程監(jiān)測。

3.1 支護結(jié)構(gòu)變形分析

圖3為加寬段支護2 m時，Y=28～30 m正常段處和Y=30～32 m加寬段處支護結(jié)構(gòu)的變形圖。圖中數(shù)值為豎直方向的位移極值。

從圖3中可看出與正常段處初支結(jié)構(gòu)的變形相比，加寬段處初支結(jié)構(gòu)的變形呈現(xiàn)明顯的不對稱性。具體為未加寬一側(cè)的變形大于加寬一側(cè)的變形。且仰拱范圍的不對稱性大于拱部范圍。正常段拱頂下沉值為12.7 mm。加寬段拱部下沉最大值位于拱頂左側(cè)，這是由于在加寬段和正常段交界面大部分位于隧道中線右側(cè)(見圖2)，導(dǎo)致初支結(jié)構(gòu)左側(cè)的變形大于右側(cè)。加寬段拱部下沉最大值為11.6 mm。加寬段面拱部下沉極值較正常段面小是由于加寬斷面距掌子面較正常斷面近，圍巖釋放較正常斷面小。

圖3 支護結(jié)構(gòu)的變形圖

3.2 圍巖變形分析

分別對過渡斷面(Y=30 m)和距過渡斷面不同距離斷面的拱頂下沉和拱腳收斂進行施工過程監(jiān)測(見圖1)。圖4中JK代表過渡斷面，ZC1、ZC2、ZC3分別距過渡斷面2 m、6 m、10 m的正常斷面，JK1、JK2、JK3分別距過渡斷面2 m、6 m、10 m的加寬斷面。施工步17為加寬斷面第一個開挖步。

圖4 不同監(jiān)測斷面支護結(jié)構(gòu)拱頂下沉隨施工步的變化曲線

從圖4(a)中可以看出，距過渡斷面JK不同距離的三個正常斷面ZC1、ZC2、ZC3的最終拱頂下沉值和過渡斷面幾乎相同，約為17 mm。且三條曲線的變化規(guī)律和JK曲線相似。在加寬斷面第一個開挖步時，ZC3斷面拱頂下沉完成了總下沉量的87%，ZC2為78%，ZC1為64%，JK為51%。這是由于隨著掌子面的推進，圍巖應(yīng)力逐步釋放。從圖4(b)中可以看出，距過渡斷面JK不同距離的三個加寬斷面JK1、JK2、JK3的最終拱頂下沉值都比過渡斷面JK處大，并且隨著距過渡斷面的距離的增加而增加，具體為JK1為18.5 mm，JK2為19.6 mm，JK3為20.2 mm，但增加幅度逐漸減小。當(dāng)加寬段距過渡斷面10 m時，拱頂下沉值幾乎不再隨距離的增加而增加。

圖5 不同監(jiān)測斷面支護結(jié)構(gòu)拱腳收斂隨施工步的變化曲線

從圖5(a)中可以看出，距過渡斷面JK不同距離的三個正常斷面ZC1、ZC2、ZC3的最終拱腳收斂值幾乎相同，約為16 mm。較過渡斷面稍大。這是由于過渡段面施作的初期支護抑制了圍巖的水平收斂。三條曲線的變化規(guī)律和JK曲線相似。在加寬斷面第一個開挖步時，ZC3斷面水平收斂完成了總收斂量的85%，ZC2為69%，ZC1為43%，JK為27%。對比圖4(a)和圖5(a)，可以看出，與水平收斂相比，圍巖的水平收斂速率稍小于圍巖拱頂?shù)南鲁了俾省膱D5(b)中可以看出，JK1斷面最終拱腳收斂值和JK斷面相同，約為15 mm。JK2、JK3的最終拱頂下沉值都比過渡斷面JK處大，隨著距離增加而增加，具體為JK2為17.3 mm，JK3為17.8 mm。當(dāng)加寬段距過渡斷面10 m時，水平收斂值幾乎不再隨距離的增加而增加。

表2為加寬段不同斷面處左、右拱腳的水平變形值。

表2 加寬段不同斷面處左、右拱腳的水平變形值 mm

結(jié)合表2和圖3，可看出，圍巖結(jié)構(gòu)的不對稱變形趨勢隨斷面距離過渡斷面距離的增大而逐步減小，當(dāng)距離達到10 m時，變形基本恢復(fù)對稱趨勢。

圖6 加寬段圍巖沿隧道縱向的變形曲線

從圖6(a)中可看出，距過渡斷面1 m處，拱頂下沉值從16.9 mm增加至19.1 mm，增加了2.2 mm。距過渡斷面5 m處，拱頂下沉值從19.5 mm增加至20.6 mm，增加了1.1 mm。距過渡斷面10 m處，拱頂下沉值從21.5 mm減小至20.9 mm，減小了0.6 mm。距過渡斷面大于10 m拱頂下沉的變化量均小于0.8 mm，拱頂豎向變形趨于穩(wěn)定。變形曲線服從對數(shù)分布，相關(guān)性較好。

從圖6(b)中可看出，距過渡斷面1 m處，拱腳收斂值從15.5 mm減小至12.7 mm，減小了2.8 mm。距過渡斷面5 m處，拱腳收斂值從16.7 mm減小至15.1 mm，減小了1.6 mm。距過渡斷面10 m處，拱腳收斂值從18.6 mm減小至17.2 mm，減小了1.4 mm。距過渡斷面大于10 m拱頂下沉的變化量均小于1.5 mm，拱腳水平變形趨于穩(wěn)定。變形曲線服從對數(shù)分布，相關(guān)系數(shù)0.6。

4 結(jié)論

通過三車道黃土隧道的有限元模型的施工過程模擬，綜合分析了加寬段施工對正常段和加寬段的支護結(jié)構(gòu)和圍巖變形產(chǎn)生的影響，得出以下結(jié)論：

(1)加寬過渡段處初支結(jié)構(gòu)的變形呈現(xiàn)明顯的不對稱性。具體為未加寬一側(cè)的變形大于加寬一側(cè)的變形。且仰拱范圍的不對稱性大于拱部范圍。距過渡段10 m范圍以外加寬段圍巖變形趨于對稱。

(2)加寬段施工對正常段的圍巖變形影響較小，對加寬段圍巖的影響范圍約為10 m。故在三車道公路隧道的加寬段施工過程中，除加強支護外，距離過渡斷面的前10 m加寬段施工應(yīng)提高監(jiān)控量測頻率。

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(責(zé)任編輯 車軒玉)

Three-dimensional Numerical Analysis of Widened Location’sDeformation Properties of Large Section Loess Tunnel

Sun Zhijie

(Key Lab of Highway Construction & Maintenance Technology in Loess Region,Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan 030006，China)

For the problem of three-lane highway tunnel widened location’s large span and difficulty in its design，a three-lane loess highway tunnel is taken as an example. The 3D finite element simulation is adopted to study the deformation regularity of surrounding rock around the widened location．The research results are as follow： The deformation of surrounding rock around the widened location is unsymmetrical. The deformation of surrounding rock beyond 10 m from the widened boundary tends to be symmetrical. The influence of widened location construction on the surrounding rock deformation of regular location is small. The range of influence on the widened location is about 10 m. Besides enforcing the supporting structure, the monitoring frequency of surrounding rock deformation should be increased for the widened location construction within 10 m of the widened section in the construction of three-lane highway tunnel.

large section;loess tunnel;widened location;deformation;three-dimensional numerical

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2014.03.04

2013-04-02

孫志杰 男 1983年出生 工程師

U451

A

2095-0373(2014)03-0018-05