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        淺埋、偏壓條件下某超大跨隧道受力分析研究

        2015-03-05 06:39:42錢文斐
        城市道橋與防洪 2015年10期
        關(guān)鍵詞:中導(dǎo)洞下臺(tái)階導(dǎo)洞

        錢文斐

        (上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092)

        0 引言

        淺埋、偏壓條件下超大跨隧道與通常情況下的隧道在設(shè)計(jì)、施工等方面存在一定的差異,筆者在某項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中遇到了這樣的問(wèn)題。為此,本文擬以某隧道為例,通過(guò)模擬其施工工程,提出了在設(shè)計(jì)、施工方面的要點(diǎn),在為本工程提供相關(guān)技術(shù)支持的同時(shí),希望為類似工程提供借鑒意義。

        1 工程概況

        1.1 工程地質(zhì)概況

        某隧道為西南地區(qū)某城市的控制性工程之一,隧址區(qū)環(huán)境地形總體呈北高南低,隧道從地勢(shì)較高的山嶺穿過(guò)。山體上植被總體發(fā)育良好。隧道主要通過(guò)的地層有第四系(Q)、安順組二段(Ta2)、安順組三段(Ta3)、大冶組(Td)等。不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為巖溶。區(qū)域內(nèi)地下水類型分為碳酸鹽巖巖溶水、基巖裂隙水和第四系松散含水層孔隙水。

        1.2 隧道淺埋、偏壓情況

        隧道左線長(zhǎng)500 m,右線長(zhǎng)380 m,由于左、右線的進(jìn)、出口不在同一個(gè)斷面上,而存在錯(cuò)幅,因此右線路基段的開挖將導(dǎo)致左線隧道一側(cè)出現(xiàn)臨空面,從而形成了偏壓(見圖1、圖2)。隧道中心線處隧道洞頂面覆土厚度在20~50 m范圍,地面橫坡約為1∶1.7。

        1.3 隧道內(nèi)輪廓

        圖1 隧道平面圖

        圖2 隧道淺埋偏壓段橫斷面

        本項(xiàng)目中隧道開挖內(nèi)輪廓(見圖3)跨度達(dá)19.378 m,考慮到初期支護(hù)、二次襯砌、預(yù)留變形量的尺寸,實(shí)際開挖尺寸將接近22 m,在我國(guó)新奧法施工隧道工程界,處于領(lǐng)先地位。

        圖3 隧道內(nèi)輪廓圖(單位:mm)

        1.4 偏壓段概念性設(shè)計(jì)

        深埋側(cè)隧道由于右側(cè)路基段開挖后形成了臨空面,因此處于偏壓狀態(tài),在巖土作用下存在向右擠出的趨勢(shì),為此在路基靠近隧道側(cè)設(shè)置了抗滑樁,以平衡深埋側(cè)隧道的所受的不平衡力。

        2 模擬建模

        新奧法隧道施工過(guò)程中,初期支護(hù)主要起充分利用圍巖自穩(wěn)能力及承受圍巖壓力的作用,施工中初期支護(hù)結(jié)構(gòu)體系在不斷變化,因此其安全性直接影響隧道施工過(guò)程的安全性,鑒于本論文研究的目的,因此本次模擬僅模擬初期支護(hù)中的噴射混凝土(鋼支撐作用已綜合考慮)作用,鋼筋網(wǎng)、錨桿則作為安全儲(chǔ)備。圍巖本構(gòu)模型采用摩爾—庫(kù)倫模型(見表1),初期支護(hù)采用彈性模型(見表2)。

        表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

        表2 初期支護(hù)力學(xué)參數(shù)表

        對(duì)于大斷面隧道的施工工法,比較成熟的主要有CD、CRD、雙側(cè)壁導(dǎo)坑等,鑒于本隧道超大斷面,且存在淺埋、偏壓等不利因素,故采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工。施工工序見圖4。

        圖4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序圖(先淺側(cè)后深側(cè))

        先淺側(cè)后深側(cè)施工工序?yàn)椋海?)淺側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階開挖;(2)淺側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階初期支護(hù)(包含臨時(shí)支護(hù));(3)淺側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階開挖;(4)淺側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階初期支護(hù)(包含臨時(shí)支護(hù));(5)深側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階開挖;(6)深側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階初期支護(hù)(包含臨時(shí)支護(hù));(7)深側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階開挖;(8)深側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階初期支護(hù)(包含臨時(shí)支護(hù));(9)中導(dǎo)坑上臺(tái)階開挖;(10)中導(dǎo)坑上臺(tái)階初期支護(hù);(11)中導(dǎo)坑下臺(tái)階開挖;(12)中導(dǎo)坑下臺(tái)階初期支護(hù);(13)臨時(shí)支護(hù)拆除。

        對(duì)于先深側(cè)后淺側(cè)施工工序?yàn)樯盥駛?cè)導(dǎo)洞→淺埋側(cè)導(dǎo)洞→中導(dǎo)洞,即只需將淺側(cè)導(dǎo)坑、深側(cè)導(dǎo)坑的工序進(jìn)行互換,故不再贅述。

        3 分析研究結(jié)果[1-5]

        3.1 合理工序的選擇

        本文對(duì)先淺后深、先深后淺兩種不同工序進(jìn)行了模擬計(jì)算,鑒于初期支護(hù)的受力性能是能否保證施工過(guò)程安全的主要因素,因此從主洞初期支護(hù)的結(jié)構(gòu)受力性能方面進(jìn)行比較,以確定相對(duì)合理的施工順序。初期支護(hù)各點(diǎn)應(yīng)力(拉正壓負(fù))橫斷面布置見圖5,不同施工順序各點(diǎn)應(yīng)力對(duì)比情況見圖6。

        圖5 初期支護(hù)各點(diǎn)橫斷面布置圖

        圖6 不同施工順序各點(diǎn)最不利應(yīng)力對(duì)比情況表

        考慮到初期支護(hù)處于抗壓受力狀態(tài)優(yōu)于抗拉受力狀態(tài),由圖6可以看出以下規(guī)律:(1)先深后淺施工工序工況下,3點(diǎn)處初期支護(hù)應(yīng)力值較之不利(拉應(yīng)力值達(dá)到8.7 MPa,較之增大約73%),而在先淺后深施工工序工況下,11點(diǎn)處初期支護(hù)較之不利(拉應(yīng)力值達(dá)到2.5 MPa,較之增大約173%);(2)1、10 點(diǎn)處初期支護(hù)應(yīng)力存在一定差距,但考慮初期支護(hù)的抗壓能力強(qiáng),因此不會(huì)影響其結(jié)構(gòu)安全性;(3)其余各點(diǎn)處則相差不大。

        綜上,從有利于初期支護(hù)受力狀態(tài)的因素出發(fā),采用先淺后深工序相對(duì)有利,故后續(xù)分析結(jié)果均是在先淺后深的工序下,不再贅述。

        3.2 永久初期支護(hù)內(nèi)力分析

        由圖6可以看出:

        (1)3、5、11、16 點(diǎn)初期支護(hù)處于較大的受拉應(yīng)力狀態(tài),因此施工中需加強(qiáng)對(duì)以上各點(diǎn)的觀測(cè),避免出現(xiàn)拉裂性破壞。

        (2)與無(wú)偏壓情況的隧道相比,拱頂中心1點(diǎn)、仰拱中心9點(diǎn)的初期支護(hù)最不利應(yīng)力值較小,而深埋側(cè)拱腰3點(diǎn)、淺埋側(cè)仰拱16點(diǎn)的初期支護(hù)最不利應(yīng)力值較大,因此成為結(jié)構(gòu)受力的薄弱點(diǎn)。經(jīng)分析,這是因?yàn)橛捎谄珘旱拇嬖?,圍巖的最大主應(yīng)力方向出現(xiàn)了偏轉(zhuǎn)的原因。

        3.3 臨時(shí)支護(hù)內(nèi)力分析

        臨時(shí)支護(hù)在施工過(guò)程中同樣決定著施工過(guò)程的安全,因此需對(duì)其在施工過(guò)程中的受力性狀進(jìn)行分析。

        由圖7可以看出:淺埋側(cè)導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)的11點(diǎn)始終處于較不利的受拉狀態(tài);16點(diǎn)在施工步2~9(淺埋側(cè)導(dǎo)洞開挖支護(hù)、深埋側(cè)導(dǎo)洞開挖支護(hù)、中導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖)處于較有利的受壓狀態(tài),在施工步10~12(中導(dǎo)洞上臺(tái)階支護(hù)、中導(dǎo)洞下臺(tái)階開挖支護(hù))處于較不利的受拉狀態(tài);18點(diǎn)在施工步2~3(淺埋側(cè)上臺(tái)階開挖支護(hù)、下臺(tái)階開挖)處于較有利的受壓狀態(tài),在施工步4~12(淺埋側(cè)下臺(tái)階支護(hù)、深埋側(cè)導(dǎo)洞開挖支護(hù)、中導(dǎo)洞開挖支護(hù))處于較不利的受拉狀態(tài)。

        圖7 淺埋側(cè)導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)最不利應(yīng)力變化圖

        由圖8可以看出:深埋側(cè)導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)的8點(diǎn)始終處于較不利受拉狀態(tài);3、17點(diǎn)在施工步6~9(深埋側(cè)導(dǎo)洞開挖、支護(hù)階段及中導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖)處于較有利受壓狀態(tài),在施工步10~12(中導(dǎo)洞上臺(tái)階支護(hù)、下臺(tái)階開挖支護(hù))處于較不利受拉狀態(tài)。

        通過(guò)圖7、圖8可以得出以下結(jié)論:

        (1)中導(dǎo)洞上臺(tái)階支護(hù)、下臺(tái)階開挖支護(hù)階段,深、淺埋側(cè)導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)均處于較不利的受拉狀態(tài),應(yīng)加強(qiáng)此段施工過(guò)程對(duì)臨時(shí)支護(hù)的監(jiān)測(cè)工作。

        圖8 深埋側(cè)導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)最不利應(yīng)力變化圖

        (2)深埋側(cè)臨時(shí)支護(hù)下端與主洞支護(hù)交接處(8點(diǎn))、淺埋側(cè)臨時(shí)支護(hù)上端與主洞支護(hù)交接處(11點(diǎn))始終處于較不利的受拉狀態(tài),應(yīng)加強(qiáng)上述兩交接處的施工質(zhì)量,避免出現(xiàn)受拉破壞。

        (3)深埋側(cè)臨時(shí)支護(hù)的最不利應(yīng)力值大于淺埋側(cè)臨時(shí)支護(hù)(較之大約80%),因此設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)深埋側(cè)臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì),避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞,影響施工安全。

        3.4 主洞拱頂位移

        主洞拱頂位移是一直隧道施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)的“重中之重”,因此其重要性不言而喻。

        由圖9可以看出,在施工步9~10(即中導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖支護(hù))階段,形成了明顯的“跳臺(tái)”臨界點(diǎn)(水平位移值增大了114%,豎向位移值增大了1445%):(1)在施工步 1~9(即兩側(cè)導(dǎo)洞開挖、支護(hù))階段,位移值相對(duì)較??;而在施工步10~13(即中導(dǎo)洞開挖、支護(hù)、拆除臨時(shí)支護(hù)階段)位置值相對(duì)較大;但兩段變化值均不大。(2)在施工步1~9階段,水平位移值大于豎向位移值;在施工步10~13階段,豎向位移值大于水平位移值。

        圖9 主洞拱頂豎向、水平向位移值

        由此得出以下結(jié)論:

        (1)中導(dǎo)洞上臺(tái)開挖支護(hù)階段是施工過(guò)程中的“核心”階段,應(yīng)特別加強(qiáng)對(duì)拱頂位移值的監(jiān)測(cè)。

        (2)通常對(duì)于拱頂位移值的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)僅為豎向位移,但對(duì)于大跨度、淺埋、偏壓情況必須增加其水平位移的監(jiān)測(cè)。

        3.5 導(dǎo)洞拱腳水平位移收斂

        考慮到本隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工,施工中需對(duì)導(dǎo)洞的拱腳水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

        由圖10可以看出,對(duì)于深埋側(cè)導(dǎo)洞,施工步1~8時(shí),拱腳處水平位移收斂值變化不大,施工步9~12時(shí),拱腳處水平位移收斂值出現(xiàn)階梯式增長(zhǎng)(施工步10相對(duì)于施工步9增長(zhǎng)了95%,施工步12相對(duì)于施工步11增長(zhǎng)了65%);對(duì)于淺埋側(cè)導(dǎo)洞,施工步4、12時(shí),拱腳處水平位移收斂值增長(zhǎng)幅度大,相對(duì)于前一個(gè)施工步分布增大了230%、300%。

        圖10 深、淺埋側(cè)導(dǎo)洞拱腳處水平位移收斂值

        由此得出以下結(jié)論:

        (1)中導(dǎo)洞的開挖、支護(hù)施工過(guò)程對(duì)深埋側(cè)導(dǎo)洞的影響很大,需要加強(qiáng)此施工期間的監(jiān)控量測(cè)工作。

        (2)深埋側(cè)導(dǎo)洞、中導(dǎo)洞的開挖支護(hù)施工過(guò)程對(duì)淺埋側(cè)導(dǎo)洞的影響較大,需要加強(qiáng)此施工期間的監(jiān)控量測(cè)工作。

        (3)中導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖支護(hù)做為臨界點(diǎn),在臨界點(diǎn)之前,淺埋側(cè)導(dǎo)洞拱腳處水平位移值相對(duì)較大,而臨界點(diǎn)之后,深埋側(cè)導(dǎo)洞拱腳處水平位移值相對(duì)較大。但二者最終水平位移收斂值基本一致。

        3.6 圍巖最大主應(yīng)力

        圖11為圍巖最在主應(yīng)力云紋圖。

        圖11 圍巖最大主應(yīng)力云紋圖

        由圖11可以看出:

        (1)相對(duì)于無(wú)偏壓隧道而言,圍巖最大主應(yīng)力方向由豎直方向向深埋側(cè)發(fā)生了偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)角度約45°,因此對(duì)于超前支護(hù)設(shè)置范圍而言,以往按照隧道中心線兩側(cè)一定范圍內(nèi)對(duì)稱設(shè)置將不盡合理,而應(yīng)隨最大主應(yīng)力方向一起向深埋側(cè)偏轉(zhuǎn)45°。

        (2)由于圍巖最大主應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn),整個(gè)隧道的受力體系模式同樣發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。

        (3)由于圍巖最大主應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn),隧道淺埋側(cè)隅角位置圍巖最大主應(yīng)力值減小,而相應(yīng)深埋側(cè)圍巖最大主應(yīng)力值增大,因此設(shè)計(jì)中對(duì)圍巖的加固范圍應(yīng)重點(diǎn)考慮在隧道深埋側(cè)隅角,而無(wú)需對(duì)淺埋側(cè)進(jìn)行不必要的加固。

        4 結(jié)論

        通過(guò)對(duì)以上的分析,可以得出以下有意義的結(jié)論:

        (1)淺埋、偏壓條件下某超大跨隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí),應(yīng)優(yōu)先采用先開挖淺埋側(cè)導(dǎo)坑的施工工序。

        (2)中導(dǎo)洞的開挖支護(hù)階段是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過(guò)程中的核心階段,此階段應(yīng)加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)的內(nèi)力、拱頂位移、臨時(shí)支護(hù)水平位移收斂的監(jiān)控工作。

        (3)對(duì)于偏壓狀態(tài)下的隧道,對(duì)于隧道拱頂?shù)奈灰票O(jiān)測(cè),除了進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)外,尚應(yīng)增加水平向位移監(jiān)測(cè)工作。

        (4)深埋側(cè)導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)相對(duì)于淺埋側(cè)而言,其受力性能更為不利,因此應(yīng)加強(qiáng)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),保證相應(yīng)的強(qiáng)度、剛度性能;從監(jiān)控量測(cè)的角度出發(fā),對(duì)其監(jiān)測(cè)的頻率要大于淺埋側(cè)。

        (5)相對(duì)于無(wú)偏壓情況,隧道處于偏壓狀態(tài)時(shí)將會(huì)導(dǎo)致圍巖最大主應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn),從而整個(gè)隧道的受力體系模式同樣發(fā)生了偏轉(zhuǎn),因此應(yīng)按照偏轉(zhuǎn)后的受力模式有針對(duì)性的進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工,切勿盲目照搬既有的設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)。

        5 結(jié)語(yǔ)

        本隧道目前正在施工中,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的數(shù)據(jù)反映,施工過(guò)程安全可靠。筆者將繼續(xù)關(guān)注本工程的進(jìn)展,希望從現(xiàn)場(chǎng)施工的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中得出更為有意義的結(jié)論、經(jīng)驗(yàn),與各位同行分享。

        [1]JTG D70-2004,公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

        [2]JTG/T D70-2010,公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

        [3]宮成兵,張武祥,楊彥民.大斷面單洞四車道公路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工方案探討[J].公路,2004(6):177-182.

        [4]萬(wàn)明富,郝哲,劉劍平,等.超大跨公路隧道開挖與支護(hù)穩(wěn)定性分析[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,26(1):71-73.

        [5]付大喜.單洞四車道隧道設(shè)計(jì)淺談[J].湖南交通科技,2012,38(1):124-126.

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