王志杰,許瑞寧,袁 曄,段明明,張文龍
(西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031)
高地應(yīng)力條件下隧道施工方法研究
王志杰,許瑞寧,袁 曄,段明明,張文龍
(西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031)
為探討高地應(yīng)力條件下不同開挖工法引起的洞周變形及支護(hù)力學(xué)特性,以大梁隧道為依托,采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)相結(jié)合的方法,研究了隧道在三臺(tái)階法、三臺(tái)階七步開挖法和三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法3種不同工法下洞周變形及襯砌結(jié)構(gòu)受力情況。研究結(jié)果表明:在高地應(yīng)力條件下,可以根據(jù)掌子面巖性,靈活轉(zhuǎn)換三臺(tái)階法、三臺(tái)階七步開挖法和三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法3種工法,這樣既能控制圍巖變形,保證隧道安全,又能加快施工進(jìn)度,降低造價(jià)。
隧道 高地應(yīng)力 施工方法 數(shù)值模擬
隨著我國西部大開發(fā)政策的進(jìn)一步落實(shí)以及公路、鐵路等交通路網(wǎng)的完善,隧道工程延伸至高地應(yīng)力且地質(zhì)環(huán)境惡劣的地區(qū)已不可避免[1-7]。由于地下結(jié)構(gòu)自身的特殊性,使得目前沒有任何一種理論可以完全應(yīng)對(duì)高地應(yīng)力復(fù)雜多變的情況。為了探明高地應(yīng)力條件下不同開挖工法引起的洞周變形以及支護(hù)的力學(xué)特性,本文以大梁隧道施工為依托,采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)相結(jié)合的方法,就高地應(yīng)力條件下的開挖方法展開研究。
大梁隧道位于青海省門源回族自治縣,地處祁連山,平均海拔3 600~4 200 m,最高海拔為4 430 m。隧道某深埋段,平均埋深為465 m,現(xiàn)場(chǎng)開挖揭示地層巖性為炭質(zhì)板巖,局部夾砂巖,呈灰黑色及青灰色。受構(gòu)造影響強(qiáng)烈,節(jié)理很發(fā)育,巖體破碎,結(jié)構(gòu)面結(jié)合力差,巖層可見撓曲現(xiàn)象,巖質(zhì)較軟,巖體整體穩(wěn)定性差,為Ⅴ級(jí)圍巖。試驗(yàn)段范圍內(nèi),最大水平主應(yīng)力值為12.96 MPa,炭質(zhì)板巖飽和強(qiáng)度為21.08 MPa,圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比 Rc/σmax=1.63,屬于極高地應(yīng)力狀態(tài)。本文分別對(duì)三臺(tái)階法、三臺(tái)階七步開挖法以及三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù),通過對(duì)比分析,選擇更為安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理的施工方法。
采用有限差分軟件FLAC3D建立三維地層結(jié)構(gòu)計(jì)算模型[8-10],為了便于對(duì)比分析,在模擬隧道開挖工法時(shí),3種方法的計(jì)算模型均采用相同的圍巖參數(shù)及邊界條件,僅施工工藝與施工步驟不同。
2.1 模型尺寸及邊界條件
根據(jù)彈性力學(xué)中接觸應(yīng)力理論和應(yīng)力集中現(xiàn)象,隧道開挖對(duì)大于隧道直徑3倍距離外的巖體影響不大。隧道埋深450 m,由于埋深較大,為節(jié)約計(jì)算資源和時(shí)間,在模型頂面施加等效荷載來模擬上覆圍巖壓力。數(shù)值模型左右兩側(cè)邊界取至隧道邊墻8R(R為開挖半徑),下邊界至隧道底部6R,上邊界至隧道頂部6R,隧道縱向長(zhǎng)取14R。計(jì)算模型左右兩端邊界沿X方向固定約束,底部固定 Z方向約束,頂部邊界為自由面。同時(shí),根據(jù)實(shí)測(cè)資料,在模型左右兩端邊界施加12.96 MPa水平均布荷載和上端邊界施加8.1 MPa豎向荷載,來模擬高地應(yīng)力條件。
2.2 計(jì)算參數(shù)
計(jì)算采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型,用六面體單元模擬圍巖。超前支護(hù)的地層加固效果,根據(jù)文獻(xiàn)[11]和相關(guān)經(jīng)驗(yàn),通過提高相應(yīng)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)來模擬;鋼拱架的作用效果采用彈模等效折算的方法考慮到初期支護(hù)當(dāng)中。計(jì)算時(shí)將鋼筋網(wǎng)作為一種安全儲(chǔ)備,沒有考慮鋼筋網(wǎng)的作用效果。本次計(jì)算的地層和結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表1所示。
基于由自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的共同作用產(chǎn)生
的初始應(yīng)力場(chǎng),模擬了三臺(tái)階法、三臺(tái)階七步開挖法及三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法3種開挖方法,并對(duì)3種工法條件下的隧道洞周位移及襯砌結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行了分析。
表1 圍巖及支護(hù)的物理力學(xué)參數(shù)
3.1 模擬開挖工序
對(duì)于本次所模擬的3種工法,隧道施工初期支護(hù)總是滯后開挖一段時(shí)間,每次開挖步為1.6 m,計(jì)算中考慮了混凝土齡期對(duì)初期支護(hù)和二次襯砌強(qiáng)度的影響。3種開挖工序的模擬如圖1所示。
1)三臺(tái)階法施工工序中,上臺(tái)階長(zhǎng)4.8 m,中臺(tái)階長(zhǎng)19.2 m。
圖1 開挖工序示意
2)三臺(tái)階七步開挖法施工工序中,中臺(tái)階左右導(dǎo)坑開挖掌子面保持3.2 m進(jìn)度錯(cuò)距,且左導(dǎo)坑超前;下臺(tái)階左右導(dǎo)坑開挖掌子面也保持3.2 m進(jìn)度錯(cuò)距,且左導(dǎo)坑超前;上臺(tái)階核心土與中臺(tái)階左幅同時(shí)開挖;中臺(tái)階核心土與下臺(tái)階左幅同時(shí)開挖;下臺(tái)階核心土與下臺(tái)階左導(dǎo)坑開挖掌子面保持3.2 m進(jìn)度錯(cuò)距,且下臺(tái)階左導(dǎo)坑超前;初期支護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%后進(jìn)行下一步開挖。
3)三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工中,上臺(tái)階長(zhǎng)12.8 m,中臺(tái)階長(zhǎng)12.8 m,臨時(shí)仰拱與初期支護(hù)同時(shí)施作。
3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析
1)隧道圍巖位移場(chǎng)結(jié)果分析
3種工法的位移場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如表2所示。
表2 各工況下位移場(chǎng)計(jì)算結(jié)果 m
由表2可以看出,最大沉降變形發(fā)生在拱頂處。采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法,拱頂沉降值僅為三臺(tái)階法的36.2%,洞身水平收斂值僅為三臺(tái)階法的29.6%。采用三臺(tái)階七步開挖法,拱頂沉降值為三臺(tái)階法的70.7%,為三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法的1.95倍,其洞身水平收斂值為三臺(tái)階法的35.9%,為三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法的1.21倍。通過對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的數(shù)理統(tǒng)計(jì),繪制了洞周位移場(chǎng)變化曲線,如圖2、圖3所示。
圖2 Y=9.6 m處斷面拱頂沉降曲線
圖3 Y=9.6 m處斷面水平位移曲線
2)隧道二次襯砌應(yīng)力結(jié)果分析
由于本工程位于高地應(yīng)力特殊環(huán)境下,隧道施工
過程中變形較大,因此二次襯砌在此不完全作為安全儲(chǔ)備,與初期支護(hù)和圍巖共同形成承載環(huán)來承載圍巖壓力。
由圖4和表3可以看出:實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬基本吻合,佐證了本文數(shù)值模擬計(jì)算的可靠性。針對(duì)三臺(tái)階七步開挖法,數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),在拱頂處相對(duì)誤差為 23.8%,在右拱腰處相對(duì)誤差為3.55%,在右拱腳處相對(duì)誤差為10.19%,在左墻腰處相對(duì)誤差為47.10%。
圖4 實(shí)測(cè)二次襯砌混凝土應(yīng)力(三臺(tái)階七步開挖法)
表3 二次襯砌混凝土應(yīng)力數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果比較MPa
通過對(duì)大梁隧道高地應(yīng)力環(huán)境下幾種工法的數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,得出如下一些結(jié)論:
1)在高地應(yīng)力條件下,由于三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法中支護(hù)結(jié)構(gòu)能及時(shí)封閉成環(huán),在控制隧道開挖后引起的洞周位移方面有很大的優(yōu)勢(shì)。
2)采用三臺(tái)階法邊墻水平收斂位移明顯大于其它兩種工法,且趨于穩(wěn)定較慢,在高地應(yīng)力且圍巖較差的條件下無法有效地控制洞身水平位移。采用三臺(tái)階七步開挖法,留設(shè)核心土能顯著地減小圍巖的水平位移。采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法,臨時(shí)仰拱在大斷面隧道中控制水平收斂可以產(chǎn)生較好的效果。因此,在高地應(yīng)力且?guī)r性較差情況下,控制洞身水平位移,三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法與三臺(tái)階七步開挖法明顯比三臺(tái)階法優(yōu)越。
3)采用三臺(tái)階七步開挖法,由于預(yù)留了核心土,在控制隧道水平位移方面效果顯著,可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)地質(zhì)條件,靈活、及時(shí)地轉(zhuǎn)換工法。
4)在高地應(yīng)力條件下施工的隧道,可以根據(jù)掌子面巖性,實(shí)時(shí)靈活地變換三臺(tái)階法、三臺(tái)階七步開挖法和三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法。巖性較好時(shí)可采用三臺(tái)階法,加快進(jìn)度;巖性較差時(shí)可采用三臺(tái)階七步開挖法;巖性很差時(shí)可采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法。從而既能控制圍巖變形保證隧道安全,又能加快施工進(jìn)度降低造價(jià)。
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(責(zé)任審編 趙其文)
U455.41+1
:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.15
2014-07-25;
:2014-12-19
中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(SWJTU11ZT33)
王志杰(1964— ),男,山西萬榮人,教授,碩士。
1003-1995(2015)09-0050-03