馮錫勇1 李 歡2

(1重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074 2重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

淺埋隧道兩種工法的施工力學(xué)研究

馮錫勇1 李 歡2

(1重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074 2重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

本文基于重慶市江北區(qū)站前路東段回頭匝道的隧道工程為背景，運(yùn)用Midas/GTS有限元程序分析淺埋隧道在單側(cè)壁導(dǎo)坑法和臺(tái)階法施工過程中的力學(xué)特性，結(jié)果表明運(yùn)用單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)能夠很好的控制隧道拱頂?shù)某两盗?，但是在初期支護(hù)受力方面臺(tái)階法施工更為合理，沒有出現(xiàn)明顯的偏壓現(xiàn)象，這為今后淺埋隧道設(shè)計(jì)和施工提供了一些參考。

有限元、淺埋隧道、臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法

1引言

重慶市江北區(qū)站前路東段回頭匝道的隧道全長(zhǎng)為200m，起訖樁號(hào)為HTK0+145～HTK0+345。其中，隧道進(jìn)洞段、出洞段均采用明挖施工，暗挖段長(zhǎng)度為67m，起訖樁號(hào)為HTK0+160～HTK0+227。隧道凈寬12.86m，凈高9.049m。隧道圍巖主要是強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化的泥巖，圍巖等級(jí)Ⅴ級(jí)，隧道的平均埋深為14m，屬于典型的淺埋隧道。淺埋隧道的施工方法有很多如臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法等。本隧道設(shè)計(jì)單位推薦的方法為單側(cè)壁導(dǎo)坑法，但是在實(shí)際施工過程中，施工單位為了施工的方便選用了單側(cè)壁導(dǎo)坑法，為了比較兩種施工方法的安全性，進(jìn)行了以下兩個(gè)問題的主要研究[1]：1、兩種施工方法洞周位移分析；2、兩種施工方法初期支護(hù)內(nèi)力分析。

2計(jì)算基本情況

2.1 計(jì)算參數(shù)

本文所使用的計(jì)算參數(shù)見表1、表2

材料參數(shù)表1

2.2 計(jì)算情況

淺埋隧道采用兩種施工方法，即單側(cè)壁導(dǎo)坑法和兩臺(tái)階法。本次計(jì)算范圍橫向取53m，豎向取52m。圍巖采用四節(jié)點(diǎn)等參單元模擬，初期支護(hù)采用梁?jiǎn)卧M，錨桿采用植入式桁架單元模擬，計(jì)算采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，圍巖左右邊界取水平約束，下部邊界水平豎直同時(shí)約束[2-3]。本次計(jì)算采用平面應(yīng)變理論，計(jì)算斷面取在隧道中部，符合平面應(yīng)變計(jì)算理論。計(jì)算程序采用Midas/GTS有限元程序進(jìn)行計(jì)算。

(1)兩臺(tái)階法施工步驟有限元模型

兩臺(tái)階法有限元模型如圖1，相應(yīng)的開挖步驟模擬圖見圖2-3。

圖1 兩臺(tái)階法有限元模型

圖2 上臺(tái)階開挖并支護(hù)后y方向位移圖

圖3 下臺(tái)階開挖并支護(hù)后y方向位移圖

圖4 單側(cè)壁導(dǎo)坑法有限元模型

(2)單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工步驟有限元模型

單側(cè)壁導(dǎo)坑法有限元模型如圖4，相應(yīng)的開挖步驟模擬圖見圖2-3。

圖5 單側(cè)壁導(dǎo)坑法左上臺(tái)階開挖并支護(hù)后y方向位移圖

圖6 單側(cè)壁導(dǎo)坑法左下臺(tái)階開挖并支護(hù)后y方向位移圖

圖7 單側(cè)壁導(dǎo)坑法右上臺(tái)階開挖并支護(hù)后y方向位移圖

圖8 單側(cè)壁導(dǎo)坑法右下臺(tái)階開挖并支護(hù)后y方向位移圖

3計(jì)算結(jié)果分析

（1）兩種施工方法的洞周位移

經(jīng)計(jì)算兩種施工方法的洞周最大位移見表3

表3 兩種施工方法的洞周位移

由上表可知單側(cè)壁導(dǎo)坑法拱頂沉降量為16.9mm，臺(tái)階法為20.6mm；說明單側(cè)壁導(dǎo)坑法能夠有效的控制淺埋隧道拱頂?shù)某两盗浚疃嗄軠p少22.5%。

（2）兩種施工方法的初期支護(hù)軸力

經(jīng)計(jì)算兩種施工方法的初期支護(hù)軸力見下圖

圖9 臺(tái)階法初期支護(hù)軸力

圖10 單側(cè)壁導(dǎo)坑法初期支護(hù)軸力

圖11 臺(tái)階法初期支護(hù)軸力

圖12 單側(cè)壁導(dǎo)坑法初期支護(hù)軸力

注：圖11、圖12的1號(hào)單元分布對(duì)應(yīng)圖9、圖10箭頭所指的單元并沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)

臺(tái)階法周軸最小值位于拱頂處為-77.99 kN，最大值位于右側(cè)拱腰處為55.39kN。

單側(cè)壁導(dǎo)坑法最小值位于左側(cè)拱腰處為-865.818kN，最大值位于右側(cè)拱腰靠上處為49.48kN。

由上圖可知單側(cè)導(dǎo)坑法在淺埋隧道施工時(shí)初期支護(hù)受力表現(xiàn)為明顯的偏壓狀態(tài)，主要表現(xiàn)為首先開挖一側(cè)承受了絕大多數(shù)的荷載。與此相反運(yùn)用臺(tái)階法施工時(shí)隧道初期支護(hù)的受力比較合理，沒有出縣明顯的偏壓現(xiàn)象。

4結(jié)論

1、通過有限元計(jì)算可知，單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，能夠很好的控制隧道拱頂沉降量，最多能減少22.5%的沉降值；對(duì)于淺埋隧道來說這樣施工更加安全，避免了冒頂事故的發(fā)生。

2、在初期支護(hù)受力方面，單側(cè)壁導(dǎo)坑法的隧道表現(xiàn)為明顯的偏壓，臺(tái)階法的受力表現(xiàn)的更為合理。

3、在進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員要特別注意隧道的拱腰處，因?yàn)椴还苁桥_(tái)階法還是單側(cè)壁導(dǎo)坑法，拉應(yīng)力總出現(xiàn)在隧道的拱腰附近，此處容易出現(xiàn)拉裂縫。

[1]賈永剛,王明年等.雙連拱隧道兩種工法的施工力學(xué)分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)2005,11 (24) 増2∶5727-5731

[2]周玉宏,趙燕明,程崇國(guó).偏壓連拱隧道施工過程的優(yōu)化研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(5)∶679–683

[3]綦志富,孫波.大跨度雙跨聯(lián)拱隧道的新奧法施工[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào),2002,(1)∶62–65

TU7

B< class="emphasis_bold">文章編號(hào)1

1007-6344（2015）06-0106-02

馮錫勇，男，（1990-），在讀碩士研究生，研究方向：隧道及巖土工程