李曉娟
中鐵第一勘察設(shè)計研究院蘭州院(730000)
黃土淺埋隧道橫通道開挖對隧道襯砌影響的分析
李曉娟
中鐵第一勘察設(shè)計研究院蘭州院(730000)
以華林坪隧道為例,采用三維數(shù)值模擬計算,對黃土隧道設(shè)置橫通道進行研究分析,為實際工程中橫通道設(shè)置提供設(shè)計依據(jù),并為類似工程建設(shè)提供借鑒。
黃土隧道;橫通道;交叉結(jié)構(gòu);高斯應(yīng)力;數(shù)值模擬
黃土隧道與一般隧道相比,黃土強度低,公路隧道跨度大,地質(zhì)條件復(fù)雜,正洞開挖后隧道各點位移變形大。隧道加設(shè)橫通道,將進一步加劇隧道變形及襯砌應(yīng)力集中等現(xiàn)象。隨著我國工程建設(shè)快速發(fā)展,黃土隧道修建主隧道與橫通道交叉結(jié)構(gòu)的情況越來越多,所以,掌握黃土隧道交叉部結(jié)構(gòu)變形、受力特點顯得十分重要。
華林坪隧道為上下行分離的雙管暗挖隧道,左線起迄里程NzK13+025~NzK13+752,全長727m;右線起迄里程NyK13+053~NyK13+770,全長729m。
該隧道Nzk13+350里程下穿一座6層框架樓。隧道左線掘進至NzK13+310處,為保證框架樓不發(fā)生較大的位移沉降,需對該樓進行加固處理??蚣軜羌庸烫幚?,影響正常施工進度。在NzK13+312處設(shè)置橫通道,對右線掘進,縮短施工工期。平面設(shè)計如圖1所示。
圖1 施工橫通道平面圖
該段華林坪隧道左右線凈距為25m,埋深約為18m。其地層結(jié)構(gòu)較為簡單,主要為填土、粉土等,地層巖性分述如下:
素填土(Q4ml):褐黃色,粉土為主,夾碎石、角礫等,局部夾生活垃圾,人工堆填而成。局部表層為瀝青路面,厚度2m左右,稍密,稍濕。
黃土狀粉土(Q3al+pl):褐黃色~黃褐色,粉粒為主,土質(zhì)較純,具孔隙,含白色鹽質(zhì)斑點及鈣質(zhì)條紋,局部夾薄層砂,含個別角礫,厚度1~27.0m,稍密~中密,稍濕~濕。
1)計算模型
計算采用三維有限元彈塑性分析,二襯單元采用實體單元模擬,初襯單元采用殼單元模擬。模型考慮了地表荷載和地下洞室上覆巖層及結(jié)構(gòu)荷載。地應(yīng)力場按初始應(yīng)力場考慮,邊界條件按位移邊界考慮,即兩側(cè)面及底面均法向約束。錨桿與注漿加固洞周圍巖,隧道加固范圍2.5m,計算中考慮加固后圍巖巖性略有提高。計算時周圍土體采用Drucker-Prager材料模型,應(yīng)用FullNewton-Raphson迭代算法。計算模型范圍為100×36m,兩隧道中線間距25m,縱向長度取80m,兩側(cè)土體均為3倍的洞徑范圍,共得到14032個單元,計算中通過殺死和激活單元模擬開挖過程,其有限元模型如圖2所示。
圖2 三維有限元模型
2)結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)
計算時圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)指標根據(jù)地質(zhì)資料加以選取。左右線隧道襯砌厚度為55cm。具體參數(shù)如表1所示。
表1 物理力學(xué)參數(shù)
3)計算結(jié)果整理及分析
東北航線設(shè)定為摩爾曼斯克—白令海峽—寧波,北極—蘇伊士航線設(shè)定為摩爾曼斯克—蘇伊士運河—馬六甲海峽—寧波。
隧道開挖工序直接影響施工中地應(yīng)力的變化與地層位移變化規(guī)律,現(xiàn)通過三維仿真模擬橫通道開挖過程,以期找到橫通道開挖對隧道二襯位移和內(nèi)力變化規(guī)律。本次計算主要考慮橫洞施工對主洞結(jié)構(gòu)的影響,因此左、右主洞一次性開挖并施作支護,車行橫洞每次開挖1.0m并施作支護,最后一次開挖1.5m,共分12步施工。
具體施工步驟為:形成自重地應(yīng)力場→開挖左、右主洞→左、右主洞施作初期支護→左、右主洞施作二襯→開挖橫洞第1步→橫洞施作初期支護第1步→橫洞施作二襯第1步……→開挖橫洞第12步→車行橫洞施作初期支護第12步→車行橫洞施作二襯第12步。
4)主隧道與橫通道交叉段變形分析
圖3 隧道開挖完成后土體Z豎向位移等值線圖
橫通道開挖完畢后,隧道主洞二襯結(jié)構(gòu)的變形量見表2。
表2 隧道主洞二襯結(jié)構(gòu)的變形量
由表2可知,隨著橫洞的開挖,二襯拱頂、仰拱和內(nèi)拱腰位置產(chǎn)生較大的變形,而二襯外側(cè)位置的變形較小,說明車行橫洞的施工對二襯的外側(cè)影響較小。
橫洞開始施工時,主洞各點位移變化較大。隨橫洞開挖斷面距主洞距離變大,各點位移變形逐步增大,但變化速率逐步減小,有穩(wěn)定趨勢。橫通道開挖完畢時,隧道二襯拱頂?shù)奈灰屏窟_18.2mm,二襯仰拱變形值已達23.1mm,仰拱位移量大于二襯其他位置的變形量。如果隧道正常開挖,隧道拱頂、仰拱最大位移分別為8.5mm和10.5mm,但隨著橫通道的開挖,隧道各點位移都增大,拱頂及仰拱位移變化最大。
綜上所述,由于橫通道開挖,破壞了隧道的拱環(huán)效應(yīng),隧道各點位移增加較大。其中,隧道二襯拱頂和仰拱的累積變形量較大。相比其他隧道,黃土隧道仰拱位移量最大。在設(shè)計時,可考慮設(shè)置橫向支撐,特別是圍巖較差段落,可將主洞鋼架支撐于橫向鋼支撐。施工時應(yīng)逐步開挖,加強監(jiān)控量測,確保安全。
5)交叉部隧道二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析
因二襯采用實體單元模擬,MidasGTS中不能直接讀取內(nèi)力,采用三維有限元計算得到結(jié)構(gòu)自重與圍巖壓力分別作用下各節(jié)點的位移、襯砌各單元高斯點上的應(yīng)力。
根據(jù)襯砌各單元的高斯點應(yīng)力,參照潘昌實的文獻《隧道力學(xué)數(shù)值方法》,算出各高斯點所在截面上的法向應(yīng)力,求得隧道各截面上的彎矩和軸力后,再進一步對隧道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)及配筋驗算。
圖4 右線二襯第一主應(yīng)力等值線分布圖
圖5 右線二襯第三主應(yīng)力等值線分布圖
由圖4和5可知,車行橫洞開挖后,受拉區(qū)主要分布在主洞二襯的邊墻和仰拱位置。該區(qū)域的結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力已達到混凝土抗拉強度,且隨著車行橫洞開挖距離的增大而增大,而以拱頂、仰拱部位為最大,外拱腰次之,內(nèi)拱腰變化量最小。
綜上所述,橫洞施工時,隧道主洞二襯拱頂和仰拱的累積最大主應(yīng)力變化量最大,而且仰拱最大主應(yīng)力變化沒有趨于穩(wěn)定的趨勢,故在主洞拱頂、仰拱和外拱腰位置二襯易在應(yīng)力過大的情況下發(fā)生裂縫破壞。
黃土隧道設(shè)置橫通道,除具其他隧道的一些特點外,還具有黃土隧道的特點。
1)橫通道施工對主隧道變形的影響
橫通道施工導(dǎo)致主隧道與橫通道交叉部呈現(xiàn)出以下變形特征:隧道各點位移變形較大,并隨開挖步驟的進行逐步加大,局部變形顯著。交叉部主隧道兩側(cè)拱腰則表現(xiàn)外擴變形特征。比較來看,交叉部拱腰水平方向變形,明顯低于相對交叉部另一側(cè)拱腰,這是由于交叉部一側(cè)拱腰較相對的另一側(cè)拱腰,剛度降低更多更弱的緣故。
2)橫通道施工對主隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響
橫通道與主隧道交叉破壞了主隧道拱形支撐作用,故不再起拱的作用,襯砌剛度降低,結(jié)構(gòu)受力已不再是單一軸向受力,而出現(xiàn)部分彎曲受力的復(fù)雜受力狀況。其中在拱頂,由橫縱向正彎矩(內(nèi)拉外壓)以及橫截面“整體受拉力”組成拱頂最不利受力情況。
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