洪 軍, 張俊儒

(1.贛龍復(fù)線鐵路有限責(zé)任公司， 福建 龍巖 364000；2.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)

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全風(fēng)化花崗巖地層特大斷面隧道施工過程支護(hù)受力分析

洪 軍1, 張俊儒2,*

(1.贛龍復(fù)線鐵路有限責(zé)任公司， 福建 龍巖 364000；2.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)

地下工程的施工過程是一個(gè)幾何形狀逐步變化的不完整結(jié)構(gòu)在時(shí)間和空間上承受不斷變化的施工荷載的受力過程。本文以新考塘隧道出口擴(kuò)大段特大跨度隧道工程為背景，通過數(shù)值模擬方法，對(duì)第1次初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)、第2次初期支護(hù)的受力隨施工過程的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：支護(hù)受力體現(xiàn)施工過程相關(guān)性，并不一定終態(tài)是最不利狀態(tài)，具體到本工程，④部作業(yè)相對(duì)最危險(xiǎn)，⑤部作業(yè)反倒改善了支護(hù)結(jié)構(gòu)受力； 從拆撐以后的雙層初期支護(hù)受力來看，第2次初期支護(hù)是有效的，拆撐風(fēng)險(xiǎn)是可控的； 最小安全系數(shù)的量值分布呈現(xiàn)“第2次初期支護(hù)>第1次初期支護(hù)>臨時(shí)支護(hù)”的規(guī)律。

特大斷面隧道； 支護(hù)受力； 全風(fēng)化花崗巖地層； 第1次初期支護(hù)； 第2次初期支護(hù)； 安全系數(shù)

0 引言

目前在鐵路隧道設(shè)計(jì)過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算仍然以不考慮施工過程的“荷載-結(jié)構(gòu)”模式計(jì)算為主[1]，認(rèn)為隧道一次開挖成形，終態(tài)即為最不利狀態(tài)。隨著隧道開挖跨度越來越大，傳統(tǒng)的狀態(tài)設(shè)計(jì)法或稱終態(tài)設(shè)計(jì)法經(jīng)常出現(xiàn)支護(hù)檢算不通過；初期支護(hù)、二次襯砌之間圍巖壓力不知道如何分配，不能考慮臨時(shí)支護(hù)的受力情況。尤其對(duì)于斷面超過300 m2的軟巖隧道，支護(hù)結(jié)構(gòu)安全檢算尚無成熟的方法或經(jīng)驗(yàn)。

隧道與地下工程的施工過程是一個(gè)幾何形狀與材料特性逐步變化的不完整結(jié)構(gòu)在時(shí)間和空間上承受不斷變化的施工荷載的受力過程[2]。超大跨度、特大斷面隧道，分部開挖、多部開挖不可避免，采取不同的開挖方案，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變都是有差異的，每一步施工不僅對(duì)本開挖部有直接影響，而且對(duì)后續(xù)的開挖部以及最終完整結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)均有不可忽視的持續(xù)作用。同樣，后開挖部的施工對(duì)先建成結(jié)構(gòu)亦有影響。文獻(xiàn)[3-4]基于某四線鐵路隧道多部開挖工法，分別對(duì)施工過程中的圍巖松動(dòng)圈演變和系統(tǒng)錨桿受力變化趨勢(shì)等進(jìn)行了研究，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)錨桿進(jìn)行非均衡參數(shù)設(shè)計(jì)的嘗試； 趙斌等[5]采用FLAC3D軟件分析了特大斷面鐵路隧道施工中的應(yīng)力路徑和安全系數(shù)的變化規(guī)律； 曲海鋒[6]提出適合于扁平特大斷面隧道荷載計(jì)算方法的基本思路，即過程荷載計(jì)算方法，并討論了過程荷載計(jì)算方法與傳統(tǒng)的狀態(tài)荷載計(jì)算方法之間的區(qū)別與聯(lián)系； C. N. CHEN等[7]對(duì)隧道施工過程中的平衡拱發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了研究； 馬富奎等[8]以廟婭隧道為背景，采用FLAC3D對(duì)淺埋大跨段施工開挖力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了開挖后圍巖的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)特征，研究認(rèn)為計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致； 魏龍海等[9]以開挖斷面達(dá)340 m2的濱海軟土隧道拱北隧道為工程背景，基于超前管幕預(yù)支護(hù)下的多臺(tái)階分部開挖方案，采用ANSYS軟件對(duì)五臺(tái)階15分區(qū)方案和四臺(tái)階8分區(qū)方案的隧道結(jié)構(gòu)受力規(guī)律及安全性進(jìn)行了數(shù)值研究； 文獻(xiàn)[10-12]均開展了大斷面黃土隧道在不同施工工法下(如CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、預(yù)留核心土法等)的力學(xué)和變形響應(yīng)，體現(xiàn)施工過程相關(guān)性。

本文以改建鐵路贛州—龍巖鐵路擴(kuò)能改造工程新考塘隧道出口擴(kuò)大段為工程背景，該擴(kuò)大段最大開挖跨度達(dá)30.26 m，開挖面積396.13 m2，且處于全風(fēng)化花崗巖地層，修建難度較大，為此設(shè)計(jì)方提出了一種新型施工方法。文章擬通過數(shù)值模擬方法對(duì)該段支護(hù)結(jié)構(gòu)在該種新型施工工法下的受力特征及其變化規(guī)律進(jìn)行施工全過程分析，為工程建設(shè)提供指導(dǎo)。

1 工程概況

改建鐵路贛州—龍巖鐵路擴(kuò)能改造工程新考塘隧道出口由于受龍巖地區(qū)南三龍鐵路聯(lián)絡(luò)線影響，形成喇叭口漸變式大跨隧道結(jié)構(gòu)[13]，出口最大開挖跨度達(dá)30.26 m，開挖面積396.13 m2，如何選擇一種合理的施工方法具有重要的戰(zhàn)略意義。新奧法作為一種隧道施工理念，目前已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可和普遍運(yùn)用[14]，為本工程設(shè)計(jì)施工提供了思路。

該段隧道位于全風(fēng)化花崗巖地層中，為確保開挖穩(wěn)定性，將斷面化大為小，多部開挖，采用如圖1所示工法，為減小拆除拱部臨時(shí)豎撐風(fēng)險(xiǎn)，以及確保在施作整體式二次襯砌前的較長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)拱部大跨度結(jié)構(gòu)安全，采用第2次初期支護(hù)設(shè)計(jì)概念，即在拆除臨時(shí)豎撐的前一步一次性施作第2次初期支護(hù)。在雙層初期支護(hù)的保護(hù)下，開挖核心土和仰拱，最后形成二次襯砌結(jié)構(gòu)。

具體支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)：拱部第1層初期支護(hù)為“35 cm厚C30噴混凝土(掛20 cm×20 cm的φ8鋼筋網(wǎng))+0.8 m間距HW200鋼架+6 m長(zhǎng)系統(tǒng)錨桿”； 拱部第2層初期支護(hù)為“25 cm厚C30噴混凝土+0.8 m間距180 mm格柵鋼架”； 側(cè)導(dǎo)洞初期支護(hù)為“25 cm厚C30噴混凝土+0.8 m間距I20型鋼鋼架+3 m長(zhǎng)系統(tǒng)錨桿+C30混凝土靴型大邊墻”； 仰拱初期支護(hù)為35 cm厚C30噴混凝土； 二次襯砌為全環(huán)90 cm厚鋼筋混凝土，內(nèi)外側(cè)均設(shè)置φ25@100鋼筋； 臨時(shí)支撐采用“20 cm厚C25噴混凝土+0.8 m間距I20a型鋼鋼架”。

圖1 本工程施工工法及支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

2 基于施工過程的支護(hù)受力數(shù)值模擬分析

由于處于隧道出口段，埋深變化大，縱向力學(xué)效應(yīng)不能忽略，不宜簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題處理。采用FLAC3D有限差分軟件[15]對(duì)其進(jìn)行三維數(shù)值仿真模擬。

2.1 計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

計(jì)算范圍取橫向200 m，縱向47 m，豎向按設(shè)計(jì)圖提供的地形地貌起伏。邊界約束為前、后、左、右邊界施加相應(yīng)方向的水平約束，下邊界施加豎向約束，上邊界為自由面。初始應(yīng)力僅考慮自重應(yīng)力場(chǎng)的影響。圍巖、第2次初期支護(hù)、靴型大邊墻、二次襯砌均采用實(shí)體單元模擬，除圍巖服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則外，其余服從彈性準(zhǔn)則；錨桿采用Cable單元； 第1次初期支護(hù)與臨時(shí)支護(hù)噴射混凝土采用Shell單元，鋼拱架的作用按其彈性模量折算成噴射混凝土考慮。由于處于洞口段，采用了雙層水平旋噴樁內(nèi)嵌大管棚的超前支護(hù)形式，在實(shí)際模擬時(shí)通過提高加固區(qū)的圍巖參數(shù)實(shí)現(xiàn)。

計(jì)算模型如圖2所示。

(a)正面

結(jié)合地勘資料和TB 10003—2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)選取見表1。

表1 圍巖和支護(hù)材料計(jì)算參數(shù)

2.2 施工過程模擬

本文重點(diǎn)考察拱部雙層初期支護(hù)的安全性，拱部的施工是在邊墻導(dǎo)洞開挖、靴型大邊墻施作后才開始的。隧道開挖施工過程模擬計(jì)算步驟見表2。

表2 隧道開挖計(jì)算步驟

2.3 安全系數(shù)計(jì)算

采用破損階段法進(jìn)行混凝土安全系數(shù)計(jì)算。

1)抗壓安全系數(shù)

K壓=φαRabh/N。

(1)

式中：Ra為混凝土極限抗壓強(qiáng)度；N為混凝土截面的計(jì)算軸力；b為混凝土的截面寬度，取單位長(zhǎng)度1 m；h為混凝土的截面厚度；φ為構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)；α為軸向力的偏心影響系數(shù)，按規(guī)范取值。

2)抗拉安全系數(shù)

(2)

式中：Rl為混凝土的極限抗拉強(qiáng)度；e0為截面偏心距。

對(duì)混凝土矩形截面構(gòu)件，當(dāng)e0≤0.20h時(shí)，系抗壓強(qiáng)度控制承載能力，按式(1)計(jì)算，反之按式(2)計(jì)算。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

由于本工程拱部采用雙層初期支護(hù)方案，根據(jù)施工順序?qū)安康?次初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)、第2次初期支護(hù)的彎矩、軸力進(jìn)行分步提取。

2.4.1 ③部開挖后

在兩側(cè)導(dǎo)洞施工完畢后，開始開挖③部，并及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)。該步完成后，第1次初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)的彎矩、軸力如圖3所示。圖中顯示最大彎矩為41.08 kN·m，位于第1次初期支護(hù)與臨時(shí)支護(hù)連接處； 最大軸力為822.4 kN，位于第1次初期支護(hù)拱腳處。

(a)彎矩 (b)軸力

Fig. 3 Internal forces of first primary support and temporary support after excavation of part ③

2.4.2 ④部開挖后

開挖④部并完成初期支護(hù)施作后，第1次初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)的彎矩、軸力如圖4所示。圖中顯示最大彎矩為98.65 kN·m，位于左側(cè)(先施工側(cè))第1次初期支護(hù)與臨時(shí)支護(hù)連接處； 最大軸力為1 242 kN，位于左側(cè)第1次初期支護(hù)拱腳處。彎矩、軸力分布規(guī)律左、右側(cè)類似，但量值表現(xiàn)出明顯的左右不對(duì)稱，體現(xiàn)施工過程相關(guān)性。

(a)彎矩

(b)軸力

Fig. 4 Internal forces of first primary support and temporary support after excavation of part ④

2.4.3 ⑤部開挖后

開挖⑤部并完成初期支護(hù)施作后，第1次初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)的彎矩、軸力如圖5所示。圖中顯示最大彎矩為25.25 kN·m，位于左側(cè)(先施工側(cè))第1次初期支護(hù)與臨時(shí)支護(hù)連接處； 最大軸力為1 877 kN，位于左側(cè)第1次初期支護(hù)拱腳處。由于初期支護(hù)的左右連接成整體受力，彎矩左右呈現(xiàn)不對(duì)稱性減弱，且最大值的量值減小； 軸力已轉(zhuǎn)變?yōu)樽笥一緦?duì)稱，但量值仍在增加。

(a)彎矩

(b)軸力

Fig. 5 Internal forces of first primary support and temporary support after excavation of part ⑤

2.4.4 ⑥部開挖后

開挖⑥部之前，需要先施作第2次初期支護(hù)，然后拆除拱部臨時(shí)支護(hù)。完成⑥部開挖后，第1次初期支護(hù)的彎矩、軸力如圖6所示。圖中顯示最大彎矩為44.5 kN·m，位于左側(cè)(先施工側(cè))第1次初期支護(hù)與臨時(shí)支護(hù)連接處； 最大軸力為2 295 kN，位于第1次初期支護(hù)拱腳處(左右已基本對(duì)稱)。

(a)彎矩

(b)軸力

Fig. 6 Internal force of first primary support after excavation of part ⑥

第2次初期支護(hù)的彎矩、軸力如圖7所示。圖中顯示最大彎矩為4.268 kN·m，出現(xiàn)位置與第1次初期支護(hù)最值部位相近； 最大軸力為250.7 kN，位于左側(cè)拆撐部位。

2.4.5 ⑦部開挖后

完成⑦部開挖后，第1次初期支護(hù)的彎矩、軸力如圖8所示。圖中顯示最大彎矩為47.3 kN·m，位于左側(cè)(先施工側(cè))第1次初期支護(hù)與臨時(shí)支護(hù)連接處； 最大軸力為2 487 kN，位于第1次初期支護(hù)拱腳處(左右已基本對(duì)稱)。

(a)彎矩

(b)軸力

Fig. 7 Internal force of second primary support after excavation of part ⑥

(a)彎矩

(b)軸力

Fig. 8 Internal force of first primary support after excavation of part ⑦

第2次初期支護(hù)的彎矩、軸力如圖9所示。圖中顯示最大彎矩為13.79 kN·m，出現(xiàn)位置變?yōu)楣绊敳课唬?最大軸力548.6 kN，位于左側(cè)拆撐部位。彎矩、軸力分布均左右不對(duì)稱。

2.5 結(jié)構(gòu)受力的安全性評(píng)價(jià)

從第1次初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)、第2次初期支護(hù)的彎矩、軸力分布圖可以看出，隨著施工過程的推進(jìn)，不但最值在改變，而且分布形態(tài)也在調(diào)整，左右對(duì)稱性也有變化。

(a)彎矩

(b)軸力

Fig. 9 Internal force of second primary support after excavation of part ⑦

為更好地評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)受力安全性，根據(jù)2.3節(jié)方法計(jì)算相應(yīng)的安全系數(shù)，見表3。

從表3數(shù)據(jù)可以看出：第1次初期支護(hù)的最大彎矩在施工過程中有增有減，最大軸力則表現(xiàn)為單調(diào)遞增，安全系數(shù)的最小值也是有波動(dòng)的，終態(tài)時(shí)并不是最小的。臨時(shí)支護(hù)的最大彎矩、軸力均表現(xiàn)為先增加再減小，最小安全系數(shù)則表現(xiàn)為先減小后增大。因此，從第1次初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)的受力變化規(guī)律來看，④部作業(yè)相對(duì)最危險(xiǎn)，⑤部作業(yè)反而改善了支護(hù)結(jié)構(gòu)受力。

⑥部開挖之前雖然需要拆除臨時(shí)支撐，但由于第2次初期支護(hù)的介入，起到了分擔(dān)作用。雙層初期支護(hù)的受力均有增加，但均在可控范圍之內(nèi)； 隨著⑦部作業(yè)的繼續(xù)推進(jìn)，第1次初期支護(hù)受力小幅增加，第2次初期支護(hù)受力有較大增加，起到了更大的分擔(dān)作用。說明本工程設(shè)計(jì)的第2次支護(hù)是有效的，拆撐風(fēng)險(xiǎn)是可控的。

整體最小安全系數(shù)的量值分布呈現(xiàn)“第2次初期支護(hù)>第1次初期支護(hù)>臨時(shí)支護(hù)”的規(guī)律。

目前本工程已成功實(shí)施，施工全程未出現(xiàn)支護(hù)強(qiáng)度不足的問題，拱頂沉降和水平收斂等變形監(jiān)測(cè)均在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工過程安全性評(píng)價(jià)

注：表中數(shù)據(jù)均為最值，并非同一個(gè)單元取值。其中最小安全系數(shù)是通過將相應(yīng)結(jié)構(gòu)(如：第1次初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)或第2次初期支護(hù))的所有計(jì)算單元(element)提取彎矩、軸力后，逐一計(jì)算每個(gè)單元的安全系數(shù)并取最小值。

3 結(jié)論與討論

相比以往普遍采用“荷載-結(jié)構(gòu)”模式計(jì)算的終態(tài)分析法，本文考慮施工過程的相關(guān)性，對(duì)特大斷面隧道多部開挖進(jìn)行數(shù)值仿真模擬研究，得出以下結(jié)論。

1)從第1次初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)、第2次初期支護(hù)的受力隨施工過程的變化規(guī)律可以看出：支護(hù)受力體現(xiàn)過程相關(guān)性，不但量值在變，而且分布形態(tài)也在調(diào)整，左右對(duì)稱性也有變化。

2)從第1次初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)的受力變化規(guī)律來看，終態(tài)并不一定是最不利狀態(tài)。具體到本工程，④部作業(yè)相對(duì)最危險(xiǎn)，⑤部作業(yè)反而改善了支護(hù)結(jié)構(gòu)受力。

3)從拆撐后的雙層初期支護(hù)受力分擔(dān)來看，第2次初期支護(hù)是有效的，拆撐風(fēng)險(xiǎn)是可控的。

4)從最小安全系數(shù)這一指標(biāo)來看，其量值分布呈現(xiàn)“第2次初期支護(hù)>第1次初期支護(hù)>臨時(shí)支護(hù)”的規(guī)律。

特大斷面、超大跨度隧道的施工過程是一個(gè)極為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)加卸載力學(xué)過程，數(shù)值模擬結(jié)果可為現(xiàn)場(chǎng)施工決策提供預(yù)判和指導(dǎo)的依據(jù)，但同時(shí)由于計(jì)算過程中存在較多假設(shè)以及計(jì)算參數(shù)與工程實(shí)際存在差異等，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)不可或缺。通過信息化施工，一方面保證安全推進(jìn)，另一方面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反過來又可以修正計(jì)算模型，進(jìn)一步完善上述結(jié)論。

[1] 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范: TB 10003—2005[S].北京: 中國(guó)鐵道出版社,2005.(Code for design of railway tunnel: TB 10003—2005[S].Beijing: China Railway Publishing House,2005.(in Chinese))

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Analysis of Support Stress of Extra-large Cross-section Tunnel during Construction in Fully Weathered Granite Strata

HONG Jun1, ZHANG Junru2,*

(1.Ganzhou-LongyanDouble-trackRailwayCo.,Ltd.,Longyan364000,Fujian,China;2.KeyLaboratoryofTransportationTunnelEngineeringofMinistryofEducation,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

The construction process of underground engineering is a stress process of structure in time-space. The stress process of first primary support, second primary support and temporary support of extra-large span tunnel of enlarging section of Xinkaotang Tunnel Portal during construction is analyzed. The analytical results show that: 1) The support stress state shows the procedural dependency; and the final state is not always the worse. 2) The second primary support is effective; and the risk of support disassembling can be brought under control. 3) The safety factor of second primary support is the largest, followed by that of first primary support, and that of temporary support is the smallest.

extra-large cross-section tunnel; support stress; fully weathered granite strata; first primary support; second primary support; safety factor

2016-01-18;

2016-04-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助(51378435)

洪軍(1967—)，男，福建龍巖人，1989年畢業(yè)于福州大學(xué)，土建工程專業(yè)，本科，高級(jí)工程師，主要從事鐵路工程建設(shè)的技術(shù)和管理工作。E-mail：hongjun86@sina.com。*通訊作者：張俊儒， E-mail：swjtuzhjr@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.07.003

U 455.91

A

1672-741X(2016)07-0787-06