商 翔
(廈門中平公路勘察設(shè)計院有限公司 福建廈門 361008)
隨著我國社會主義市場經(jīng)濟的發(fā)展,公路隧道建設(shè)規(guī)模也越來越大,原來的小斷面、短距離隧道已遠遠不能滿足日漸增長的通行需求,大斷面、長距離公路隧道越來越多。大斷面隧道在設(shè)計時,應(yīng)根據(jù)具體條件進行方案比選,進行全面的技術(shù)、經(jīng)濟比較。大斷面隧道施工工序往往比較復(fù)雜,隧道圍巖的穩(wěn)定性與施工開挖方法、開挖順序、支護方式和支護時間有著密切的關(guān)系。正確分析隧道施工過程中的圍巖穩(wěn)定性,以及隧道施工對周圍巖體的影響范圍和程度,是保證隧道安全、快速、經(jīng)濟施工的首要前提和必要條件。大斷面公路隧道由于跨度大、進洞時埋深較淺,開挖時具有較大風(fēng)險,常采用環(huán)形導(dǎo)坑法和上下臺階法施工。
大輪山隧道為雙洞分離式雙線公路隧道,單洞凈跨度13.86m,凈洞高9.68m,淺埋段最小埋深6m~7m左右,為預(yù)測不同開挖方式對周圍環(huán)境影響,本文對其進行了三維彈塑性數(shù)值模擬,并形成結(jié)論,希冀能為今后的設(shè)計和施工提供參考支持。
大輪山隧道起于廈門市同安區(qū)東山村西側(cè),向東北方穿過大輪山,止于廈門市新安村,作為白云大道的關(guān)鍵節(jié)點,建成后將成為同安區(qū)西外環(huán)一條重要的交通通道。
隧道沿線無重要建構(gòu)筑物,所處地層主要為散體狀、碎裂狀強風(fēng)化花崗巖。巖體為軟巖,破碎,主要呈鑲嵌狀碎裂結(jié)構(gòu),局部為碎裂狀松散結(jié)構(gòu)。圍巖基本質(zhì)量指標[BQ]=117。圍巖等級定為Ⅴ級。上覆土層為散體狀強風(fēng)化花崗巖、殘積砂質(zhì)粘性土和素填土。
隧道范圍地下水類型主要為基巖裂隙潛水。穩(wěn)定水位埋深約3.40m~13.20m。
線路參數(shù)如表1所示。
表1 線路參數(shù)表
洞口段的隧道地質(zhì)情況如圖1所示。擬采用上下臺階法和環(huán)形導(dǎo)坑法施工。
圖1 洞口段地質(zhì)橫斷面圖
上下臺階法開挖時,上臺階長度一般控制在1~1.5倍洞徑以內(nèi),但必須在地層失去自穩(wěn)能力之前盡快開挖下臺階,支護后形成封閉結(jié)構(gòu),若地層較差,為了穩(wěn)定工作面,也可以輔以小導(dǎo)管超前支護等措施,詳見圖2a。
環(huán)形導(dǎo)坑法開挖時,上臺階取1倍洞徑左右環(huán)形開挖,留核心土。用系統(tǒng)小導(dǎo)管超前支護、預(yù)注漿穩(wěn)定工作面;用鋼筋網(wǎng)鋼拱架做初支;拱腳、墻腳設(shè)置鎖腳錨桿。從斷面開挖到初期支護、仰拱封閉不能超過10d,以確保地面沉降在可控范圍內(nèi),詳見圖2b。
(a)上下臺階法
(B)環(huán)形導(dǎo)坑法圖2 開挖工序示意圖
隧道主要支護參數(shù)如表2所示。
表2 支護參數(shù)表
建模計算采用midas GTS NX通用巖土有限元分析軟件實現(xiàn)。建立三維空間模型能夠較為真實地模擬開挖和支護過程,體現(xiàn)出各工序在空間上的安排,分析在不同施工過程中,隧道圍巖與支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律。
(1)由于隧道主要位于弱透水層和不透水層中,因此在計算時忽略地下水滲流的影響,模擬時采用水土合算方式考慮總應(yīng)力。
(2)巖土特性按Druker-Prager準則考慮。
(3)對相關(guān)分析單元采用以下方式建模:
①錨桿采用植入式桁架單元模擬;
②將鋼拱架的彈性模量等效折算到噴混凝土模量中,用實體單元近似模擬;
③隧道二次襯砌采用實體單元模擬;
④初支、二襯同時施做,不考慮施工時的時間效應(yīng)影響;
⑤土體采用實體單元模擬,巖體初始應(yīng)力場不考慮構(gòu)造應(yīng)力,僅考慮其自重應(yīng)力;
⑥超前支護的作用效應(yīng)通過提高地層的c、φ值近似模擬[1]。
計算主要是對兩種常用施工工法進行比較,因此僅選取單線隧道進行分析。根據(jù)巖土理論和工程經(jīng)驗,選取分析范圍為60m×105m×70m(長×寬×高),隧道左右側(cè)和下側(cè)各保留3倍最大開挖尺寸,隧道走向取60m。計算初始自重應(yīng)力和開挖效應(yīng)時,左右邊界為受水平向位移約束的邊界,底部邊界為受垂直向位移約束的邊界,上部邊界為自由變形邊界。計算模型如圖3所示。
圖3 模型網(wǎng)格劃分圖
隧道開挖涉及土層主要有散體狀強風(fēng)化花崗巖⑥1、碎裂狀強風(fēng)化花崗巖⑥2、中風(fēng)化花崗巖⑦以及超前加固土體。模型中將土層簡化為水平層狀分布的彈塑性材料。參考地勘資料和相關(guān)文獻資料對土層和加固土體的參數(shù)取值[2],取各土層參數(shù)如表3所示。
表3 地層參數(shù)表
隧道開挖造成地面沉降和開挖影響區(qū)內(nèi)土體應(yīng)力重分布,本節(jié)主要提取地表沉降、圍巖穩(wěn)定性和塑性區(qū)范圍等方面的數(shù)據(jù)進行分析[3]??紤]到模型邊界對結(jié)果的影響,計算結(jié)果取邊界效應(yīng)影響之外的單元數(shù)據(jù)。
(1)地面沉降
上下臺階法施工時,地面豎向沉降量為90.3mm;環(huán)形導(dǎo)坑法施工時,地面豎向沉降量為63mm,較上下臺階法減少30.2%,能夠較好地控制對周邊環(huán)境的影響,如圖4所示。
(a)上下臺階法 (b)環(huán)形導(dǎo)坑法圖4 地面沉降云圖
(2)圍巖穩(wěn)定性
上下臺階法施工時,拱頂豎向沉降量為102.5mm;環(huán)形導(dǎo)坑法施工時,拱頂豎向沉降量為74.5mm,較上下臺階法減少27.3%,對圍巖穩(wěn)定有明顯優(yōu)勢,如圖5所示。
(a)上下臺階法 (b)環(huán)形導(dǎo)坑法圖5 拱頂沉降云圖
(3)塑性區(qū)范圍
取開挖50m處斷面進行分析,環(huán)形導(dǎo)坑法施工時洞周的塑性區(qū)范圍比上下臺階法小,對圍巖的擾動較小,圍巖穩(wěn)定性更高,如圖6所示。
(a)上下臺階法 (b)環(huán)形導(dǎo)坑法圖6 塑性區(qū)范圍圖
根據(jù)上述數(shù)值分析結(jié)果,可知環(huán)形導(dǎo)坑法對變形的控制較好,主要原因為:①一次開挖面積較小,圍巖松弛區(qū)域較小,圍巖和周邊變形較小。②核心土對掌子面的反壓作用。
(1)計算結(jié)果表明,對于隧道洞口段兩種常用的施工工法都能保證施工安全。
(2)上下臺階法的關(guān)鍵工序,是臺階的距離控制和斷面的及時閉合。為了控制變形,應(yīng)縮短上下臺階距離,開挖完成后立即施工初支,將圍護結(jié)構(gòu)盡快閉合成環(huán)。但臺階距離過短,又將增加施工工序,降低施工速度。
(3)環(huán)形導(dǎo)坑法的關(guān)鍵工序,即核心土的開挖時機。過早開挖核心土,圍巖還未穩(wěn)定,將導(dǎo)致過大變形。施工時應(yīng)加強支護,及時測量圍巖變形情況,待圍巖變形趨于穩(wěn)定后再對核心土進行開挖施工。
(4)環(huán)形導(dǎo)坑法能夠較好地控制地面沉降,降低對周邊環(huán)境影響,有效控制圍巖變形,但開挖步序較多,對圍巖多次擾動,實際封閉斷面時間較長;上下臺階法施工工序簡單,步序少,斷面封閉較快,但對沉降控制不如環(huán)形導(dǎo)坑法。
(5)從縮短工期和經(jīng)濟性角度看,上下臺階法具有一定優(yōu)勢,從安全性、對周邊環(huán)境影響方面看,環(huán)形導(dǎo)坑法更佳。施工時應(yīng)根據(jù)圍巖情況,結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報和現(xiàn)場監(jiān)測情況,選擇合適開挖方式。
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