黃 俊,梁慶國(guó),岳琳琳,樊純壇
(1.土木工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(蘭州交通大學(xué));2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730070;3.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,鐵路網(wǎng)建設(shè)逐漸提上日程,在鐵路修建過(guò)程難免會(huì)遇到地質(zhì)條件惡劣、隧道圍巖破碎、穿越高地應(yīng)力地區(qū)的情況,在高地應(yīng)力地區(qū)修建隧道,控制隧道變形是隧道開(kāi)挖的重難點(diǎn)[1],所以,選取恰當(dāng)?shù)氖┕し椒ň涂梢院芎玫目刂谱冃巍3S盟淼篱_(kāi)挖方法有全斷面法、臺(tái)階法、CD法、CRD法、超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法等。CD法和CRD法雖然安全可靠,但存在工序復(fù)雜、造價(jià)增大、進(jìn)度緩慢等不足,而臺(tái)階法在高地應(yīng)力區(qū)變形會(huì)略顯偏大[2-4],超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法可以提前釋放地應(yīng)力,能很好地控制變形,適用于高地應(yīng)力軟巖隧道施工。
隧道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)與圍巖的穩(wěn)定性直接相關(guān),尤其是長(zhǎng)大深埋隧道就更為突出[5,6],在高地應(yīng)力作用下,隧道圍巖易發(fā)生大變形[7]。對(duì)木寨嶺隧道的開(kāi)挖方法進(jìn)行數(shù)值模擬,篩選出適合高地應(yīng)力軟巖隧道的開(kāi)挖方式,以及控制高地應(yīng)力隧道大變形的合理措施[8]。
木寨嶺隧道在甘肅省定西市漳縣和岷縣交界處,全長(zhǎng)19 095 m,隧道洞身最大埋深約600 m,最小埋深約40 m,屬于深埋特長(zhǎng)隧道。據(jù)地質(zhì)勘察與斜井開(kāi)挖觀察表明,該隧道地質(zhì)狀況復(fù)雜,圍巖多為泥質(zhì)板巖、鈣質(zhì)板巖、砂巖類(lèi),以Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖為主,分別占比54.89%和41.74%,隧道斷裂及褶皺極其發(fā)育。對(duì)隧道通過(guò)的斷裂、褶皺構(gòu)造走向(N55°~60°W)分析,測(cè)得地應(yīng)力方向N34°E,最大水平主應(yīng)力值為24.95~27.16 MPa,最小水平主應(yīng)力值14.95~16.17 MPa。根據(jù)現(xiàn)行的《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218—2014),是以飽和抗壓強(qiáng)度與最大水平主應(yīng)力的比值來(lái)衡量地應(yīng)力作用強(qiáng)度的[9],當(dāng)比值小于2時(shí),為高地應(yīng)力地區(qū),根據(jù)地勘資料,木寨嶺隧道泥質(zhì)板巖和鈣質(zhì)板巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度平均值分別為8.71 MPa和24.18 MPa。據(jù)此分析,木寨嶺隧道處于高地應(yīng)力狀態(tài),極易變形。隧道某處開(kāi)挖掌子面斷面見(jiàn)圖1。
圖1 掌子面處圍巖斷面
本文使用Midas/GTS,分別對(duì)木寨嶺隧道的4種施工方法進(jìn)行數(shù)值模擬,4種施工方法分別為全斷面法、二臺(tái)階法、三臺(tái)階法及超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法。一般情況下,普遍認(rèn)為巖土體材料是彈塑性體,按照彈塑性理論來(lái)研究[10]。本文用有限元軟件來(lái)模擬隧道開(kāi)挖過(guò)程,圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的混凝土材料均為彈塑性性質(zhì),為使模型分析得到相應(yīng)簡(jiǎn)化,圍巖材料采用Mohr-Coulomb模型,混凝土材料按照線(xiàn)彈性本構(gòu)關(guān)系處理[11]。
根據(jù)圣維南原理,地下工程數(shù)值計(jì)算模型的范圍一般取開(kāi)挖斷面(跨度)的3~5倍[12],本文所選隧道實(shí)際斷面尺寸為7.4 m×8.3 m,是雙洞單線(xiàn)隧道,模擬計(jì)算時(shí)僅考慮單洞情況,不考慮另一線(xiàn)施工的影響,所以計(jì)算模型在x、y、z三個(gè)方向尺寸為52 m×36 m×30 m。隧道埋深約為150 m,根據(jù)自重應(yīng)力計(jì)算公式q=rh=18.5×150=2 775 kPa,為了便于模擬,故模擬時(shí)沿隧道軸向的前后面上施加27.16 MPa的均布荷載,橫向的左右面上施加16.17 MPa的均布荷載,而模型圍巖上部施加2.775 MPa的均布荷載。邊界條件為:底部加垂直于該面的法向約束,圍巖四周外邊界面加垂直圍巖面法向約束,上邊界為荷載自由邊界[13]。其計(jì)算模型如圖2所示。
圖2 4種工法計(jì)算模型
根據(jù)地勘和設(shè)計(jì)資料,模型圍巖采用實(shí)體單元,初襯及二襯均使用板單元模擬,其厚度分別為0.27 m與0.45 m,鋼拱架為I20b型鋼,間距1 m,采用梁?jiǎn)卧M,錨桿為φ22 mm砂漿錨桿,長(zhǎng)4 m,間距1.2 m×1.0 m,采用植入式桁架模擬,圍巖及其他材料的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003—2005)[14]選取并結(jié)合隧道圍巖實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,列于表1。
表1 數(shù)值模擬材料的物理力學(xué)參數(shù)
為了方便對(duì)比,所有工法都以距隧道進(jìn)洞口10 m處的隧道斷面作為計(jì)算結(jié)果提取斷面,隧道拱部和邊墻交匯點(diǎn)作為水平收斂結(jié)果提取點(diǎn)。將提取的4種工法的拱頂沉降及凈空收斂的計(jì)算結(jié)果作對(duì)比,來(lái)判斷隧道變形的程度。圖3與圖4分別為4種工法的拱頂沉降與凈空收斂的曲線(xiàn)。
圖3 拱頂沉降綜合曲線(xiàn)
圖4 凈空收斂綜合曲線(xiàn)
由圖3可知,全斷面法開(kāi)挖拱頂沉降增長(zhǎng)速率起初較小,開(kāi)挖至第20步,即開(kāi)挖至結(jié)果提取面時(shí),由于開(kāi)挖產(chǎn)生臨空面使圍巖土體局部卸載,洞周徑向應(yīng)力突變?yōu)榱?,土體原地應(yīng)力發(fā)生應(yīng)力重分布[15],拱頂沉降迅速增大,隨后沉降減小,在第30步,即結(jié)果提取斷面二襯封閉成環(huán)時(shí),沉降趨于穩(wěn)定,最終拱頂下沉為598.6 mm;二臺(tái)階法開(kāi)挖拱頂沉降速率一直較大,第30步時(shí),拱頂沉降趨于穩(wěn)定,最終拱頂下沉為237.1 mm;三臺(tái)階開(kāi)挖拱頂沉降速率先小后大,曲線(xiàn)有三處轉(zhuǎn)折:即第21步,對(duì)應(yīng)的施工階段是上臺(tái)階開(kāi)挖,沉降值為41.1 mm,占總沉降的18.3%;第31步,對(duì)應(yīng)施工階段是中臺(tái)階開(kāi)挖,沉降值為103.6 mm,占總沉降的46.2%;第41步,對(duì)應(yīng)施工階段是下臺(tái)階開(kāi)挖,沉降值為199.5 mm,占總沉降的89.0%,在第46步時(shí),沉降趨于穩(wěn)定,最終拱頂下沉為224.1 mm。由圖5可以看出,上臺(tái)階開(kāi)挖和中臺(tái)階開(kāi)挖占總沉降比較大,所以在開(kāi)挖前注意加強(qiáng)上、中臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù);超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法沉降速率一直較小,最終沉降值為66.2 mm。
圖5 各步開(kāi)挖沉降值對(duì)應(yīng)總沉降占比
由圖4可知,全斷面法在開(kāi)挖至結(jié)果提取面時(shí)收斂迅速增大,在二襯封閉成環(huán)時(shí),收斂趨于穩(wěn)定,最終收斂值為645.1 mm;二臺(tái)階開(kāi)挖,收斂速率一直較大,在開(kāi)挖至第27步時(shí)趨于穩(wěn)定,最終的收斂值為355.4 mm;三臺(tái)階法在開(kāi)挖前31步時(shí)收斂速率一直較小,隨后,收斂速率開(kāi)始迅速增大,這可能與中、下臺(tái)階開(kāi)挖有關(guān),開(kāi)挖至第46步時(shí),收斂趨于穩(wěn)定,最終收斂數(shù)值為338.7 mm;超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法在開(kāi)挖第36步時(shí)趨于穩(wěn)定,最終的收斂數(shù)值為82.1 mm。
總體來(lái)看,全斷面法開(kāi)挖時(shí)隧道變形最大,其次是二臺(tái)階法,三臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)隧道變形要小于二臺(tái)階法,可能是三臺(tái)階法的開(kāi)挖步驟較多,應(yīng)力釋放的較多,因此變形較小,超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法由于先開(kāi)挖導(dǎo)洞釋放部分應(yīng)力,所以隧道變形要小于其他施工方法。因此,超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法更適用于高地應(yīng)力軟巖隧道施工。
本文選取結(jié)果提取斷面上的10個(gè)特征點(diǎn):拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳、左右仰拱中部及仰拱拱底,作為結(jié)果提取點(diǎn),將提取的4種工法的第一主應(yīng)力P1與第三主應(yīng)力P3的計(jì)算結(jié)果作對(duì)比,來(lái)判斷隧道的受力情況。圖6分別為4種工法的第一主應(yīng)力P1沿?cái)嗝娣植紙D,4種工法的第三主應(yīng)力P3的計(jì)算結(jié)果列于表2。
圖6 第一主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(單位:MPa)
由表2和圖6可以看出,全斷面開(kāi)挖時(shí),隧道受到的應(yīng)力最大,且隧道應(yīng)力要遠(yuǎn)大于其他施工方法的應(yīng)力,從而說(shuō)明高地應(yīng)力隧道采用全斷面施工,隧道整體都會(huì)受到極大的應(yīng)力;二臺(tái)階法與三臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)隧道的受力情況類(lèi)似,數(shù)值較為接近,隧道受力較為均勻,仰拱處受力要小于全斷面法,除仰拱以外其他部位的應(yīng)力依然較大,但三臺(tái)階法的應(yīng)力要略小于二臺(tái)階法;超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法拱頂及拱肩處受力要大于仰拱的受力,但是超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法的應(yīng)力要小于其他施工方法,說(shuō)明在開(kāi)挖正洞前,先開(kāi)挖導(dǎo)洞釋放應(yīng)力,有利于高地應(yīng)力隧道的施工。總體來(lái)看,超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法隧道受力最小,最適合高地應(yīng)力隧道開(kāi)挖,其次是三臺(tái)階法與二臺(tái)階法。
表2 4種工法第三主應(yīng)力P3提取結(jié)果 MPa
本文選取結(jié)果提取斷面上的10個(gè)特征點(diǎn):拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳、左右仰拱中部及仰拱拱底,作為塑性區(qū)結(jié)果提取點(diǎn),列于表3中。
表3 塑性區(qū)提取結(jié)果 cm
由表3可以看出,4種工法塑性區(qū)除了超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法較小,其他都較大。全斷面法塑性區(qū)范圍最大;二臺(tái)階法塑性區(qū)主要分布在左右拱腰及左拱腳處,并且左拱腰的變形最大;三臺(tái)階法塑性區(qū)主要集中在仰拱處,且右仰拱拱腳處的變形較大,塑性區(qū)的范圍明顯要小于全斷面法,與二臺(tái)階法的塑性區(qū)范圍相當(dāng);超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法塑性區(qū)較小,且主要集中在仰拱處,其塑性區(qū)要遠(yuǎn)小于其他工法的塑性區(qū)。因此,單從塑性區(qū)的角度來(lái)看,超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法要優(yōu)于其他施工方法。
軟弱圍巖由于巖體及其破碎,其自穩(wěn)能力非常差,甚至無(wú)自穩(wěn)能力,隧道在高地應(yīng)力作用下極易發(fā)生大變形,常規(guī)的開(kāi)挖支護(hù)方法不能有效阻止其變形的發(fā)展。在高地應(yīng)力軟巖修建隧道,有時(shí)不得不選用一些特殊的開(kāi)挖支護(hù)方法。
根據(jù)文獻(xiàn)[16],在木寨嶺隧道里程為DYK178+010~DYK177+965布設(shè)了10個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,測(cè)得拱頂沉降平均值為230 mm,水平收斂平均值為348 mm。本文三臺(tái)階法開(kāi)挖數(shù)值模擬選取參數(shù)與實(shí)測(cè)處地質(zhì)參數(shù)一致,模擬拱頂沉降值為224.1 mm,相對(duì)值為2.63%,模擬水平收斂值為338.7 mm,相對(duì)值為2.75%。模擬所得變形值與實(shí)測(cè)值間相對(duì)誤差為2.63%、2.75%,模擬與實(shí)測(cè)值相差不大,表明此數(shù)值模擬能較準(zhǔn)確反映實(shí)際情況。
在木寨嶺隧道里程為DYK187+996~DYK188+036段進(jìn)行試驗(yàn),正洞擴(kuò)挖采用三臺(tái)階法。測(cè)量出超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖時(shí)變形平均值為106.0 mm,無(wú)超前導(dǎo)洞時(shí)變形平均值為145.3 mm,表明在高地應(yīng)力地質(zhì)條件下,超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法產(chǎn)生變形量比三臺(tái)階法要小很多[17]。
可以看出,全斷面法開(kāi)挖圍巖變形太大,超前導(dǎo)洞法圍巖變形小,但由于工序繁雜,技術(shù)要求高,在常規(guī)圍巖中采用較少。施工時(shí)根據(jù)斷面型式、地質(zhì)情況、施工經(jīng)驗(yàn)等選擇適宜的施工方法,把變形控制在設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。對(duì)于變形值非常大的隧道,在進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較后可采用超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法。
由以上結(jié)果對(duì)比分析,可以得出以下結(jié)論。
(1)隧道硐室開(kāi)挖,圍巖變形主要包括3個(gè)部分:開(kāi)挖前先行變形、掌子面變形和掌子面后方變形。通過(guò)對(duì)三臺(tái)階法數(shù)值模擬結(jié)果可以看出,上、中臺(tái)階的開(kāi)挖對(duì)圍巖變形影響比較大, 所以,在施工過(guò)程中應(yīng)注意加強(qiáng)上中臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)。
(2)通過(guò)提取塑性區(qū)結(jié)果可以看出,在隧道仰拱和拱腳位置處塑性區(qū)較大,所以,在隧道施工中應(yīng)加強(qiáng)仰拱支護(hù),如:在拱腳處加長(zhǎng)鎖腳錨管、加強(qiáng)仰拱鋼拱架和拱腰鋼拱架的連接。
(3)通過(guò)對(duì)4種施工方法數(shù)值模擬,可以看出隧道凈空收斂值都要大于拱頂沉降值,說(shuō)明在高地應(yīng)力軟巖隧道施工中,圍巖水平變形要大于垂直向變形。而且通過(guò)對(duì)三臺(tái)階法數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,可以看出二者比較接近,說(shuō)明此數(shù)值模擬的可行性,通過(guò)對(duì)模擬得到的圍巖受力和變形規(guī)律可以用于類(lèi)似工程指導(dǎo)施工。
(4)從數(shù)值模擬分析看,引起圍巖變形從小到大的順序是超前導(dǎo)洞法、三臺(tái)階法、二臺(tái)階法、全斷面法,施工時(shí)可根據(jù)斷面型式、地質(zhì)情況、施工經(jīng)驗(yàn)等選擇適
宜的施工方法,把變形控制在設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。對(duì)于變形值非常大的隧道,在進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較后可采用超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法施工。
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鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)2018年5期