吳文琦 嚴盛強
隨著山區(qū)高速公路建設(shè)的不斷深入,公路建設(shè)中將遇到各種復(fù)雜地形,如偏壓,溝谷等地形。當(dāng)這些復(fù)雜地形位于隧道洞口或洞身淺埋段時,如仍采用傳統(tǒng)隧道結(jié)構(gòu)形式,往往會導(dǎo)致洞口或洞身淺埋段高邊坡、大開挖的問題,不利于隧道洞口邊仰坡的穩(wěn)定,也與目前國家提倡的綠色、生態(tài)公路理念相違背。而如果在這些復(fù)雜地形條件下采用半明半暗的隧道結(jié)構(gòu)形式,往往能有效的減少開挖,從而極大的降低邊仰坡開挖高度,盡可能的保持洞口或洞身淺埋段原有自然環(huán)境,將更多的土地還給大自然,實現(xiàn)綠色生態(tài),美麗公路的理念。
本文依托浙江某在建高速公路隧道工程實例,通過數(shù)值模擬分析,對施工階段不同地形條件下隧道半明半暗結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行研究,得到影響隧道半明半暗結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素,為隧道在不同地形條件下半明半暗的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。
隧道半明半暗結(jié)構(gòu)的主要施工步驟為:①明挖部分邊坡開挖及防護;②明挖部分混凝土護拱澆筑;③暗挖部分隧道洞內(nèi)開挖;④暗挖部分隧道隧道支護。施工階段結(jié)構(gòu)受力最不利時刻應(yīng)發(fā)生在隧道暗洞開挖后,隧道支護還未來得及施做時的階段,也就是第三步完成后的這一階段。因此本研究重點分析這一階段的結(jié)構(gòu)受力特點。
本研究應(yīng)用數(shù)值仿真技術(shù),通過ABAQUS軟件,對不同地形條件下隧道半明半暗結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行數(shù)值仿真分析。
2.1.1 計算模型
本文數(shù)值模擬針對明挖部分混凝土護拱和暗挖部分山體采用線彈性模型[1],但賦予兩種不同的材料參數(shù),其中混凝土護拱模型E=19×109Pa,v=0.2,山體模型E=200×106Pa,v=0.3。荷載主要考慮混凝土結(jié)構(gòu)和山體的自重荷載以及施工階段施工人員的人行荷載。
圖1是幾何模型的網(wǎng)格劃分圖,尺寸為50m×60m(高×寬),隧道開挖斷面寬13.2m,高10.5m。圖中可以看出原地面位于隧道拱肩(靠近拱頂)位置,原地面以上拱頂部分為混凝土護拱,下部為暗挖部分山體。該模型即為完成護拱澆筑及暗洞開挖后的結(jié)構(gòu)模型。
圖1 原地面位于隧道拱肩處模型網(wǎng)格劃分圖
2.1.2 計算結(jié)果分析
圖2反映了原地面位于靠近隧道拱頂處,隧道半明半暗結(jié)構(gòu)在暗洞開挖后的總體受力情況,圖中不難發(fā)現(xiàn)在混凝土護工兩側(cè)拱腳處有應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大主應(yīng)力達到1.65×105Pa。另外,與護拱接觸部分山體并一直向下延伸至兩側(cè)邊墻范圍,有較明顯的受力情況,最大主應(yīng)力約為4.15×104Pa,位于拱腰位置??紤]到巖土材料相對混凝土材料具有高度的非連續(xù)性、非均勻性和各向異性等鮮明的地質(zhì)特征[2],拱腰附近山體的穩(wěn)定性更應(yīng)受到重視。
圖2 原地面位于隧道拱肩處應(yīng)力分布圖
2.2.1 計算模型
圖3是幾何模型的網(wǎng)格劃分圖,混凝土和山體的材料特性及荷載工況均與2.1.1模型相同。模型尺寸為50m×60m(高×寬),隧道開挖斷面寬13.2m,高10.5m。圖中可以看出原地面位于隧道拱腰(靠近拱腳)位置,原地面以上拱頂部分為混凝土護拱,下部為暗挖部分山體。該模型即為完成護拱澆筑及暗洞開挖后的結(jié)構(gòu)模型。
圖3 原地面位于隧道拱腰處模型網(wǎng)格劃分圖
2.2.2 計算結(jié)果分析
圖4反映了原地面位于隧道拱腰處,隧道半明半暗結(jié)構(gòu)在暗洞開挖后的總體受力情況,圖中不難發(fā)現(xiàn)在混凝土護工兩側(cè)拱腳處有應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大主應(yīng)力達到9.14×104Pa。另外,與護拱接觸部分山體并一直向下延伸至兩側(cè)邊墻范圍,有較明顯的受力情況,最大主應(yīng)力約為3.06×104Pa,位于拱腳位置??紤]到巖土材料相對混凝土材料具有高度的非連續(xù)性、非均勻性和各向異性等鮮明的地質(zhì)特征,拱腳附近山體的穩(wěn)定性更應(yīng)受到重視。
2.3.1 計算模型
圖4原地面位于隧道拱腰處應(yīng)力分布圖
圖5 是幾何模型的網(wǎng)格劃分圖,混凝土和山體的材料特性及荷載工況均與2.1.1模型相同。模型尺寸為50m×60m(高×寬),隧道開挖斷面寬13.2m,高10.5m。圖中可以看出原地面為偏壓地形,左側(cè)位于隧道拱腰位置,右側(cè)位于隧道拱肩位置。原地面以上拱頂部分為混凝土護拱,下部為暗挖部分山體。該模型即為完成護拱澆筑及暗洞開挖后的結(jié)構(gòu)模型。
圖5 原地面偏壓模型網(wǎng)格劃分圖
2.3.2 計算結(jié)果分析
圖6反映了原地面為偏壓地形時,隧道半明半暗結(jié)構(gòu)在暗洞開挖后的總體受力情況,圖中不難發(fā)現(xiàn)在混凝土護工在原地面位于隧道拱肩一側(cè)有應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大主應(yīng)力達到1.67×105Pa。另外,原地面位于隧道拱肩一側(cè)山體并一直向下延伸至拱腳范圍,有較明顯的受力情況,最大主應(yīng)力約為4.18×104Pa,最大主應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰位置??紤]到巖土材料相對混凝土材料具有高度的非連續(xù)性、非均勻性和各向異性等鮮明的地質(zhì)特征,原地面位于隧道拱肩一側(cè)山體的穩(wěn)定性更應(yīng)受到重視。
圖6 原地面偏壓應(yīng)力分布圖
本文以浙江某在建高速公路隧道項目為工程依托,該隧道全長2965m,隧道按規(guī)定的遠期交通量設(shè)計,均采用雙洞單向行車雙車道型式(上下行分離),設(shè)計速度100km/h。隧道在靠近進口的洞身段穿越一處淺埋溝谷地形,已知地表最低處傾入隧道開挖輪廓內(nèi)約1.5m。
該淺埋段地表為低丘斜坡及溝谷地貌,正交隧道溝谷內(nèi)溪溝發(fā)育,斜坡表部分布含黏性土碎石,厚度約1m,溝底中風(fēng)化基巖直接出露,基巖巖性為凝灰質(zhì)砂巖,紫灰色,中厚層狀,巖質(zhì)較堅硬,巖體完整性一般,呈碎裂狀。順溝節(jié)理158°∠42°發(fā)育。
設(shè)計根據(jù)現(xiàn)場實際地形及地質(zhì)情況,最終采用半明半暗襯砌結(jié)構(gòu),即在隧道露頭段先設(shè)置護拱,再隧道內(nèi)暗洞正常開挖并支護的方法進行施工,設(shè)計圖紙如圖7。根據(jù)本文第2部分的研究結(jié)論,設(shè)計針對該半明半暗結(jié)構(gòu)的薄弱部位,對護拱拱腳通過擴大基礎(chǔ)的方法進行了加固,對與護拱拱腳接觸的山體,通過鎖腳錨桿進行加固,并加強護拱與山體間的連接。
圖7 隧道半明半暗結(jié)構(gòu)設(shè)計圖
目前該淺埋段已完成隧道明挖段護拱混凝土的澆筑,洞內(nèi)開挖及支護,隧道施工已順利通過該淺埋露頭段,如圖8。
圖8 隧道半明半暗結(jié)構(gòu)現(xiàn)場照片
(1)隧道半明半暗段結(jié)構(gòu),既要考慮明挖部分護拱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,也要考慮到暗挖部分山體的穩(wěn)定性,并將兩者作為一個整體研究其穩(wěn)定性。
(2)明挖部分混凝土護拱的拱腳位置在荷載作用下易產(chǎn)生應(yīng)力集中,設(shè)計中可考慮加大護拱拱腳,采用擴大基礎(chǔ)的方法加強拱腳位置的穩(wěn)定性。
(3)與護拱接觸的山體并一直向下延伸一定范圍,有較明顯的受力情況??紤]到巖土材料相對混凝土材料具有高度的非連續(xù)性、非均勻性和各向異性等鮮明的地質(zhì)特征,護拱拱腳下部山體的穩(wěn)定性更應(yīng)受到重視。該部位山體可通過護拱拱腳的鎖腳錨桿進行加固。
(4)當(dāng)原地面為一側(cè)位于拱肩,一側(cè)位于拱腰處,即為偏壓地形時,原地面位于隧道拱肩一側(cè)山體在荷載作用下的應(yīng)力更大,該位置的穩(wěn)定性更應(yīng)受到重視。
(5)對比相同荷載作用下,原地面分別位于拱肩和拱腰處,兩種半明半暗結(jié)構(gòu)的應(yīng)力大小不難發(fā)現(xiàn),原地面位于拱肩處時,隧道半明半暗結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要更差。這是因為當(dāng)原地面位于拱肩處是,護拱拱腳處山體再受到壓應(yīng)力的同時還受到一定的剪應(yīng)力(該理論需在下階段研究中進一步論證)。而巖體能承受的最大剪應(yīng)力遠小于最大壓應(yīng)力[3],因此,當(dāng)原地面位于隧道拱肩(靠近拱頂)處時,隧道半明半暗結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更應(yīng)引起重視。
[1]DS系統(tǒng)SIMULIA大中華區(qū)Abaqus中國區(qū)技術(shù)團隊.Abaqus經(jīng)典例題集[M].機械工業(yè)出版社,2016.
[2]李洋洋.恩施地區(qū)志留系砂巖基于分形理論的巖體質(zhì)量評價研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)(武漢),2010.
[3]陽生權(quán).巖體力學(xué)[M].機械工業(yè)出版社,2012.