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        基于有限元的三臺(tái)階仰拱初支技術(shù)

        2021-02-28 11:05:20馮仁科秦金德喬建剛
        北方交通 2021年2期
        關(guān)鍵詞:安全系數(shù)臺(tái)階圍巖

        馮仁科,彭 斌,秦金德,喬建剛

        (1.山西省公路局陽泉分局 陽泉市 045000; 2.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院 天津市 300401;3.蒙西華中鐵路股份有限公司 北京市 100071)

        0 引言

        受地質(zhì)構(gòu)造影響,目前隧道施工亟待解決的技術(shù)難題主要為大斷面軟巖隧道的開挖施工技術(shù)[1]。通常大斷面軟巖隧道經(jīng)過方案比選后會(huì)選用三臺(tái)階分布交錯(cuò)開挖法進(jìn)行施工,由于開挖步序繁瑣,多次開挖對圍巖以及已支護(hù)段的擾動(dòng)明顯,同時(shí)初支閉合落后掌子面較多,未能及時(shí)封閉成環(huán),造成初期支護(hù)出現(xiàn)開裂,支護(hù)變形出現(xiàn)明顯的異常加速,圍巖變形沒有得到有效控制,臺(tái)階接長和落腳部位作為初期支護(hù)薄弱環(huán)節(jié)變形最為明顯。因此,對三臺(tái)階分步交錯(cuò)開挖法進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化和調(diào)整,得到三臺(tái)階仰拱初支快速封閉施工技術(shù)。再通過Midas/GTS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析,對兩種開挖方法下圍巖的變形、塑性區(qū)的發(fā)展、初支內(nèi)力及二襯安全系數(shù)進(jìn)行分析。

        劉瑞斌[2]運(yùn)用三維有限元模擬的方法測算初支圍巖壓力、二次襯砌背后水壓、接觸壓力和鋼拱架受力;張成良等[3]對大斷面軟弱圍巖隧道巖體的變形規(guī)律與初支時(shí)機(jī)之間的關(guān)系進(jìn)行了分析;朱衛(wèi)東[4]利用有限元模擬的方式得出三臺(tái)階法施工后的隧道襯砌和圍巖受力及變形特征。以上軟巖隧道工程的研究均存在以下兩個(gè)特點(diǎn):多次對既有圍巖進(jìn)行擾動(dòng),圍巖擾動(dòng)所產(chǎn)生的應(yīng)力變化對施工安全影響較大,且直觀上無法判定;無法做到圍巖快速封閉,超前支護(hù)效果不佳等問題突出。因此,通過理論分析及有限元數(shù)值模擬,對優(yōu)化改進(jìn)后的三臺(tái)階仰拱初支快速封閉施工技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用效果分析。

        1 三臺(tái)階仰拱初支技術(shù)方案及模型建立

        1.1 三臺(tái)階仰拱初支技術(shù)定義

        三臺(tái)階仰拱初支技術(shù)是通過優(yōu)化改進(jìn)經(jīng)方案比選后得出的三臺(tái)階分步交錯(cuò)開挖法得到的,能實(shí)現(xiàn)仰拱初支緊跟、隧道初期支護(hù)整體盡早閉合成環(huán),做到了開挖、支護(hù)工序銜接緊湊的一種軟巖隧道開挖法。開挖縱斷面如圖1所示。

        圖1 改進(jìn)后三臺(tái)階開挖縱斷面示意圖

        1.2 兩種三臺(tái)階法的區(qū)別

        通過現(xiàn)場實(shí)際施工情況分析,三臺(tái)階分布交錯(cuò)開挖法在隧道的施工過程中,由于開挖步序繁瑣,多次開挖對圍巖以及已支護(hù)段的擾動(dòng)明顯,同時(shí)初支閉合落后掌子面較多,未能及時(shí)封閉成環(huán),造成初期支護(hù)出現(xiàn)開裂,支護(hù)變形出現(xiàn)明顯的異常加速,圍巖變形沒有得到有效控制,臺(tái)階接長和落腳部位作為初期支護(hù)薄弱環(huán)節(jié)變形最為明顯。因此,可認(rèn)為在馬灣隧道施工中,三臺(tái)階分步交錯(cuò)開挖不能滿足施工要求。為實(shí)現(xiàn)仰拱初支緊跟、隧道初期支護(hù)整體盡早封閉成環(huán),開挖、支護(hù)工序適時(shí)緊湊,需對此開挖方法進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化和調(diào)整,即:三臺(tái)階仰拱初支術(shù)。

        1.3 有限元模型建立

        將馬灣隧道里程DK846+260~+320段(60m)作為研究對象,隧道周圍主要為第四系全新統(tǒng)(Q4)、下元古界劉嶺組Pt11圍巖,受斷裂構(gòu)造影響,巖體較為破碎,節(jié)理較發(fā)育,屬Ⅴ級圍巖。根據(jù)先前提出的三臺(tái)階交錯(cuò)分步開挖法和優(yōu)化改進(jìn)后的三臺(tái)階仰拱初支開挖法進(jìn)行數(shù)值模擬對比分析結(jié)果,利用大型有限元軟件繼續(xù)對三臺(tái)階仰拱初支開挖法在馬灣隧道的應(yīng)用效果分析。故建立隧道模型:模型左右兩側(cè)距隧道中心線3倍洞徑,取值約35m,自底部向下取25m,頂部取至地表,模型長60m。該模型共有68880個(gè)單元,64599個(gè)節(jié)點(diǎn)。

        (1)模型圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)(表1)

        表1 圍巖和襯砌參數(shù)

        (2)基本假定

        ①所有土體為均質(zhì)的、各向同性的。

        ②初始地應(yīng)力在模型計(jì)算時(shí)只考慮土體自重應(yīng)力,不考慮地下水及圍巖構(gòu)造應(yīng)力的影響[5-7]。

        2 模擬施工步驟

        建立模型施加自重應(yīng)力,邊界條件計(jì)算平衡,進(jìn)行如下開挖步的計(jì)算[8]:

        (1)地應(yīng)力平衡,位移清零。

        (2)通過改變土體屬性,模擬超前支護(hù)。

        2.2.2 混合對照品溶液的制備 精密稱取龍腦對照品、水楊酸甲酯對照品各適量,加乙酸乙酯溶解,制成含龍腦、水楊酸甲酯質(zhì)量濃度均為0.1 mg/mL的混合對照品溶液。

        (3)開挖上臺(tái)階,循環(huán)進(jìn)尺為1m,考慮施作初支的時(shí)空效應(yīng),應(yīng)力釋放40%,計(jì)算平衡;施作上臺(tái)階初期支護(hù)(板單元模擬),應(yīng)力釋放30%,計(jì)算平衡;待開挖下一循環(huán)上臺(tái)階時(shí),釋放剩余30%應(yīng)力。

        (4)上臺(tái)階開挖5m后,中臺(tái)階同步開挖,循環(huán)進(jìn)尺1m,應(yīng)力釋放40%,計(jì)算平衡;施作中臺(tái)階初支,釋放應(yīng)力30%,計(jì)算平衡;待開挖下一循環(huán)中臺(tái)階時(shí),釋放剩余30%應(yīng)力。

        (5)中臺(tái)階開挖12m后,下臺(tái)階及仰拱同步開挖,釋放應(yīng)力40%,計(jì)算平衡;施作仰拱初支,初支閉合,釋放應(yīng)力30%,計(jì)算平衡;待開挖下一循環(huán)下臺(tái)階時(shí),釋放剩余30%應(yīng)力。

        (6)施作二襯(板單元模擬)[9]。

        主要步驟示意圖如圖2所示。

        圖2 主要施工步驟示意圖

        3 三臺(tái)階仰拱初支開挖法數(shù)值模擬分析

        根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,建立三維模型分析三臺(tái)階仰拱初支開挖法在馬灣隧道中的應(yīng)用情況。

        3.1 變形分析

        (1)豎向位移分析

        為消除邊界效應(yīng),選取模型中部的斷面,對圍巖變形進(jìn)行對比分析。隧道開挖結(jié)束后,由圍巖豎向變形云圖可知,采用三臺(tái)階仰拱初支開挖時(shí),隧道最大豎向變形為33.2mm。

        隨著隧道的開挖,累計(jì)變形持續(xù)發(fā)展,拱頂沉降及周邊收斂隨開挖步的變化均處于施工安全范圍內(nèi)。

        采用三臺(tái)階仰拱初支開挖時(shí),隧道最大水平變形為21.3mm,隧道最大跨度處相對水平收斂為35.4mm。測點(diǎn)如圖3所示。

        圖3 水平收斂測點(diǎn)示意圖

        (3)整體位移分析

        隧道開挖后拱頂沉降最大值、地表沉降最大值及最大跨度處水平收斂值見表2所示。

        表2 兩種施工方法引起圍巖變形對比表

        綜合看來,無論是豎向位移還是水平位移,在馬灣隧道中,三臺(tái)階仰拱初支開挖法均較小。說明在馬灣隧道軟弱圍巖施工中,初支及早封閉成環(huán)對圍巖變形的控制具有十分明顯的效果。

        3.2 初支應(yīng)力分析

        選取模型中部典型斷面分析,由有限元軟件系統(tǒng)導(dǎo)出的主應(yīng)力云圖可知,初支最小主應(yīng)力均出現(xiàn)在拱頂位置。采用三臺(tái)階仰拱初支開挖時(shí),最小主應(yīng)力為13.8MPa,表現(xiàn)為受壓;最大主應(yīng)力為1.08MPa,出現(xiàn)在拱腰位置,表現(xiàn)為受拉。

        針對兩種開挖方案的初支軸力進(jìn)行斷面分析,均表現(xiàn)為壓力,出現(xiàn)在拱頂位置。三臺(tái)階分步交錯(cuò)開挖時(shí)的最大值為1188.65kN;三臺(tái)階仰拱初支開挖時(shí)的最大值為1279.43kN。統(tǒng)計(jì)如表3所示。

        表3 兩種支護(hù)方案最大初支軸力值統(tǒng)計(jì)(單位:kN)

        3.3 二襯安全系數(shù)分析

        選取二襯全環(huán)進(jìn)行分析,斷面特征點(diǎn)如圖4所示,并通過計(jì)算求得兩種開挖方法下的二襯結(jié)構(gòu)典型位置安全系數(shù)。

        各特征點(diǎn)安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)如表4、表5所示。

        圖4 二襯斷面特征點(diǎn)示意圖

        表4 三臺(tái)階分步交錯(cuò)開挖法典型位置安全系數(shù)表

        表5 三臺(tái)階仰拱初支開挖法典型位置安全系數(shù)表

        對二襯的安全系數(shù)影響不大,且均滿足要求,在不考慮其他影響因素的情況下,兩種方法均可用于馬灣隧道的開挖。

        通過上述馬灣隧道數(shù)值模擬分析可知,采用三臺(tái)階仰拱初支開挖法施工,初支閉合較早,能有效減小圍巖的變形;同時(shí)能夠控制圍壓塑性區(qū)的發(fā)展,初支軸力及彎矩略大于分步交錯(cuò)開挖法,但差距不大,不影響初支結(jié)構(gòu)安全;二襯安全系數(shù)均滿足要求。三臺(tái)階仰拱初支開挖法滿足隧道開挖。

        數(shù)值模擬的分析結(jié)果與實(shí)際情況存在著一定的差距,因?yàn)閿?shù)值模擬對施工概況的模擬較為簡單,現(xiàn)場情況則更為復(fù)雜,但是在其他條件同等情況下,通過模擬兩種不同開挖方法時(shí),其對比結(jié)果具有一定的參考意義,可為研究人員提供一定的借鑒。

        4 結(jié)論

        (1)三臺(tái)階仰拱初支快速封閉施工控制技術(shù)能實(shí)現(xiàn)仰拱初支緊跟、隧道初期支護(hù)整體盡早閉合成環(huán),做到了開挖、支護(hù)工序銜接緊湊。

        (2)在有限元數(shù)值模擬分析中,采用三臺(tái)階仰拱初支快速封閉施工時(shí),隧道最大豎向變形為33.2mm,拱頂沉降及周邊收斂隨開挖步的變化均處于施工安全范圍內(nèi);初支最大拉應(yīng)力為1.08MPa,最大壓應(yīng)力為13.8MPa;對二襯的安全系數(shù)影響不大,均符合施工要求,保證隧道安全施工。

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