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        基于圍巖變形特性的公路隧道初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

        2021-04-06 04:50:30王志福
        山東交通科技 2021年1期
        關(guān)鍵詞:主應(yīng)力拱頂間距

        王志福

        (山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司,山西 太原 030006)

        引言

        在隧道開(kāi)挖過(guò)程中,對(duì)一般較完整的巖體而言,無(wú)軟弱結(jié)構(gòu)面,圍巖的整體性強(qiáng)度較高,在開(kāi)挖過(guò)程對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的要求相對(duì)較低;而對(duì)于較破碎的軟弱圍巖,由于巖體裂隙發(fā)育,強(qiáng)度低,因其自穩(wěn)性較差對(duì)施工時(shí)的支護(hù)結(jié)構(gòu)的要求更高。因此考慮到支護(hù)成本以及施工安全的前提下尋找到最優(yōu)的支護(hù)參數(shù)成為許多學(xué)者的研究?jī)?nèi)容[1-3]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)值分析技術(shù)因其簡(jiǎn)潔、安全、計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域,而有限元法因其實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)已成為工程領(lǐng)域運(yùn)用最普遍的數(shù)值分析方法[4-5]。

        1 工程概況

        該隧道為一座三車(chē)道分離式長(zhǎng)隧道,隧道起訖樁號(hào)為右線K20+770—K23+340,長(zhǎng)2 570 m;設(shè)計(jì)路面標(biāo)高298.262(進(jìn)口)—208.266(出口)m,左線ZK20+630—ZK23+290,長(zhǎng)2 660 m;設(shè)計(jì)路面標(biāo)高 295.798(進(jìn)口)—208.289(出口)m。隧道所處地層為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)、三疊系下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)、三疊系中統(tǒng)雷口坡組(T2l)、三疊系上統(tǒng)須家河組(T3xj);主要巖性為泥巖、泥質(zhì)砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖、長(zhǎng)石巖屑砂巖、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、煤層、泥灰?guī)r、鹽溶角礫巖及石膏,巖體抗風(fēng)化能力差、自穩(wěn)能力差,施工風(fēng)險(xiǎn)較高,圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。

        圖1 隧道斷面尺寸/cm

        隧道尺寸見(jiàn)圖1,圍巖巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

        2 建立有限元模型

        根據(jù)圣維南原理,隧道開(kāi)挖以后圍巖發(fā)生應(yīng)力重分布,從而對(duì)隧道開(kāi)挖洞室周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)產(chǎn)生影響,對(duì)于離洞室深遠(yuǎn)處的圍巖影響可忽略不計(jì),即認(rèn)為所建立的模型邊界處的位移為零,所以一般隧道數(shù)值模型水平、豎直方向尺寸取3 ~5 倍洞跨距離[6-7],因此建立模型整體尺寸為100 m×100 m×30 m,除去上邊界外,其他邊界均設(shè)置法向約束,除上邊界其他三條邊界設(shè)置為位移約束,模型見(jiàn)圖2,初期支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表2。

        表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

        圖2 隧道模型網(wǎng)格

        3 結(jié)果分析

        3.1 錨桿長(zhǎng)度優(yōu)化分析

        在《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70—2010)中對(duì)錨桿長(zhǎng)度的規(guī)定,3車(chē)道隧道錨桿長(zhǎng)度不宜小于2.5 m,故在其他支護(hù)參數(shù)不變的情況下,取2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m、4.5 m、5.0 m 六種工況的錨桿長(zhǎng)度進(jìn)行分析,通過(guò)對(duì)比得出合理的錨桿長(zhǎng)度,支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表3。

        表3 錨桿長(zhǎng)度的六種工況支護(hù)參數(shù)

        工況1 下的圍巖最大、最小主應(yīng)力分布情況相應(yīng)云圖見(jiàn)圖3。

        圖3 工況1 下圍巖最大及最小主應(yīng)力分布云圖/kPa

        (1)由圖3(a)、(b)圍巖最大及最小主應(yīng)力分布云圖可知,工況1 下圍巖的最大拉應(yīng)力為3.534×105kPa,最大壓應(yīng)力為1.956×106kPa。(2)由圖(b)圍巖最小主應(yīng)力分布云圖可知,圍巖的最小壓應(yīng)力為7.635×103kPa,最大壓應(yīng)力為5.530×106kPa。收集六種工況下的圍巖最大及最小主應(yīng)力值見(jiàn)表4。

        表4 六種工況下圍巖最大及最小主應(yīng)力變化

        分析發(fā)現(xiàn):(1)隨著錨桿長(zhǎng)度從2.5 m 增至4.0 m,圍巖最大主應(yīng)力中的最大拉應(yīng)力逐漸增大,增幅為0.012×105kPa,之后隨著錨桿長(zhǎng)度的增加逐漸減小。(2)最大壓應(yīng)力隨著錨桿長(zhǎng)度的增加而減小,但減幅僅為0.011×106kPa。(3)錨桿長(zhǎng)度的變化對(duì)圍巖應(yīng)力的改變較小,隨圍巖應(yīng)力的改善作用不明顯。因此,分析隨著錨桿長(zhǎng)度隧道周邊圍巖變形變化情況,包括豎向、水平位移值變化情況,見(jiàn)圖4。

        圖4 不同工況下的圍巖位移變化

        分析圖4(a)發(fā)現(xiàn),隨著錨桿長(zhǎng)度的增加圍巖整體位移值呈逐漸較小的趨勢(shì)。錨桿長(zhǎng)度從2.5 m增至4.0 m 時(shí)圍巖拱頂沉降值減小了6.12 mm,仰拱隆起值減小了6.58 mm,之后隨著錨桿長(zhǎng)度增加至5.0 m 時(shí),拱頂沉降及仰拱隆起值僅分別減小了1.69 mm、1.64 mm,減小幅度變緩。

        考慮隧道修建的開(kāi)挖及材料成本,在隧道的圍巖和開(kāi)挖斷面一定時(shí),隧道每米開(kāi)挖成本相同,故此處只考慮支護(hù)的材料成本,計(jì)算六種工況下的隧道每平方米的成本[8]:

        式中:li—錨桿排距,默認(rèn)為1.0 m,梅花形布置錨桿,每排錨桿數(shù)為10 和9 交替,簡(jiǎn)化為10 根;Kj—單根錨桿總成本,元,其中,j=1,2,3,4,5,6(表示長(zhǎng)度分別為2.5 m,3.0 m,3.5 m,4.0 m,4.5 m,5.0 m,取值分別為36,40.5,45,49.5,54,58.5);mn—混凝土成本,默認(rèn)n=1,即混凝土等級(jí)為C20,取值為1 024 元/m)。

        計(jì)算得到六種工況每平方米錨桿支護(hù)成本分別為1 384、1 429、1 474、1 519、1 564、1 609 元,依次遞增,因此綜合分析成本及施工安全的前提下認(rèn)為工況4 即錨桿長(zhǎng)度選取4.0 m 時(shí)最優(yōu)。

        3.2 鋼拱架間距優(yōu)化分析

        在《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70—2010)中對(duì)鋼拱架的規(guī)定可知,鋼拱架支護(hù)設(shè)計(jì)間距宜為0.5~1.5 m。因此,對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行控制不變的情況下,對(duì)5 種工況的鋼拱架縱向間距進(jìn)行計(jì)算分析,通過(guò)對(duì)比得出合理的鋼拱架間距,鋼拱架設(shè)置工況見(jiàn)表5。

        表5 鋼拱架間距的五種工況支護(hù)參數(shù)

        分析隧道拱頂沉降、仰拱隆起及左右側(cè)水平位移隨著鋼拱架間距的變化曲線見(jiàn)圖5。

        圖5 不同工況下的圍巖位移變化

        (1)由圖5(a)可知隨著鋼拱架間距的增大,拱頂沉降及仰拱隆起值呈遞減的趨勢(shì),但兩者變化趨勢(shì)有所不同。拱頂沉降值隨著鋼拱架間距的增大幅度也逐漸變大,鋼拱架間距從0.5 m 增至1 m 過(guò)程中,拱頂沉降值增大了1.4 mm,而鋼拱架間距在增至1.5 m 時(shí)拱頂沉降增大了4.91 mm,增幅明顯增大;仰拱隆起值整體變化較小,且在鋼拱架間距從1.25 m增至1.5 m 時(shí)仰拱隆起幾乎未發(fā)生變化,可知鋼拱架間距的增加對(duì)仰拱處圍巖變形影響較小。(2)分析圖5(b)的圍巖的水平位移發(fā)現(xiàn),圍巖左右側(cè)水平位移變化與拱頂沉降隨鋼拱架間距的變化趨勢(shì)類(lèi)似,整體呈逐漸增大的趨勢(shì)且增大幅度也逐漸變大。因此綜合考慮成本及施工安全前提下,工況5 即鋼拱架間距選取1.25 m 時(shí)最優(yōu)。

        4 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)有限元分析軟件模擬某隧道不同支護(hù)方案下的圍巖應(yīng)力及變形特性,并對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。主要結(jié)論:(1)錨桿長(zhǎng)度的變化對(duì)圍巖應(yīng)力的改變較小,隨圍巖應(yīng)力的改善作用不明顯,對(duì)圍巖變形影響更顯著。(2)隨著錨桿長(zhǎng)度的增加圍巖整體位移值呈逐漸較小的趨勢(shì)。綜合考慮支護(hù)成本及施工安全的前提下錨桿長(zhǎng)度為4.0 m 最優(yōu)。(3)隨著鋼拱架間距的增大,拱頂沉降及仰拱隆起值呈遞減的趨勢(shì),但兩者變化趨勢(shì)有所不同,鋼拱架間距的增加對(duì)仰拱處圍巖變形影響較小。綜合考慮支護(hù)成本及施工安全的前提下鋼拱架間距為1.25 m 最優(yōu)。

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