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        超大斷面隧道工法轉(zhuǎn)換段支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性分析及安全性評(píng)價(jià)

        2021-06-04 07:50:40龐萬(wàn)李
        四川建筑 2021年2期
        關(guān)鍵詞:導(dǎo)坑工法側(cè)壁

        龐萬(wàn)李, 許 芃

        (1. 中鐵二局第六工程有限公司,四川成都610031; 2. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610031)

        球狀風(fēng)化火成巖地層大斷面隧道鉆爆法施工時(shí),采用單一的開挖方法很難滿足隧道安全、快速、經(jīng)濟(jì)施工,隨著工程地質(zhì)及周邊環(huán)境的變化,不同開挖工法的適應(yīng)性各不相同,所采取的開挖方法也要隨著轉(zhuǎn)化。

        本文使用FLAC3D有限差分軟件建立雙側(cè)壁導(dǎo)坑法向三臺(tái)階七步開挖法模型,模擬兩種工法開挖及工法之間轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)施工全過程。通過分析兩種工法及轉(zhuǎn)換段隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、安全系數(shù)等評(píng)判指標(biāo),進(jìn)一步分析兩種工法開挖特征以及施工工法的轉(zhuǎn)換對(duì)圍巖和隧道結(jié)構(gòu)的影響,從而判斷能否安全實(shí)現(xiàn)兩種工法的轉(zhuǎn)換,以期為超大斷面隧道施工提供相關(guān)借鑒價(jià)值和科學(xué)依據(jù)。

        1 工程簡(jiǎn)介

        廣東汕湛高速公路橫山隧道位于汕頭市潮陽(yáng)區(qū)河溪鎮(zhèn)華陽(yáng)上坑村附近。該隧道為一座分離式雙洞長(zhǎng)隧道,分左、右線呈直線型展布,總體軸線方向?yàn)槟蠔|約105 °。橫山左線隧道起訖樁號(hào)為L(zhǎng)K17+957~LK19+418,長(zhǎng)度為1 461 m;橫山右線隧道起訖樁號(hào)為K17+959~K19+409,長(zhǎng)度為1 450 m。隧道地面最大高程約為226 m,最大埋深約為140 m。公路等級(jí)為高速公路六車道,單洞三車道,設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h,界限寬度15.25 m,開挖斷面面積為131.74~170.93 m2。

        橫山隧道洞口段圍巖極破碎,遇水易軟化,巖石主要成分為全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,局部見中風(fēng)化花崗巖,圍巖級(jí)別V級(jí)。為確保進(jìn)洞施工安全,防止開挖暴露面積過大引起掌子面坍塌,進(jìn)洞口采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。當(dāng)隧道進(jìn)入淺埋段,需要在保證施工質(zhì)量的同時(shí)加快施工進(jìn)度,此時(shí)開挖工法轉(zhuǎn)換為三臺(tái)階七步開挖法。

        2 工法轉(zhuǎn)換段施工開挖

        在開挖模擬計(jì)算過程中,為方便模型計(jì)算,前半段擬采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法模擬開挖,以2 m為一個(gè)開挖步,后半段的三臺(tái)階七步開挖法考慮2 m的開挖進(jìn)尺為一個(gè)開挖步。按照對(duì)應(yīng)工法的工序開挖、支護(hù)交替,這樣不斷地循環(huán)來模擬整個(gè)隧道的開挖及支護(hù)過程。擬在垂直于隧道軸線、y=40 m處的開挖截面附近進(jìn)行兩種工法之間的轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換前后的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺(tái)階七步法開挖工序分別如圖1、圖2所示。

        圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖工序示意

        圖2 三臺(tái)階七步法開挖工序示意

        在未進(jìn)入三臺(tái)階預(yù)留核心土法前,支護(hù)全部按照雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法支護(hù)參數(shù)實(shí)施,進(jìn)入三臺(tái)階預(yù)留核心土法后支護(hù)則按三臺(tái)階預(yù)留核心土法支護(hù)參數(shù)施工。

        (1)雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法每步臺(tái)階距離保持2 m,三臺(tái)階預(yù)留核心土法每步臺(tái)階距離為2~3 m。

        (2)在施工過程中加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè),根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)決定是否采用臨時(shí)橫撐及臨時(shí)豎撐,并在施工前準(zhǔn)備好應(yīng)急的豎撐材料。

        (3)工法轉(zhuǎn)換期間,雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法和三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工中,每次進(jìn)尺一榀鋼拱架。

        (4)在開挖過程中,加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào),及時(shí)掌握掌子面前方地質(zhì)情況。

        (5)盡早拆除雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法的臨時(shí)鋼拱架,及時(shí)施作仰拱及二襯。

        3 模型建立與參數(shù)選取

        3.1 模型建立

        計(jì)算模型大小及邊界條件設(shè)置如下:水平方向自隧道中心線至模型兩邊取50 m,模型沿隧道縱向取80 m,埋深為40 m。兩側(cè)施加水平方向的位移約束,與隧道軸線垂直的前后兩側(cè)施加沿軸向的位移約束,底部邊界施加垂直方向的位移約束;由于隧道埋深為90 m,為方便計(jì)算,采用頂部施加覆土50 m高度均勻土層的自重荷載來簡(jiǎn)化模型,故模型埋深為40 m,不進(jìn)行位移約束。模型建立如圖3~圖5所示。

        圖3 三維整體計(jì)算模型

        圖4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道斷面及支護(hù)結(jié)構(gòu)

        圖5 三臺(tái)階預(yù)留核心土法隧道斷面及支護(hù)結(jié)構(gòu)

        3.2 參數(shù)選取

        初期支護(hù)為厚28 cm的噴射混凝土,二襯厚度為60 cm;計(jì)算中圍巖、二襯采用實(shí)體單元,為摩爾庫(kù)倫模型,初期支護(hù)采用Liner單元,臨時(shí)鋼支撐采用Shell單元進(jìn)行模擬,鋼拱架的作用采用等效剛度的方法考慮到初期支護(hù)中,初期支護(hù)和臨時(shí)鋼支撐采用線彈性模型。計(jì)算參數(shù)如表1所示。

        表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

        4 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形及安全性分析

        4.1 初期支護(hù)變形與受力分析

        隧道模擬開挖結(jié)束后,初期支護(hù)受力及變形如圖6~圖8所示。

        圖6 初期支護(hù)第一主應(yīng)力

        圖7 初期支護(hù)第三主應(yīng)力

        圖8 初期支護(hù)豎向位移

        由圖6~圖8可得,雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖時(shí)拱頂和仰拱處初期支護(hù)受力小于兩側(cè)拱腰處受力,拱頂豎向位移為-13.52 mm,仰拱豎向位移為19.98 mm;三臺(tái)階預(yù)留核心土法開挖時(shí)拱頂處初期支護(hù)受力要比仰拱處受力大得多,拱頂豎向位移為-17.37 mm,仰拱豎向位移為2.11 mm。究其原因是在雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖過程中,先開挖左右兩側(cè),初期支護(hù)受力相對(duì)較早;在三臺(tái)階預(yù)留核心土法開挖過程中,先開挖拱頂,最后開挖仰拱,預(yù)留核心土充分發(fā)揮了作用,圍巖應(yīng)力釋放更多,故初期支護(hù)受力較拱頂處要小得多。兩種工法相比較,工法轉(zhuǎn)換后初期支護(hù)受力相對(duì)變小,拱頂位移變形相差不大,仰拱位移變形要小得多,說明了工法轉(zhuǎn)換安全施工的可行性。

        4.2 二次襯砌變形與受力分析

        提取三個(gè)目標(biāo)斷面(z=20 m、40 m、60 m)處二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果,對(duì)比工法轉(zhuǎn)換斷面與前后兩種工法施作斷面結(jié)構(gòu)內(nèi)力沿截面分布情況,得出工法轉(zhuǎn)換對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響,如圖9~圖14所示。

        圖9 y=20 m處斷面二次襯砌彎矩(單位:kN·m)

        圖10 y=40 m處斷面二次襯砌彎矩(單位:kN·m)

        圖11 y=60 m處斷面二次襯砌彎矩(單位:kN·m)

        圖12 y=20 m處斷面二次襯砌軸力(單位:kN)

        圖13 y=40 m處斷面二次襯砌軸力(單位:kN)

        圖14 y=60 m處斷面二次襯砌軸力(單位:kN)

        根據(jù)圖9~圖11可知,z=20 m、40 m、60 m三個(gè)斷面二次襯砌彎矩分布規(guī)律基本相似,從拱頂往拱腳呈增大趨勢(shì),拱頂部位彎矩明顯小于其余部位;但在z=20 m、z=40 m處雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖支護(hù)完成后,在拆撐部位出現(xiàn)反彎點(diǎn),在z=60 m處三臺(tái)階七步法開挖支護(hù)后,拱肩、仰拱部位彎矩連續(xù)變化,未出現(xiàn)突變;從數(shù)值上來看,在右拱腰處彎矩值較小,分別為5.3 kN·m、3.8 kN·m、2.9 kN·m,左墻腳處較大,分別為315.9 kN·m、178.2 kN·m、100.1 kN·m,仰拱部位彎矩值也較大,分別為138.9 kN·m、96.3 kN·m、53.0 kN·m;根據(jù)圖12~圖14可知,z=20 m、40 m、60 m三個(gè)斷面初支軸力分布規(guī)律基本相似,斷面左右兩側(cè)、拱頂和仰拱處軸力值較大,軸力分布左右側(cè)在數(shù)值上稍有差別,這是因?yàn)閿嗝孀笥议_挖步驟不同導(dǎo)致;從數(shù)值上來看,三個(gè)斷面在拱頂處軸力值分別為2 149.6 kN、822.3 kN、490.3 kN,仰拱處分別為2 324.2 kN、1 428.9 kN、1 340.0 kN;可以看出工法轉(zhuǎn)換對(duì)結(jié)構(gòu)軸力有一定的影響。

        4.3 安全性分析

        由圖15~圖17可知,從全截面上來看,三臺(tái)階七步法初支安全系數(shù)大于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法,兩種工法施作結(jié)構(gòu)各截面均能滿足規(guī)范要求,說明結(jié)構(gòu)是安全的;兩種不同開挖工況下,安全系數(shù)均在墻腳仰拱附近處最小,雙側(cè)壁導(dǎo)坑法為7.9,三臺(tái)階七步法為37.1,工法轉(zhuǎn)換段為24.9。從結(jié)構(gòu)安全角度來說,能安全實(shí)行雙側(cè)壁導(dǎo)坑與三臺(tái)階七步法的轉(zhuǎn)換。在施工中,對(duì)于采用不同的工法時(shí),著重監(jiān)測(cè)安全系數(shù)最小的部位,尤其要注意加強(qiáng)對(duì)工法轉(zhuǎn)換段的監(jiān)測(cè)工作。

        圖15 y=20 m處斷面安全系數(shù)

        圖16 y=40 m處斷面安全系數(shù)

        圖17 y=60 m處斷面安全系數(shù)

        5 結(jié)論

        本文針對(duì)橫山隧道中采用的兩種工法及工法轉(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)問題,采用FLAC3D有限差分軟件對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與三臺(tái)階七步開挖法工法轉(zhuǎn)換前后的施工過程進(jìn)行了模擬,對(duì)比分析了轉(zhuǎn)換段與前后工法段支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的力學(xué)響應(yīng),研究?jī)煞N工法的適應(yīng)性及轉(zhuǎn)換技術(shù),研究發(fā)現(xiàn):

        (1)轉(zhuǎn)換段初支結(jié)構(gòu)所受內(nèi)力分布規(guī)律和數(shù)值大小與轉(zhuǎn)換前后段只有細(xì)微變化,工法轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響較小,從全截面上來看,轉(zhuǎn)換段初支結(jié)構(gòu)安全系數(shù)略小于轉(zhuǎn)換前后,但兩種工法及工法轉(zhuǎn)換段施作結(jié)構(gòu)各截面均能滿足規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)安全。在施工中,對(duì)于采用不同的工法時(shí),著重監(jiān)測(cè)安全系數(shù)最小的部位,尤其要注意加強(qiáng)對(duì)工法轉(zhuǎn)換段的監(jiān)測(cè)工作。

        (2)綜上所述,根據(jù)橫山隧道實(shí)際地質(zhì)條件,可考慮在洞口淺埋段采用雙側(cè)壁法施工,通過洞口破碎段之后可考慮轉(zhuǎn)換為三臺(tái)階七步法施工。通過對(duì)轉(zhuǎn)換段的圍巖應(yīng)力場(chǎng)、初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力及安全系數(shù)和洞周位移分析,發(fā)現(xiàn)通過工法轉(zhuǎn)換段時(shí)雖對(duì)圍巖有著一定的擾動(dòng),但與前后工法斷面各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比,均顯示能夠安全穩(wěn)定通過工法轉(zhuǎn)換段。需要注意的是,通過工法轉(zhuǎn)換段時(shí),必須嚴(yán)格按照轉(zhuǎn)換段施工過渡步驟,快速通過,規(guī)范施工。

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