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        公路掛壁隧道圍巖穩(wěn)定性研究

        2021-11-27 06:09:54黃康
        工程技術(shù)與管理 2021年15期
        關(guān)鍵詞:圍巖

        黃康

        重慶交通大學(xué),中國·重慶 400074

        1 引言

        20世紀(jì)60年代中國山區(qū)勞動人民為走出深山,在無現(xiàn)代機(jī)械的情況下,僅憑鋼釬和鐵錘在太行山近90°峭壁上開鑿出了30 多個“窗口”,由此形成工作面人工開挖長達(dá)數(shù)公里的掛壁公路。曾經(jīng)的“窗口”目的在于形成工作面、自然通風(fēng)及采光、傾倒挖出的石渣;如今這些“窗口”成為各地游客游覽的觀景臺。其修建沒有國家規(guī)范作為指導(dǎo),也缺乏詳盡的工程地質(zhì)與水文資料,更沒有科學(xué)研究作為基礎(chǔ)。目前國際上對此類結(jié)構(gòu)研究較少,論文將對此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,為未來的相似工程提供參考。

        2 研究背景

        中國山區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)一側(cè)緊鄰山體,另一側(cè)是河流深谷的路段,多以路基的形式修建,在建設(shè)期間需要大面積刷坡,形成多級高邊坡,此種方式建設(shè)成本高,對環(huán)境保護(hù)不利,運(yùn)營期間落石掉落導(dǎo)致交通中斷[1]。中國西南地區(qū)多為厚層石灰?guī)r,巖質(zhì)堅硬,山中村民為解決出行煩惱,在沒有國家規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo),缺乏詳細(xì)的工程地質(zhì)、地貌和水文資料的情況下,僅憑對家鄉(xiāng)的了解,對掛壁隧道進(jìn)行選線,在沒有施工機(jī)械、不敢大規(guī)模使用炸藥的情況下,利用繩索懸掛在巖壁,用鐵鍬鑿開巖壁制造施工平臺,進(jìn)入到山體內(nèi)部后再利用鐵錘和鋼釬慢慢掘進(jìn),最終形成在臨空側(cè)間隔開洞的半山洞路基和類棚洞相結(jié)合的掛壁隧道[2,3]。

        3 數(shù)值模型建立

        針對掛壁隧道的特殊位置、開窗位置及圍巖條件,利用FLAC3D 有限差分軟件對掛壁隧道在不同傾斜度下位移、圍巖應(yīng)力和塑性區(qū)等方面進(jìn)行數(shù)值模擬,分析其變化規(guī)律。

        3.1 計算模型及邊界條件

        隧道寬7.2m,高度為7m;側(cè)壁窗口為寬5m,高6m 的矩形,厚2m。在水平方向上取60m;在垂直方向上取120m;在縱深方向上,模型長度取50m。傾斜度為80°和90°。

        3.2 計算參數(shù)

        圍巖按照實際掛壁隧道情況未進(jìn)行支護(hù),圍巖材料按照J(rèn)TG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范》第一冊土建工程選取,見表1。

        表1 模型物理力學(xué)參數(shù)

        4 結(jié)果分析

        4.1 開挖圍巖應(yīng)力分析

        拱頂最大主應(yīng)力隨巖壁傾斜度i 的增加變化較小,開挖完成后最大主應(yīng)力值均為正值,表現(xiàn)為拉應(yīng)力;拱頂最小主應(yīng)力隨掌子面推進(jìn)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,在第一個側(cè)壁開洞完成后,由于開挖卸荷的原因?qū)е伦钚≈鲬?yīng)力減小約800KPa,最終為負(fù)值,表現(xiàn)為壓應(yīng)力,開挖結(jié)束后的應(yīng)力值相差較小,表明崖壁傾斜度對拱頂最小主應(yīng)力的影響較小。當(dāng)i =90°時,臨空側(cè)邊墻最小主應(yīng)力值為-3.8MPa,靠山側(cè)邊墻為-2.4MPa,由于臨空面的存在,使得臨空側(cè)邊墻最小主應(yīng)力比靠山側(cè)邊墻大(見圖1)。

        圖1 不同巖壁傾斜度圍巖最大主應(yīng)力云圖

        4.2 開挖圍巖位移分析

        由圖2可知,隨巖壁傾斜度的增大,主隧道拱頂沉降區(qū)域和側(cè)壁洞頂沉降區(qū)域由孤立的兩個區(qū)域逐漸聯(lián)通為一個整體,表明這一區(qū)域有整體下移的趨勢,數(shù)值也與巖壁傾斜度正相關(guān);巖壁傾斜度的增加對靠山側(cè)邊墻橫向位移區(qū)域有明顯增大趨勢。靠山側(cè)邊墻橫向位移與巖壁傾斜度呈正向關(guān)系,巖壁傾斜度為90°時位移達(dá)最大值,為0.74mm;臨空側(cè)邊墻位移隨開挖進(jìn)尺增加逐漸增大,在前兩個側(cè)壁開挖時位移有所減小,后繼續(xù)增大,第二個側(cè)壁開挖后位移逐漸穩(wěn)定,最大值為i=90°時,為0.66mm。

        圖2 不同側(cè)壁洞寬圍巖橫向位移云圖

        巖柱的橫向位移受巖壁傾斜度的影響不大,側(cè)壁開洞對其位移增大有減緩趨勢。側(cè)壁洞頂位移在開挖至24m 時位移大幅增加,后變化速率逐漸減小,且與巖壁傾斜度正相關(guān),不同工況下側(cè)壁洞頂位移值分別為-2.19mm、-2.44mm,增長率分別為側(cè)壁洞頂位移增長率先增大,后趨于平穩(wěn)。

        4.3 圍巖塑性區(qū)對比分析

        由圖3可知,巖壁傾斜度對圍巖的塑性區(qū)分布影響較小,主要集中在拱頂、底板和側(cè)壁洞頂和洞底,塑性區(qū)范圍主要在拱頂以上2.5m,底板以下2.8m,側(cè)壁洞頂1m,底板1m。,當(dāng)i=80°時,側(cè)壁洞底塑性區(qū)深度與拱頂塑性區(qū)深度之比在40%起伏,說明此范圍內(nèi)巖壁傾斜度的改變對拱頂與側(cè)壁洞頂塑性區(qū)深度的影響不大,當(dāng)i=90°時,拱頂塑性區(qū)深度增大,使得比值減小9%,應(yīng)關(guān)注隧道拱頂?shù)姆€(wěn)定性。

        圖3 不同工況下塑性區(qū)分布圖

        5 結(jié)語

        論文針對影響掛壁隧道圍巖穩(wěn)定的兩個因素,采用有限差分軟件FLAC3D 建立了不同側(cè)壁開洞寬度和巖壁傾斜度的掛壁隧道圍巖穩(wěn)定三維模型,分析了不同工況下掛壁隧道應(yīng)力、位移和塑性區(qū)的分布規(guī)律,主要結(jié)論如下:

        ①拱頂最大主應(yīng)力受巖壁傾斜度改變的影響較小,底板最大主應(yīng)力與巖壁傾斜度呈正向關(guān)系。

        ②巖壁傾斜度改變對拱頂最小主應(yīng)力影響較小,對臨空側(cè)邊墻最小主應(yīng)力影響較大。

        ③巖壁傾斜度改變所有工況下,側(cè)壁洞頂位移均大于拱頂位移,實際工程中應(yīng)加強(qiáng)對側(cè)壁洞頂位移的監(jiān)控量測。由于未設(shè)支護(hù)和靠近巖壁臨空面,隧道兩側(cè)邊墻位移沒有出現(xiàn)水平收斂現(xiàn)象,側(cè)壁開洞兩側(cè)位移趨勢表現(xiàn)為洞周收斂。

        ④巖壁傾斜度對隧道周邊塑性區(qū)深度影響較小。

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