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        超大斷面扁平結(jié)構(gòu)隧道開挖方法數(shù)值模擬及優(yōu)化研究

        2022-04-14 06:46:50
        湖南交通科技 2022年1期
        關(guān)鍵詞:扁平導坑側(cè)壁

        李 盼

        (湖南省交通科學研究院有限公司, 湖南 長沙 410015)

        當隧道的開挖斷面面積超過140 m2、隧道的扁平率(高寬比)在含仰拱時<0.65或在不含仰拱時<0.55且隧道斷面的形狀近似為橢圓形扁平狀時,一般稱為超大斷面扁平結(jié)構(gòu)隧道。隨著我國交通流量和對交通條件需求的日益增長,超大斷面扁平結(jié)構(gòu)公路隧道的建設(shè)呈現(xiàn)出逐漸增多趨勢。超大斷面扁平結(jié)構(gòu)公路隧道能有效緩解高密度的交通流量,并提高斷面利用率,逐漸成為未來隧道結(jié)構(gòu)形式的主流[1]。然而,超大斷面扁平結(jié)構(gòu)隧道的受力特性和圍巖應力分布情況較為復雜,隧道在開挖過程中的應力重分布趨于不利,這導致隧道底腳處的應力集中過大,支護結(jié)構(gòu)的承載力較小[2],從而使得隧道拱頂?shù)姆€(wěn)定性降低,這些問題的產(chǎn)生必然會對超大斷面扁平結(jié)構(gòu)隧道的施工帶來更為嚴峻的考驗。在現(xiàn)階段研究中,黃朱林[3]通過二維彈塑性有限元數(shù)值模擬就扁平率對大跨隧道圍巖及支護的穩(wěn)定性影響進行了分析,得出了扁平率的大小對隧道安全系數(shù)的影響機理;范君黎等[4]利用擴展有限元法(XFEM)對不同扁平率隧道的穩(wěn)定性進行了研究,得出了隧道扁平率的大小與隧道強度、損傷破壞以及裂紋產(chǎn)生的相互關(guān)系;熊根貴[5]應用ABAQUS對超大斷面隧道施工開挖方法和分步開挖過程進行了有限元數(shù)值分析,得出了隧道的最優(yōu)開挖工序;瞿東明等[6]應用數(shù)值有限元法,對比分析了不同隧道開挖方法下隧道受力以及發(fā)生變形大小的差異性,得出超大斷面隧道的安全施工方法。隧道的開挖是一個復雜的系統(tǒng)工程,因此,有必要針對超大斷面扁平結(jié)構(gòu)隧道的開挖施工問題進行數(shù)值模擬分析,得出隧道在開挖過程中的受力特性及分布情況,從而提出一種最優(yōu)的超大斷面扁平結(jié)構(gòu)隧道的開挖方法,為隧道開挖施工提供一定的理論依據(jù)。

        本文結(jié)合某超大斷面扁平結(jié)構(gòu)公路隧道工程,采用MIDAS/GTS有限元分析軟件,建立該隧道的三維開挖施工模型,并詳細分析該隧道在3種不同開挖方法下圍巖位移場和應力場的變化,揭示該超大斷面扁平結(jié)構(gòu)隧道的力學特性及位移變化規(guī)律,最后通過對比分析,得到該超大斷面扁平結(jié)構(gòu)隧道的最優(yōu)開挖方法,進而保障隧道的施工安全。

        1 工程概況

        該公路隧道為溫州市某隧道工程,隧道洞長1360m,開挖高度13.8m,寬度16.5m,洞凈高約6.9m,開挖斷面面積為172m2,扁平率為0.5(不含仰拱),隧道為上下雙層四心臥式橢圓結(jié)構(gòu)。根據(jù)地質(zhì)測繪、鉆探、槽探資料,該隧道口自地面以下以殘坡積物和全風化基巖為主,風化物為粉質(zhì)黏土,風化土呈可塑狀;遇水后,強度明顯降低,屬中軟土地基土層,隧道圍巖等級為Ⅲ~Ⅴ級。

        2 不同開挖方法及數(shù)值模擬分析

        2.1 隧道開挖方案

        隨著對隧道工程領(lǐng)域研究不斷深入,我國逐步發(fā)展形成了一套較為完善的隧道開挖方法理論體系[7]。其中針對超大斷面公路隧道常用的開挖方法主要有臺階法、CD工法、雙側(cè)壁導坑法[8-10]等。臺階法工期短、施工方便,但容易產(chǎn)生大變形;雙側(cè)壁導坑法對圍巖擾動較小,但工序復雜、成本高。因此,根據(jù)該隧道工程的實際特點,提出了雙側(cè)壁導坑法結(jié)合臺階法的施工方案,并應用MIDAS/GTS軟件對三臺階七步法、雙側(cè)壁導坑法和雙側(cè)壁導坑法結(jié)合臺階法進行對比分析,以尋求最優(yōu)的開挖施工方案。3種開挖方案的開挖工序如圖1所示。

        圖1 隧道不同開挖方案的開挖工序

        2.2 計算模型及參數(shù)設(shè)置

        由于該公路隧道規(guī)模較大,本文僅選取隧道進口段圍巖條件較差的典型斷面ZK1+375~ZK1+405進行數(shù)值模擬分析,該斷面所處的圍巖級別為Ⅴ級,其物理力學參數(shù)主要來源工程地質(zhì)勘察報告和設(shè)計報告,見表1。

        表1 圍巖及隧道結(jié)構(gòu)支護參數(shù)項目彈性模量/GPa泊松比重度/(kN·m-3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)粉質(zhì)黏土0.080.3014.324.315.1全風化凝灰?guī)r1.100.3018.325.314.8噴射混凝土250.2522——錨桿2000.3076——

        考慮邊界效應,根據(jù)現(xiàn)場工程的實際情況和圣維南原理,隧道邊界取3倍洞徑寬度作為有限元分析范圍,計算模型的左右邊界施加水平方向約束,底部施加豎向約束,上邊界為自由邊界[11]。分析中圍巖體選用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系,其屈服準則采用莫爾-庫倫(Mohr-Coulomb)強度破壞準則,其它支護結(jié)構(gòu)如錨桿、噴混凝土等均使用彈性本構(gòu)關(guān)系,其中鋼拱架采用I25b拱架,縱向間距0.5 m×0.5 m,鋼拱架的作用采用等效方法就行分析,即將工字鋼的彈性模量折算到噴射混凝土上,計算公式為:

        E=E0+Ag×Eg/Ac

        (1)

        式中:E為折算后混凝土彈模;E0為原混凝土彈性模量;Ag為鋼拱架截面積;Eg為鋼材彈模;Ac為噴射混凝土截面積。

        由于該隧道埋深較淺,計算初始應力場僅考慮自重應力場。最終,由MIDAS/GTS軟件建立3種不同開挖方案下的二維計算分析模型,如圖2所示。

        a)三臺階七步法

        b)雙側(cè)壁導坑法

        c)雙側(cè)壁結(jié)合臺階法

        3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

        3.1 位移場分析

        圍巖的變形是最直觀的[12],通過比較圍巖的變形量可以很好地判斷隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。當隧道開挖后,出現(xiàn)臨空面,巖體有了變形空間。由于地應力局部釋放,巖體因卸荷作用而發(fā)生位移變化,因此,首先對平面應變條件下圍巖的變形量進行對比分析。由于本隧道工程屬于扁平結(jié)構(gòu),拱頂位移是其穩(wěn)定性評價的關(guān)鍵指標,故針對3種方案,選取了隧道斷面4個關(guān)鍵位置點(見圖3)作為分析對象,得到了3種開挖施工方法下的圍巖位移計算值(見表2)。

        圖3 隧道斷面關(guān)鍵點位置

        表2 3種開挖方法下隧道圍巖位移計算值開挖方法拱頂/mm拱底/mm左拱腰水平位移/mm右拱腰水平位移/mm三臺階七步法-22.8615.4917.14-11.73雙側(cè)壁導坑法-17.3215.1412.99-9.94雙側(cè)壁結(jié)合臺階法-14.648.136.64-7.23

        由表2可知該隧道開挖支護后,隧道圍巖水平位移較大,左邊墻位移值略大于右邊墻位移值,且兩者位移方向相反,這導致兩側(cè)邊墻向內(nèi)發(fā)生擠壓。三臺階七步法的最大水平位移值最大(見圖4),左右最大水平位移分別為36.69 mm和34.43 mm,而雙側(cè)壁導坑法在開挖過程中施加了臨時支護并及時閉合成環(huán),所以其水平位移值最小。同時由于隧道開挖后引起工程偏應力,導致巖層擴容膨脹,表現(xiàn)為隧道拱底向上隆起,隧道拱頂沉降,一般來說,開挖斷面越大,引起的偏應力越大,所導致的擴容變形也越大。在以上3種開挖方法下,三臺階七步法和雙側(cè)壁導坑法的底板隆起值相差不大,分別為15.49 mm和15.14 mm,雙側(cè)壁結(jié)合臺階法拱底隆起值8.13 mm最小??紤]到施工過程相互影響的作用,當上臺階開挖完畢后,已經(jīng)發(fā)生一定的位移變化;在下臺階繼續(xù)開挖的過程中,因為施工對上臺階圍巖繼續(xù)產(chǎn)生影響,會使上臺階圍巖產(chǎn)生的變形持續(xù)增加,直到下臺階開挖支護完成,雙側(cè)壁結(jié)合臺階法每次開挖范圍相對較小,對周邊圍巖位移影響較小,因此位移整體變化量最小。

        a)三臺階七步法

        b)三臺階七步法

        c) 雙側(cè)壁結(jié)合臺階法

        3.2 應力場分析

        隧道開挖后,隧道結(jié)構(gòu)受力發(fā)生改變,引起圍巖應力重分布,因此隧道圍巖的受力狀態(tài)是評價施工方法優(yōu)劣的重要標準。3種開挖方法下隧道結(jié)構(gòu)所受的最大主應力分布如圖5所示。

        a) 三臺階七步法

        b) 雙側(cè)壁導坑法

        c) 雙側(cè)壁結(jié)合臺階法

        從圖5可以看出,采用三臺階七步法和雙側(cè)壁結(jié)合臺階法開挖時,隧道所受圍巖壓力不是很大,且隧道邊墻受力較均勻,從兩側(cè)邊墻部分至拱底出現(xiàn)壓應力,在隧道拱底處出現(xiàn)不同程度的應力集中現(xiàn)象。采用雙側(cè)壁導坑法開挖支護后,最大主應力分布趨勢有所不同,在隧道拱頂出現(xiàn)了較多的拉應力區(qū),隧道兩側(cè)邊墻位置處有較大的壓應力。

        采用三臺階七步法開挖時,在隧道拱腳處產(chǎn)生最大拉應力為0.17MPa,在隧道拱頂和隧道拱底處均出現(xiàn)了壓應力集中現(xiàn)象,拱頂和拱底的壓應力分別為0.25MPa和0.18MPa。而采用雙側(cè)壁導坑法施工時,在拱頂處出現(xiàn)了層次較分明的拉應力區(qū),且距洞口越遠應力越小,然后逐漸過渡到隧道圍巖的壓應力區(qū),最大拉應力為0.06MPa,在拱腰處產(chǎn)生最大壓應力0.67MPa,隧道拱腳和拱底的壓應力分別為0.12MPa和0.31MPa。采用雙側(cè)壁導坑結(jié)合臺階法開挖時,應力集中現(xiàn)象分布范圍最小,主要集中在拱腳處,隧道邊墻部分出現(xiàn)拉應力,在隧道拱腳處產(chǎn)生最大拉應力為0.22MPa,壓應力主要分布在隧道拱底板附近,為0.15MPa,而在拱肩位置處出現(xiàn)最大壓應力為1.14MPa。

        由以上分析可知,隧道拱頂、底板和拱腳易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象,是隧道施工中的薄弱部分,不利于隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,由新奧法的基本原理可知,隧道在開挖后,隧道圍巖從變形到破壞需要一定的時間[13],如果在圍巖受到破壞之前及時施加初期支護結(jié)構(gòu),就可以控制圍巖的變形程度,降低圍巖變形速率,從而保證整個隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

        因此,在隧道施工時有必要針對容易出現(xiàn)應力集中的薄弱部分及時采取相應的支護防護措施,防止圍巖因變形過大導致失穩(wěn),進一步保障施工安全。

        4 結(jié)論

        以某超大斷面扁平結(jié)構(gòu)公路隧道工程為研究對象,采用了MIDAS/GTS有限元軟件,分別模擬分析了該隧道在三臺階七步法、雙單側(cè)壁導坑法和雙側(cè)壁導坑結(jié)合臺階法等3種開挖工法下的開挖過程,獲得了該隧道在開挖支護后圍巖的位移、應力變化分布規(guī)律,并優(yōu)選出適用于該隧道開挖的最優(yōu)方法。主要結(jié)論如下:

        1) 綜合比較3種開挖方法,隧道在開挖支護后圍巖變形均表現(xiàn)為拱頂下沉,仰拱向上隆起,兩側(cè)邊墻向洞內(nèi)擠入。拱頂、拱腰和仰拱是隧道開挖過程中應力集中的主要部位,也是隧道工程的主要控制部位,在隧道施工時需加強隧道關(guān)鍵部位和薄弱部位的監(jiān)控監(jiān)測,對于變形較大的位置有必要采取相應的局部支護措施,以保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

        2)超大斷面扁平結(jié)構(gòu)公路隧道由于跨度大、扁平率低,其變形和受力情況較普通隧道更加復雜。在隧道開挖時會產(chǎn)生較大的拱頂和仰拱位移,建議施工時應及時進行支護;設(shè)計時可適當加大兩邊墻襯砌的厚度,以減少邊墻的水平位移,控制隧道支護襯砌壓力,使超大斷面隧道的應力分布均勻化,改善超大斷面扁平結(jié)構(gòu)隧道的受力情況。

        3) 通過分析比較隧道在3種開挖方法下的圍巖變形和應力分布情況,得出雙側(cè)壁導坑結(jié)合臺階法是最適用于該隧道開挖的方法。該方法每次開挖的面積最小,對其他部分圍巖的擾動干擾較小,應力重分布影響較小,受力更加均勻,有利于維持圍巖的穩(wěn)定性,同時其比雙側(cè)壁導坑法工序更簡單、施工工期更短。因此,結(jié)合本隧道工程的地質(zhì)條件和施工特點,認為雙側(cè)壁導坑結(jié)合臺階法在控制圍巖變形,減小支護結(jié)構(gòu)受力等方面有良好的適用性和經(jīng)濟性,是該隧道工程施工方法的首選。

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