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        隧洞開挖施工的數值模擬研究

        2022-07-01 06:24:50曹凌敏
        黑龍江水利科技 2022年5期
        關鍵詞:結果表明拱頂隧洞

        王 斌,曹凌敏

        (山東省濟寧市水利事業(yè)發(fā)展中心,山東 濟寧 272000)

        0 引 言

        隨著我國西部大開發(fā)和絲綢之路的開展,越來越多的隧洞工程應運而生,對此學者們針對隧洞工程進行了大量的研究。安永林等依托珠海某隧洞工程,研究了2種不同的施工工序對隧洞的影響,研究結果表明:不同的施工工序條件下,隧洞危險區(qū)不同,應當合理選擇施工工序,以保證隧洞的施工安全。葉逢春等利用數值模擬對盾構隧洞施工的安全性,進行了評估,評估結果表明:隧洞的變形若控制在合理范圍內,隧洞的安全性能夠得到保證。吳悅等通過數值模擬對可液化地層的隧洞進行了研究,研究結果表明:襯砌厚度越小,襯砌的上浮位移越小,同時應當加強交界處的襯砌接頭。陳春玲等利用FLAC3D對不同直徑、距離條件下的隧道圍巖,進行了數值模擬研究,研究結果表明:拱頂沉降與溶洞范圍呈現(xiàn)線性規(guī)律。張君寶等利用數值模擬軟件,模擬全斷面法、CRD法和三臺階法,對隧洞圍巖的影響,研究結果表明:三臺階開挖法為隧洞標準段的最優(yōu)開挖工法。李順群等利用數值模擬,研究了基坑開挖對隧洞變形的影響,研究結果表明:基坑開挖對隧洞變形的影響在可控范圍內,滿足工程穩(wěn)定性要求。邵珠山等利用FLAC3D數值模擬軟件,對小凈距隧洞的合理錯距進行了研究,研究結果表明:在黃土地區(qū)掌子面的錯距可縮減至30m,以此保證施工安全。李曉菡等利用MIDAS-NX軟件對既有地鐵隧洞施工進行了研究,研究結果表明:路基回填高度應當控制在0.5-1.57m范圍內,可滿足隧洞施工的要求。左廣洲結合隧洞運營過程中排水問題,提出了復合排水技術,并通過數值模擬對此技術進行了研究,研究結果表明:復合排水技術能夠解決隧洞運營排水問題,且此技術還有待進一步優(yōu)化完善。翟永勇等利用數值模擬軟件,研究深基坑施工對臨近隧洞的內力和變形的影響,研究結果表明:嚴格按照基坑施工章程,可保證基坑施工不對臨近隧洞造成不良影響[1-7]。

        以上的研究并沒有考慮開挖對隧洞周圍巖土體位移的影響,也沒有考慮隧洞二襯受力的影響,因此文章結合一實際隧洞工程,首先對隧洞周圍巖土體進行地勘調查,其次利用MIDAS GTS數值模擬軟件對隧洞開挖進行全過程的模擬還原,最后通過模擬結果對隧洞開挖的影響和效果進行評估。

        1 工程概況

        隧洞位于我國東北地區(qū),經過地勘調查可知,此隧洞位于河道一側,隧洞周圍從上至下巖土體分別為泥灰層風化土、泥灰層和灰層(圖1),隧址區(qū)地面高程520-1020m,相對高差最大約562m,隧洞埋深180-550m(圖2),巖土體的物理力學參數如表1所示。

        圖1 隧洞二維立面圖(單位:m)

        圖2 隧洞隧址

        表1 巖土體力學性質

        3 數值模擬

        3.1 模型的建立

        利用MIDAS GTS數值模擬軟件進行隧洞開挖的數值模擬研究,經過試算選擇隧洞的寬×高為92m×69m,試算結果表明,超過此邊界1m,隧洞應力和應變不超過0.01%,因此可認為此邊界的選擇是合理的。

        隧洞采用CD法進行開挖,隧洞拱頂左右兩邊分別采用4根和7根錨桿進行支護。

        圖3 數值模擬平面圖

        選擇二維平面對隧洞開挖進行研究,初支混凝土為彈性材料,彈性模量為2.1×104MPa,容重為24.5 kN/m3,泊松比為0.21;二襯混凝土為彈性材料,彈性模量為3.2×104MPa,容重為25.6 kN/m3,泊松比為0.19;錨桿為彈性材料,彈性模量為2.2×105MPa,容重為78.6 kN/m3,泊松比為0.16。風化土、泥灰層和灰層選擇實體單位,錨桿選擇植入式桁架,內支撐選擇板單元。

        數值模擬共計5942個單元、3202個節(jié)點,數值模擬計算至隧洞穩(wěn)定時停止。

        3.2 模型的計算

        第一階段建立泥灰風化土層、泥灰層和灰層,并根據表1的數據進行賦值,設置邊界自動約束,最后對巖土體進行清零。第二階段為開挖階段,按照CD施工法的次序,將隧洞部分巖體進行鈍化,同時在鈍化區(qū)域添加錨桿、初支混凝土或二襯混凝土。第三階段依次將二襯混凝土進行賦值。經過以上三個階段后,方可對隧洞模型進行計算[8]。

        3.3 模擬結果

        3.3.1 變形分析

        隧洞整體位移和豎向位移如圖4和圖5所示。

        圖4 隧洞整體位移(單位:m)

        如圖5所示,隧洞的整體位移61.7%幾乎位移為0,接近30%巖土體的位移集中于隧洞開挖部位,最大位移位于拱頂處,此位移也不超過1mm,且所占隧洞比率也不超過4%,以上說明隧洞開挖,并沒有對周圍巖土體的位移造成較大的影響。

        如圖6所示,隧洞的豎向位移53.7%幾乎位移為0,接近25%巖土體的豎向位移集中于隧洞開挖部位,最大位移位于拱頂和拱腳處,此位移也不超過1mm,且所占隧洞比率也不超過5%,以上說明隧洞開挖后,也沒有對周圍巖土體的豎向位移造成較大的影響。

        圖6 二襯所受的彎矩(單位:kN·m)

        圖5和圖6可知,隧洞開挖的整體位移和豎向位移均控制1mm范圍以內,沒有對周圍巖土體造成不良影響,滿足隧洞工程穩(wěn)定性要求,同時隧洞拱腳處因為位移較大,屬于施工和管理的重點,應當加以重視。

        3.3.2 支護結構變形分析

        襯砌所受的彎矩如圖6所示。

        由圖6可知二襯所受的彎矩最大處位于拱腳處,繼而便是接近拱腳處,數值最大為88 kN.m,此區(qū)域僅占整個二襯的2.5%,彎矩受力較大處位于拱底,即仰拱處,由此可知仰拱所受彎矩最為明顯,應當被考慮成防護的重點。拱頂處所受彎矩不超過57 kN.m,滿足工程穩(wěn)定性的要求。

        3.3.3 數值模擬總結

        1)隧洞的整體位移和豎向位移均控制在合理范圍內,說明隧洞的開挖施工是合理的,并沒有對周圍巖土體的位移造成不良影響。

        2)二襯所受彎矩主要集中于仰拱處,拱頂所受彎矩較小,且受力較均勻。

        由以上2點可知,隧洞開挖施工是合理的,滿足工程穩(wěn)定性的要求。

        4 結 論

        利用MIDAS數值模擬技術,對四川省巴中市某隧洞開挖進行了研究,得出如下結論:

        1)隧洞整體位移和豎向位移均控制在合理范圍內,不會對周圍巖土體的位移造成不良影響。

        2)隧洞二襯彎矩仰拱處最大,但是均不超過工程允許的數值,拱頂處彎矩較小且受力較均勻,未出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象。

        3)研究隧洞斷面屬于常規(guī)斷面,沒有對隧洞的特殊斷面進行研究,因此此部分的研究有待進一步深入。

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