呂金輝
(中國水利水電第十一工程局有限公司,鄭州 450001)
隨著國家的經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,越來越多的隧洞工程應(yīng)運(yùn)而生,對(duì)此學(xué)者們也進(jìn)行了大量的研究。楊洋等利用FLAC3D對(duì)隧洞穿越含煤地層時(shí),隧洞的位移和變形、圍巖應(yīng)力變化進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明:不同的工況條件下,隧洞的位移和變形均有所不同。李釗等對(duì)隧洞臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)隧洞變形的影響進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明:臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)隧洞圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)范圍有較大的影響。閆肅利用數(shù)值模擬技術(shù),對(duì)隧洞開挖的長(zhǎng)度、高度進(jìn)行了優(yōu)化研究,研究結(jié)果表明:開挖臺(tái)階的長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)控制在5m范圍內(nèi),可以保證拱頂沉降和水平位移控制在合理的范圍內(nèi)。彭波對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺(tái)階七步法和雙側(cè)壁結(jié)合臺(tái)階法三種開挖方法進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,研究結(jié)果表明:雙側(cè)壁更適合超大斷面扁平結(jié)構(gòu)隧洞。李希文等利用FLAC3D對(duì)隧洞圍巖變化規(guī)律進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明:臺(tái)階法施工中豎向位移普遍大于水平位移。朱海濤對(duì)不同的開挖方法對(duì)地表沉降規(guī)律和預(yù)測(cè)曲線進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明:臺(tái)階法適合常規(guī)隧洞的開挖。梅竹結(jié)合一實(shí)際隧洞工程,利用數(shù)值模擬對(duì)隧洞開挖的整個(gè)過程進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明:Ⅳ級(jí)圍巖更適合臺(tái)階法施工,更利于提高襯砌的安全性。譚忠盛等認(rèn)為長(zhǎng)大隧洞更適合地質(zhì)地層隧洞大斷面開挖工法,并通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明:此類開挖工法可減少對(duì)圍巖體的振動(dòng)。王傳勇結(jié)合一地鐵隧洞項(xiàng)目,提出了在標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行上臺(tái)階和下臺(tái)階進(jìn)行盾構(gòu)施工,通過實(shí)踐表明此類施工方法能夠縮短工期,控制沉降。歐予月通過工程造價(jià)軟件對(duì)CD法進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明:CD法施工時(shí)序復(fù)雜、工期長(zhǎng)且經(jīng)濟(jì)性差[1-2]。
以上的研究多集中于不同施工方式對(duì)隧洞施工的影響,沒有涉及到隧洞開挖的整個(gè)過程,因此文章結(jié)合一實(shí)際隧洞工程,利用上下臺(tái)階法還原了隧洞開挖的全過程,對(duì)隧洞開挖進(jìn)行了研究。
該隧洞位于我國西部地區(qū),經(jīng)地質(zhì)勘察巖土體主要由風(fēng)化土、風(fēng)化巖和軟巖組成,采用上下臺(tái)階法對(duì)隧洞進(jìn)行支護(hù),隧洞的尺寸如圖1所示,巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。
表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)
圖1 隧洞尺寸圖(單位:m)
數(shù)值模擬采用MIDAS GTS進(jìn)行模擬,選擇的巖土體的尺寸長(zhǎng)×寬×高為90m×50m×60m(圖2),此邊界長(zhǎng)約是隧洞的4倍,高約是隧洞的3倍,經(jīng)試算此邊界的長(zhǎng)或高增加1m,隧洞的受力和位移變化不超過0.1%,說明隧洞邊界的選取是合理的。
數(shù)值模擬中隧洞襯支選擇板單位,材料屬性為各向同性的彈性模型,厚度為0.2m,彈性模量為2×107kN.m2,泊松比為0.31,容重23 kN.m3,二襯選擇3D實(shí)體單元,彈性模量為3.15×107kN.m2,泊松比為0.28,容重25kN·m3,錨桿選擇植入式桁架單元,彈性模量為2×108kN·m2,泊松比為0.26,容重78kN·m3。
巖土體和隧洞均選擇混合四面體網(wǎng)格,數(shù)值模擬計(jì)算至隧洞平衡時(shí)結(jié)束。
2.2.1 位移分析
加固邊坡后的豎向位移和總體位移如圖3和圖4所示。
圖4 隧洞巖土體總體位移(單位:m)
如圖3所示,隧洞巖土體拱底處的豎向位移最大位于拱底處,數(shù)值為8.3mm,拱頂處豎向位移方向豎直向上,數(shù)值為1.2mm,地面的位移方向主要是豎直向下,數(shù)值為5.4mm,位于隧洞的正上方。以上的數(shù)值均不超過20mm,說明上下臺(tái)階法開挖時(shí),隧洞巖土體的豎向位移是控制在工程允許的范圍內(nèi)的,不會(huì)對(duì)隧洞安全造成隱患。
位移<5mm的巖土體所占整個(gè)巖土體的70%,超過50%的巖土體幾乎沒有豎向位移,說明隧洞施工并不會(huì)對(duì)周圍巖土體造成過大的擾動(dòng)。
如圖4所示,隧洞巖土體拱底處的總體位移最大位于拱底處,最大數(shù)值為9.3mm,拱頂處總體位移最大數(shù)值為1.3mm,地面的位移方向主要是豎直向下,數(shù)值為5.4mm,位于隧洞的正上方。依據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T202-2013)可知,以上的數(shù)值均不超過20mm,說明上下臺(tái)階法開挖時(shí),隧洞巖土體的總體位移是控制在工程允許的范圍內(nèi)的,不會(huì)對(duì)隧洞安全造成隱患。
位移<5mm的巖土體所占整個(gè)巖土體的69%,超過48%的巖土體幾乎沒有位移,說明隧洞施工并不會(huì)對(duì)周圍巖土體造成過大的擾動(dòng)。
2.2.2 應(yīng)力分析
隧洞巖土體X和Z軸方向所受應(yīng)力如圖5和圖6所示。
圖5 隧洞巖土體所受X方向的應(yīng)力(單位:kN/m2)
圖6 隧洞巖土體所受Z方向的應(yīng)力(單位:kN/m2)
隧洞巖土體所受X方向的應(yīng)力如圖5所示,應(yīng)力主要集中于軟巖區(qū)域,即隧洞開挖所在的巖土體,風(fēng)化巖與軟巖交界處出現(xiàn)少量的應(yīng)力集中巖土體,此處巖土體最大應(yīng)力為4.5×10-2kN/m2,位于隧洞左右兩側(cè),所占比例約為5%,隧洞開挖面周圍巖土體超過30%比例應(yīng)力超過2.0×10-2kN/m2,此數(shù)值不超過巖土體所受的最大塑性屈服極限,可認(rèn)為隧洞開挖對(duì)巖土體X方向的應(yīng)力滿足工程要求。
風(fēng)化土和風(fēng)化巖區(qū)域的應(yīng)力幾乎沒有任何變化,說明風(fēng)化土和風(fēng)化巖區(qū)域施工中可以不作重點(diǎn)考慮。
隧洞巖土體所受Z方向的應(yīng)力如圖6所示,應(yīng)力主要集中于軟巖區(qū)域,最大應(yīng)力為8.7×10-2kN/m2,位于隧洞左右兩側(cè),所占比例約為6%,隧洞開挖面周圍超過35%比例巖土體應(yīng)力超過2.3×10-2kN/m2,此數(shù)值不超過巖土體所受的最大塑性屈服極限,可認(rèn)為隧洞開挖對(duì)巖土體Z方向的應(yīng)力滿足工程要求。
風(fēng)化土和風(fēng)化巖區(qū)域所受Z方向應(yīng)力幾乎沒有任何變化,說明施工中風(fēng)化土和風(fēng)化巖區(qū)域可以不作重點(diǎn)考慮。
2.2.3 數(shù)值模擬總結(jié)
位移方面從水平位移和總體位移進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明:地表處水平位移和豎向位移均控制在合理的范圍內(nèi),此位移不會(huì)對(duì)周圍巖土體造成不良的影響。
選擇了隧洞巖土體的X方向和Z方向的受力進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明:應(yīng)力主要集中于隧洞左右兩側(cè),同時(shí)主要集中于軟巖區(qū)域,風(fēng)化土和風(fēng)化巖區(qū)域幾乎不受影響,說明隧洞防治應(yīng)力集中的重點(diǎn)在于軟巖區(qū)域,尤其是隧洞開挖區(qū)域,另一方面,應(yīng)力集中區(qū)域巖土體所受最大應(yīng)力均控制在合理范圍內(nèi),同樣也不會(huì)造成不良影響。
文章結(jié)合MIDAS GTS數(shù)值模擬技術(shù),還原了上下臺(tái)階法隧洞施工的全過程,研究結(jié)果表明:
1)隧洞開挖區(qū)域巖土體的位移最大處分別發(fā)生在拱頂處(位移向上)和拱底處(位移向下),最大豎向位移為8.3mm,最大總體位移為9.3mm,此位移值均控制在合理的范圍內(nèi),不會(huì)對(duì)周圍巖土體造成不良影響,地表處的位移值均不超過6mm,此位移也滿足隧洞工程的位移要求;
2)隧洞開挖區(qū)域所受X方向和Z方向的應(yīng)力最大值分別為4.5×10-2kN/m2和8.7×10-2kN/m2,此數(shù)值均控制在合理的范圍內(nèi),不會(huì)對(duì)隧洞安全造成不良的影響;
3)隧洞的位移和受力沒有發(fā)生明顯的位移集中和應(yīng)力集中現(xiàn)象,說明了此地質(zhì)條件下上下臺(tái)階隧洞開挖是合理可行的,風(fēng)化土和風(fēng)化巖區(qū)域幾乎沒有發(fā)生明顯的位移和應(yīng)力集中,因此可認(rèn)為隧洞開挖施工防范的重點(diǎn)在于軟巖區(qū)域,風(fēng)化土和風(fēng)化巖區(qū)域可暫不考慮。
4)此工程可供上下臺(tái)階法隧洞開挖提供參考,對(duì)于復(fù)雜的隧洞開挖工程項(xiàng)目,則有待進(jìn)一步研究。