游錄昌，李 濤

（山東省路橋集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250014）

1 引言

多年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展,我國的高速公路的建設(shè)日新月異。由于山嶺區(qū)地質(zhì)條件多變,導(dǎo)致公路隧道工程施工技術(shù)復(fù)雜、施工工序繁多?？傮w而言,我國公路隧道建設(shè)發(fā)展速度迅猛,但起步較晚,經(jīng)驗(yàn)不足,因此我國公路隧道設(shè)計(jì)與施工水平還有待提高。

很多學(xué)者對(duì)隧道計(jì)算模型的研究和應(yīng)用做了大量工作。尹蓉蓉[1]通過考慮應(yīng)力拱效應(yīng)從而建立一種新的荷載-結(jié)構(gòu)法計(jì)算模型,改善了荷載結(jié)構(gòu)法模型模擬結(jié)果偏離實(shí)際的問題；劉海京等[2]基于地層結(jié)構(gòu)法建立了包含縱向裂縫的隧道計(jì)算模型,并對(duì)含有裂縫的襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)了安全性評(píng)價(jià)。這些研究對(duì)隧道計(jì)算的準(zhǔn)確性提供了理論依據(jù),并為隧道初期支護(hù)的方法選擇奠定了基礎(chǔ),但是對(duì)于隧道初期支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化還需要進(jìn)一步的研究。

本文以二狼山公路隧道開挖支護(hù)為研究對(duì)象,利用ABAQUS有限元分析[3]軟件,通過數(shù)值模擬分析該隧道Ⅴ級(jí)圍巖段在兩種不同支護(hù)方案下的拱頂下沉、水平收斂等圍巖變形特性,并基于模擬結(jié)果,判斷最優(yōu)的錨桿間距和鋼拱架間距方案,以達(dá)到在考慮施工安全及支護(hù)成本的前提下對(duì)該隧道初期支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的目的。通過分析數(shù)值模擬結(jié)果,也可判斷在開挖過程中的不利位置,以便在進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)和施工時(shí)加以監(jiān)測(cè)和預(yù)防。

2 依托工程概況

臨淄至臨沂高速公路工程LLKCSJ-1標(biāo)段二狼山隧道工程位于淄博市博山區(qū)池上鎮(zhèn)趙莊村西南側(cè)約500 m處,該隧道為分離式隧道,隧道左線軸線起止樁號(hào)為ZK72+688～ZK73+190,長502.0 m,隧道右線軸線起止樁號(hào)為K72+695～K73+170,長475.0 m,擬建隧道屬雙向六車道中隧道。隧道選址區(qū)水文地質(zhì)條件比較簡單,海拔高程366.1524.1 m,相對(duì)高差約158 m,最大埋深約96.0 m,整體較陡；隧道選址區(qū)揭露和出露地層都是第四系殘坡積層以及混合巖花崗片麻巖地層。二狼山隧道Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖段分布長度分別為235 m、465 m、267 m。

3 初期支護(hù)體系設(shè)計(jì)

我國隧道施工方法主要有TMB法、新奧法和盾構(gòu)法等,在地層情況較為復(fù)雜多變、隧道結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜等情況下,新奧法相對(duì)于盾構(gòu)、TMB法來說經(jīng)濟(jì)性較好,在我國長期被廣泛應(yīng)用。本區(qū)間隧道采用新奧法進(jìn)行施工,充分發(fā)揮圍巖的自承能力,最大程度減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。開挖后,以噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)以及鋼拱架作為初期支護(hù)手段,具體的開挖、支護(hù)順序見圖1。

圖1 臺(tái)階法開挖、支護(hù)步驟示意圖

初期支護(hù)的施工應(yīng)在爆破、安全檢查及量測(cè)、出渣等工作完成后進(jìn)行。施工過程按照如下步驟進(jìn)行：

（1）初噴C25混凝土,初噴厚度Ⅴ級(jí)圍巖段取130 mm；Ⅳ級(jí)圍巖段取120 mm；Ⅲ級(jí)圍巖段取80 mm。

（2）安裝鋼筋網(wǎng),Ⅴ級(jí)圍巖段取200 mm×200 mm；Ⅳ級(jí)圍巖段取220 mm×220 mm；Ⅲ級(jí)圍巖段取250 mm×250 mm。

（3）安裝鋼拱架,沿隧道縱向間距Ⅴ級(jí)圍巖段取60 cm；Ⅳ級(jí)圍巖段取100 cm。

（4）打錨桿孔,安裝錨桿,安裝順序?yàn)橄软敽髱?。其中Ⅴ?jí)圍巖段錨桿長度取4.0 m,縱向間距取0.8 m；Ⅳ級(jí)圍巖段錨桿長度取3.8 m,縱向間距取0.9 m；Ⅲ級(jí)圍巖段錨桿長度取3.0 m,縱向間距取1.2 m。

（5）復(fù)噴C25 混凝土,復(fù)噴厚度Ⅴ級(jí)圍巖段取150 mm；Ⅳ級(jí)圍巖段取130 mm；Ⅲ級(jí)圍巖段取70 mm。

4 隧道初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析

4.1 模型參數(shù)的選取

本專題以洞口Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段（K72+695,埋深20 m）為例,二狼山單洞三車道隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參數(shù)如下：錨桿采用Φ25 mm中空注漿錨桿,長度為4 m,環(huán)向間距為1.2 m,縱向間距為0.8 m；鋼拱架型號(hào)為I20 b,間距0.6 m；噴射混凝土采用C25混凝土,厚度為280 mm,內(nèi)置250 mm×250 mm鋼筋網(wǎng)；二次襯砌為模筑混凝土結(jié)構(gòu),厚50 cm。圍巖巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

4.2 建立有限元模型

根據(jù)圣維南原理,隧道開挖以后洞室周唯巖體發(fā)生應(yīng)力重分布,從而對(duì)隧道開挖洞室周圍一定范圍內(nèi)產(chǎn)生影響,對(duì)于距離洞室比較遠(yuǎn)的圍巖影響可忽略不計(jì),故本專題設(shè)計(jì)建立的模型邊界處的位移為零,根據(jù)規(guī)定[4],隧道數(shù)值模型水平、豎直方向尺寸一般取3～5倍洞跨距離,因此建立模型整體尺寸為100 m×60 m×30 m,除上邊界以外,其他邊界均設(shè)置法向約束,下邊界除法向約束外其他兩個(gè)方向均設(shè)置約束。本專題圍巖部分選用摩爾庫倫本構(gòu)模型,襯砌部分選用彈性體,運(yùn)用生死單元法,一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺為3 m,對(duì)隧道分成十次進(jìn)行全斷面開挖,初期支護(hù)參數(shù)見表2,隧道模型網(wǎng)格見圖2。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

圖2 隧道模型網(wǎng)格

4.3 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

第一種優(yōu)化思路保持錨桿長度和混凝土厚度不變,改變錨桿間距和鋼拱架間距；第二種優(yōu)化思路保持錨桿長度、錨桿間距和鋼拱架間距不變,改變混凝土厚度。針對(duì)這兩種思路,給出了以下五種方案,包括優(yōu)化前（方案1）和優(yōu)化后（方案2～方案5）,具體支護(hù)參數(shù)優(yōu)化表見表3。方便起見,將鋼拱架和噴射混凝土的力學(xué)參數(shù)根據(jù)面積占比取一個(gè)平均數(shù),鋼拱架和噴射混凝土組成的襯砌模型網(wǎng)格見圖3。

表3 五種方案對(duì)應(yīng)的支護(hù)參數(shù)

圖3 鋼拱架及噴射混凝土混合支護(hù)圖

4.4 圍巖變形位移

（1）思路一

在該研究斷面上提取優(yōu)化前和優(yōu)化后的相同特征監(jiān)測(cè)點(diǎn),比較方案1和方案2的拱頂下沉、周邊收斂和錨桿的位移量,分別得到兩種方案下的襯砌位移矢量云圖和錨桿位移矢量云圖,見圖4～圖7。

圖4 方案1襯砌位移矢量云圖

圖6 方案1錨桿位移矢量云圖

圖7 方案2錨桿位移矢量云圖

由圖5～圖8可知：同一初期支護(hù)斷面上,支護(hù)參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化后,相比優(yōu)化前,同一位置處的位移（拱頂下沉、周邊收斂、錨桿位移）變化雖然不明顯,但都有不同程度的增大。

圖5 方案2襯砌位移矢量云圖

（2）思路二

同樣的,在該研究斷面上提取優(yōu)化前和優(yōu)化后的相同特征監(jiān)測(cè)點(diǎn),比較方案1和方案3～方案5的拱頂下沉和周邊收斂的位移量,改變襯砌厚度,得到方案3～方案5下的襯砌位移矢量云圖,見圖8～圖10。

圖8 方案3襯砌位移矢量云圖

圖9 方案4襯砌位移矢量云圖

圖10 方案5襯砌位移矢量云圖

由圖可知：同一初期支護(hù)斷面上,支護(hù)參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化,及襯砌厚度逐漸減小后,相比優(yōu)化前,同一位置處的拱頂下沉、周邊收斂都有不同程度的增大,增幅同支護(hù)參數(shù)優(yōu)化的強(qiáng)弱密切相關(guān)。

4.5 結(jié)果分析

從數(shù)值模擬結(jié)果來看,隧道開挖前周圍巖體在自重應(yīng)力作用下,位移的數(shù)量級(jí)非常小,故模型的建立比較成功,圍巖初始狀態(tài)位移矢量云圖見圖11。隧道開挖完成后,模型邊緣處矢量位移很小,可以忽略不計(jì),說明隧道模型尺寸合理,很好地避免了邊界效應(yīng),隧道開挖后在襯砌作用下圍巖位移矢量云圖及剖面圖見圖12和圖13。

圖11 圍巖初始狀態(tài)位移矢量云圖

圖12 圍巖位移矢量云圖

圖13 圍巖位移矢量云圖剖面圖

綜上分析,支護(hù)參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化后,雖然初期支護(hù)及圍巖變形位移比優(yōu)化前有所增大,但變形都在可控范圍內(nèi),符合相關(guān)規(guī)范要求,且支護(hù)材料的支護(hù)能力得到了更加高效的發(fā)揮。在確保施工安全的同時(shí),可節(jié)約工程造價(jià)。因此,二狼山單洞三車道公路隧道初期支護(hù)的優(yōu)化方案可行。

5 結(jié)論與討論

本文依托二狼山隧道的工程概況,并基于數(shù)值模擬對(duì)該隧道的初期支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化過程提供了兩種思路并給了五種方案,最后綜合結(jié)果分析,優(yōu)化后雖然初期支護(hù)及圍巖變形位移比優(yōu)化前有所增大,但變形都在可控范圍內(nèi),符合相關(guān)規(guī)范要求,且支護(hù)材料的支護(hù)能力得到了更加高效的發(fā)揮。在保證施工安全的同時(shí),更好地節(jié)約了成本,使工程更加經(jīng)濟(jì)合理。

1）從數(shù)值模擬結(jié)果來看,隧道開挖前周圍巖體在自重應(yīng)力作用下,位移的數(shù)量級(jí)非常小,故模型的建立比較成功。

2）隧道開挖完成后,模型邊緣處呈深藍(lán)色,即矢量位移很小,可以忽略不計(jì),說明隧道模型尺寸合理,很好地避免了邊界效應(yīng)。