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        “路隧耦合”施工方案的優(yōu)化探究

        2023-01-25 13:37:20王琛
        中國公路 2022年20期
        關(guān)鍵詞:壩頭軸力塑性

        王琛

        (張家口路橋建設(shè)集團有限公司,河北 張家口 075000)

        一、工程概況與施工方案

        為節(jié)約城市用地,紹興鏡水路大部分路段與杭紹臺高速(k17~k25)段共線,充分利用高速橋下空間,但與高速共線范圍內(nèi),有一段穿越山體的特殊路段,山體地面高程高于杭紹臺設(shè)計高程60m,杭紹臺采用挖方路基方式通過壩頭山。鏡水路(壩頭山路段)與杭紹臺的共線方式,采用壩頭山隧道并行路線方案,鏡水路設(shè)計高程和杭紹臺高速公路設(shè)計高程相差在18m~21m,暗挖隧道長度超300m,隧道最大埋深約60m(杭紹臺高速未開挖前的原地面),具體布置如圖1所示。

        圖1 路、隧關(guān)系典型斷面方案圖

        按照施工工序的不同,分三種方案分析。

        方案一:先施工壩頭山隧道,待隧道支護完成且貫通后,再施工杭紹臺高速路塹的開挖。

        方案二:先施工杭紹臺高速路塹的開挖,再施工壩頭山隧道,高速路塹施工完成后,路基可以作為運梁便道。

        方案三:部分開挖高速路塹,即開挖山嶺一級邊坡,開挖后路塹作為運梁便道,再施工壩頭山隧道,待隧道支護完成且貫通后,再開挖杭紹臺高速路塹剩余的二、三級邊坡。

        二、路隧耦合施工模擬

        根據(jù)工程概況,建立二維平面應(yīng)變模型,根據(jù)圣維南原理,隧道開挖對隧道周圍3倍~5倍開挖寬度內(nèi)的巖體內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生影響,結(jié)合隧道正洞結(jié)構(gòu)尺寸,上部計算范圍取至地面,下部計算范圍由隧道中心向下取至30m,左右邊界計算范圍為150m,路面加載為標(biāo)準汽車軸載100t,為了簡化計算,不考慮超前支護的影響,將鋼架與噴射混凝土等效為初期支護與臨時支護,二襯不承擔(dān)圍巖應(yīng)力。考慮到模擬的精確性,對數(shù)值模擬的不同部分進行不同的網(wǎng)格劃分,隧道附近的網(wǎng)格進行加密,如圖2所示。

        圖2 計算模型示意圖

        模型采用二維平面應(yīng)變模型,巖石本構(gòu)使用摩爾庫倫模型,支護采用梁單元模擬,錨桿采用桁架單元模擬。

        三、數(shù)值模擬結(jié)果分析

        1.圍巖變形分析

        根據(jù)數(shù)值模擬,提取計算結(jié)果,各方案隧道圍巖變形云圖如圖3所示。

        圖3 各方案圍巖豎向變形云圖

        圖4 各方案圍巖水平變形云圖

        由變形云圖可以看出,方案一與方案三變形規(guī)律相似,隧道拱頂變形較方案二小,為更加清晰對比各工況下隧道圍巖的變形情況,在左洞布置6個特征點,在路面布置5個特征點,特征點布置如圖4、圖5所示。

        圖5 隧道特征點布置示意圖

        圖6 路面特征點布置示意圖

        由圖5、圖6可以看出,各方案不同特征點的變形規(guī)律比較相似,其中,拱底豎向位移最大,拱頂豎向位移最小,主要是因為路塹開挖導(dǎo)致隧道部分圍巖的整體隆起,與隧道周邊圍巖變形疊加引起的;各特征點對應(yīng)的豎向位移中,方案一<方案三<方案二,這說明采用方案二時,隧道與路面的豎向變形較大,整體結(jié)構(gòu)較為不安全,采用方案一時,各特征點豎向位移較小,整體結(jié)構(gòu)較為安全。

        2.初支軸力分析

        采用方案一與方案三時,各特征點的軸力相差不大,除拱底軸力外,其余部位軸力均比方案二小,其中,方案一軸力比方案三略小,因此可以得到各特征點軸力大小表現(xiàn)為:方案一<方案三<方案二;采用方案一時,各特征點軸力變化較小,最小軸力為535.3kN,最大軸力為1400.8kN,極差值為865.5kN,各特征點受力較為均勻,支護結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮其承載能力,有利于隧道的穩(wěn)定。采用方案二時,各特征點軸力變化較大,最小軸力為435.6kN,最大軸力為2244.1kN,極差值為1808.5kN,這反映了采用方案二時,各特征點受力不均勻,支護結(jié)構(gòu)不能充分發(fā)揮其承載能力,不利于隧道的穩(wěn)定性。

        3.圍巖塑性區(qū)分析

        圖7 各方案圍巖塑性區(qū)云圖

        由圖可知,采用不同方案其塑性區(qū)變化較大,采用方案一與方案三時,其塑性區(qū)范圍較為接近,隧道周邊圍巖均發(fā)生塑性變化,但均未發(fā)生塑性破壞;采用方案二時,塑性區(qū)范圍較小,主要分布在拱頂與仰拱處,左洞仰拱由部分發(fā)生塑性破壞,右洞拱頂與仰拱處均發(fā)生較大范圍破壞。證明采用方案一或方案三時,圍巖應(yīng)力釋放較為均勻,未發(fā)生應(yīng)力集中破壞現(xiàn)象;采用方案二時,圍巖拱頂與仰拱處應(yīng)力釋放較大,發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,導(dǎo)致塑性破壞。因此,采用方案一或方案三時,圍巖穩(wěn)定性較好。

        四、結(jié)語

        采用不同施工方案對圍巖變形具有較為明顯的影響,采用方案一時,圍巖變形最小,因此先開挖隧道后開挖路塹時,更有利于圍巖穩(wěn)定。采用不同施工方案對支護結(jié)構(gòu)受力具有一定影響,采用先開挖隧道后開挖路塹時,支護結(jié)構(gòu)受力極差較小,受力較為均勻,充分發(fā)揮支護承載能力,有利于結(jié)構(gòu)安全。采用不同施工方案對圍巖塑性區(qū)具有一定的影響,采用方案一或方案三時,塑性區(qū)范圍較大,但均未發(fā)生塑性破壞。采用方案二時,塑性區(qū)范圍較小,但大部分發(fā)生塑性破壞。

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