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        軟巖大斷面隧道安全施工步距數(shù)值模擬分析

        2023-10-18 12:43:54張翰洋蔡曉斌翟盛君
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2023年24期
        關(guān)鍵詞:圍巖變形施工

        秦 苛,張翰洋,蔡曉斌,翟盛君,曹 俊

        (成都建工集團(tuán)有限公司,四川 成都)

        1 研究隧道概況及研究現(xiàn)狀

        文章所研究的隧道為越嶺隧道,隧道工程道路等級(jí)為城市主干路,設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí),為雙向8 車道分離式隧道,隧道最大埋深約189 m,左線起止里程為ZK20+935~ZK23+018,長2 083 m,右線起止里程為YK20+972~YK23+070,長2 098 m,總體走向呈東西向。隧道所穿越圍巖級(jí)別大多為V 圍巖,原設(shè)計(jì)開挖工法:V 級(jí)圍巖采用雙側(cè)壁工法。

        根據(jù)《公路工程施工安全技術(shù)規(guī)范》Ⅴ級(jí)及以上圍巖:仰拱距最遠(yuǎn)端掌子面距離≤50 m,二襯距掌子面最遠(yuǎn)端距離≤70 m。首先按照施工工藝的要求,二襯和仰拱之間至少需要三版襯砌長度的施工作業(yè)面,用來存放仰拱、二襯鋼筋以及擺置防水板臺(tái)車,其次過近的安全步距極有可能導(dǎo)致前方掌子面爆破作業(yè)時(shí)損壞已完成工作面。因此有必要對(duì)施工安全步距進(jìn)行合理調(diào)整,以滿足施工工藝要求。

        宋順德[1]提出初期支護(hù)、二次襯砌與作業(yè)面的安全距離按制基本上取決于兩個(gè)方面的因素:一是作業(yè)面爆破產(chǎn)生的飛石及沖擊波對(duì)二次襯砌人員、機(jī)具、材料的損傷問題;二是隧道開挖后圍巖及初期支護(hù)變形是否趨近于穩(wěn)定的問題。李凱[2]通過查閱相關(guān)資料及行業(yè)現(xiàn)狀調(diào)查情況后看,隧道施工安全步距現(xiàn)有規(guī)范適用性有限,特別是對(duì)于大斷面四車道隧道。陳仁超[3]提出軟弱圍巖隧道施工可能會(huì)出現(xiàn)安全步距不符合規(guī)范要求,需結(jié)合自身工況進(jìn)行安全可行性檢驗(yàn)。楊文獻(xiàn)[4]將石牙山隧道將二次襯砌距離掌子面距離按制在200 m,研究結(jié)論證明200 m 考慮了隧道施工中各工序平行流水作業(yè)所需的工作場地、安全距離,又為開挖后的圍巖提供了變形收斂直至穩(wěn)定的充足時(shí)間。郭鴻雁[5]指出目前關(guān)于傳統(tǒng)鉆爆法分步開挖的安全步距研究有所涉及,但缺乏Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖條件下隧道機(jī)械化全斷面施工安全按制步距的相關(guān)研究。黃維科[6]考慮機(jī)械操作性和施工安全性,針對(duì)龍昌隧道的仰拱距掌子面安全步距進(jìn)行了動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

        2 隧道施工安全步距研究現(xiàn)狀

        根據(jù)以上研究結(jié)果,本研究將V 級(jí)圍巖下仰拱距最遠(yuǎn)端掌子面距離由原方案50 m 調(diào)整為≤128 m,二襯距掌子面最遠(yuǎn)端距離由原方案≤70 m 調(diào)整為≤179 m。修改后的仰拱距最遠(yuǎn)端掌子面距離調(diào)整后大于規(guī)范要求;修改后的二襯距掌子面最遠(yuǎn)端距離滿足《高速公路施工標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)指南》的小于200 m 要求,不滿足《公路工程施工安全技術(shù)規(guī)范》Ⅴ級(jí)及以上圍巖不得大于70 m 要求。

        為確保施工步距修改后的安全性,本研究將借助FLAC3D 數(shù)值模擬軟件分析了隧道變形,應(yīng)力,安全系數(shù),以驗(yàn)證安全性。

        3 FLAC3D 數(shù)值模擬

        3.1 評(píng)估分析假定

        為了簡化模型及減少評(píng)估量,且滿足評(píng)估結(jié)論正確性要求,對(duì)模型的建立和分析評(píng)估提出了以下假設(shè):

        (1) 模型采用地層- 結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行評(píng)估,選取大于評(píng)估結(jié)構(gòu)對(duì)象的建模范圍。

        (2) 本次評(píng)估過程中簡化機(jī)械及施工復(fù)雜性,考慮等效殺死單元進(jìn)行模擬主體開挖、礦山法隧道施工的整個(gè)過程。

        (3) 隧道結(jié)構(gòu)及地層均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。

        部分圍巖參數(shù)見表1。

        表1 部分圍巖參數(shù)

        3.2 評(píng)估模型建立

        項(xiàng)目工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜,為準(zhǔn)確分析并預(yù)測隧道施工的安全影響,并考慮隧道開挖的空間效應(yīng),因此采用有限差分評(píng)估軟件FlAC3D 進(jìn)行三維數(shù)值分析,建立三維有限元模型。土體采用摩爾- 庫倫本構(gòu)。該土體本構(gòu)可模擬初次加載- 卸載- 再加載之間的剛度差別??紤]實(shí)際工程的復(fù)雜性、周邊環(huán)境敏感性、數(shù)值計(jì)算精度、計(jì)算速度等,確定模型尺寸以及邊界條件。基于本工程的實(shí)際情況,考慮隧道開挖對(duì)圍巖影響,選擇模型尺寸為100 m(X 方向)×100 m(Y 方向)×360 m(Z 方向),如圖1 所示。

        圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法整體模型

        在本次模擬計(jì)算中,X 方向?qū)?yīng)水平方向,X 方向的相對(duì)位移可以判斷隧道凈空水平收斂情況;Y 方向?qū)?yīng)隧道開挖方向;Z 方向?qū)?yīng)豎直方向(即埋深方向),Z 方向位移正值表示隆起,負(fù)值表示沉降。模型X、Y 方向的左右、前后4 個(gè)邊界采用水平約束的滑動(dòng)支座邊界條件,模型底面采用固定支座邊界條件,模型上表面為自由邊界。地應(yīng)力場按自重應(yīng)力場考慮。根據(jù)隧道開挖的全過程中各具體施工步驟,采用“激活- 鈍化”的方式模擬隧道開挖全過程,最終對(duì)隧道結(jié)構(gòu)及圍巖的變形和受力做出合理的預(yù)測。

        4 FLAC3D 數(shù)值結(jié)果分析

        4.1 隧道拱頂變形

        為探究V 級(jí)圍巖中雙側(cè)壁導(dǎo)坑法原設(shè)計(jì)步距與變更步距下的隧道洞周變形影響,對(duì)隧道整個(gè)工序完成后的隧道洞周變形進(jìn)行分析,其中豎向變形結(jié)果如圖2- 圖4 所示。

        圖2 原安全步距下隧道拱頂沉降變形曲線

        圖3 安全步距調(diào)整后隧道拱頂沉降變形曲線

        圖4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法安全步距調(diào)整前后隧道拱頂沉降變形曲線

        根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(第一冊(cè)土建工程)》,V級(jí)圍巖極限位移取為150 mm。安全步距調(diào)整前后拱頂沉降對(duì)比如表2 所示。

        表2 安全步距調(diào)整前后拱頂沉降對(duì)比

        原安全步距拱頂沉降最大值為45.857 5 mm,小于按制值150 mm,滿足安全范圍;安全步距調(diào)整后拱頂沉降最大值為53.431 4 mm,小于按制值150 mm,滿足安全范圍。安全步距調(diào)整后,拱頂沉降最大值的變化率僅增大了16.52%。

        從拱頂沉降變化曲線可以看出,隨著開挖的進(jìn)行,開挖進(jìn)尺0~25 m,拱頂沉降減小,開挖進(jìn)尺25~200 m,拱頂沉降基本保持不變,開挖進(jìn)尺200~275 m,拱頂沉降急劇減小。

        4.2 隧道水平變形

        原安全步距下隧道水平變形曲線如圖5 所示。安全步距調(diào)整后隧道水平變形曲線如圖6 所示。

        圖5 原安全步距下隧道水平變形曲線

        圖6 安全步距調(diào)整后隧道水平變形曲線

        安全步距調(diào)整前后隧道水平變形對(duì)比如表3 所示。

        表3 安全步距調(diào)整前后隧道水平變形對(duì)比

        原安全步距下隧道水平收斂最大值為13.496 2 mm,小于按制值150 mm,滿足安全范圍;變更設(shè)計(jì)步距水平收斂最大值為31.887 1mm,小于按制值150 mm,滿足安全范圍。安全步距調(diào)整后,水平收斂最大值的變化率為增大了136.27%。

        從水平收斂變化曲線可以看出,隨著開挖的進(jìn)行,開挖進(jìn)尺0~25 m,邊墻水平變形增大,開挖進(jìn)尺25~175 m,水平變形基本保持不變,開挖進(jìn)尺175~200 m,水平變形增大,開挖進(jìn)尺200~275 m,水平變形急劇減小。

        4.3 隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力

        本研究利用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件,按照隧道開挖施工工序,對(duì)安全步距調(diào)整前后結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算,結(jié)果如表4 所示。

        表4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力

        從表4 中所列模擬計(jì)算結(jié)果可以看出,原安全步距下隧道初支的最大主應(yīng)力值為0.510 21 MPa,小于按制值1.27 MPa,最小主應(yīng)力值為7.333 7 MPa,小于按制值13.5 MPa,均滿足安全強(qiáng)度;原安全步距下二襯的最大主應(yīng)力值為0.447 53 MPa,小于按制值1.71 MPa,最小主應(yīng)力值為6.729 6 MPa,小于按制值21.5 MPa,均滿足安全強(qiáng)度。

        安全步距調(diào)整后隧道初支的最大主應(yīng)力值為0.794 98 MPa,小于按制值1.27 MPa,最小主應(yīng)力值為9.147 1 MPa,小于按制值13.5 MPa,均滿足安全強(qiáng)度;安全步距調(diào)整后隧道二襯最大主應(yīng)力值為0.559 35 MPa,小于按制值1.71 MPa,最小主應(yīng)力值為8.835 8 MPa,小于按制值21.5 MPa,均滿足安全強(qiáng)度。

        結(jié)束語

        本研究利用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對(duì)軟弱圍巖隧道(V 級(jí))施工安全步距調(diào)整前后進(jìn)行了變形和應(yīng)力分析,結(jié)果表明,安全步距的調(diào)整對(duì)隧道主體結(jié)構(gòu)安全影響程度不大,各項(xiàng)模擬計(jì)算結(jié)果依然滿足規(guī)范限值要求。模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)該類隧道降低施工安全步距管按要求提供了理論支持,有利于施工現(xiàn)場各項(xiàng)工序的合理銜接。

        該種圍巖狀況下,拱頂和拱腰掉塊風(fēng)險(xiǎn)較大。必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案實(shí)施超前小導(dǎo)管注漿,加強(qiáng)導(dǎo)管注漿管理,并結(jié)合地下水情況,合理引排,必要時(shí),可采用超前支護(hù)與圍巖初噴相結(jié)合的方式,保證掌子面作業(yè)安全。

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