胡 強(qiáng) 楊 洪 楊春平 曹 琨

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550081)

圍巖軟弱破碎段中的隧道斜井一般采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu),其中初期支護(hù)是隧道開挖階段抑制圍巖不利變形發(fā)展的主要受力結(jié)構(gòu),而二次襯砌則是隧道后期受力的主要承載結(jié)構(gòu),相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定要充分考慮圍巖的性質(zhì)及狀態(tài)、地下水情況、隧道凈空尺寸及其埋深等客觀條件,是一個(gè)相對復(fù)雜的過程。韓榮杰等[1]結(jié)合某鐵路隧道工程,對初期支護(hù)噴混厚度、錨桿長度等參數(shù)對圍巖的穩(wěn)定性影響進(jìn)行系統(tǒng)分析,進(jìn)而總結(jié)出一定的參數(shù)設(shè)置規(guī)律。殷小亮等[2]依托青島地鐵6號線華山一路站,采用多種研究手段探究不同支護(hù)參數(shù)下的隧道施工力學(xué)特性。周建春等[3]以定量確定某公路隧道施工初期支護(hù)參數(shù)為研究對象,采用數(shù)值模擬手段驗(yàn)算了初期支護(hù)承載能力。姜高勇等[4]研究對比驗(yàn)證了多種隧道二次襯砌可靠度的計(jì)算方法,分析總結(jié)出相應(yīng)方法計(jì)算偏差的內(nèi)在原因。

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)選取及可靠度分析與隧道建設(shè)條件密貼相關(guān),不同圍巖情況下的支護(hù)結(jié)構(gòu)存在較大的差異性。本文以某隧道斜井工程為研究對象,通過數(shù)值模擬手段從鋼構(gòu)件受力、初支混凝土受力及二襯結(jié)構(gòu)受力三方面對支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體受力進(jìn)行綜合驗(yàn)算,以計(jì)算分析該隧道斜井支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性。

1 工程概況

某隧道為分離式特長隧道,左幅隧道起訖樁號ZK21+460-ZK29+470,全長8 010 m,右幅隧道起訖樁號YK21+440-YK29+480,全長8 040 m?？紤]到后續(xù)運(yùn)營通風(fēng)需要,該隧道設(shè)置有1座通風(fēng)斜井,斜井長1 984.926 m,斜井縱坡為-11.14%,井口設(shè)計(jì)高程為1 924.98 m,井底設(shè)計(jì)高程為1 703.88 m,高差221.10 m。

該隧道斜井穿越一處斷層,其上盤圍巖以砂巖夾黏土巖為主,屬半成巖,巖質(zhì)極軟,結(jié)合差,呈碎裂結(jié)構(gòu);下盤圍巖為印支期二長花崗巖,其節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,呈碎裂狀或裂隙塊狀結(jié)構(gòu)。因該隧道主洞進(jìn)口端半成巖段在施工過程中出現(xiàn)較多的初期支護(hù)開裂變形問題,為確保斜井支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性,特對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合驗(yàn)算。

該段落斜井的設(shè)計(jì)支護(hù)方案為:24 cm厚的C25噴射混凝土、縱向間距為80 cm的I18鋼拱架、長度為3.5 m的直徑22 mm砂漿錨桿、長度為3 m的直徑22 mm鎖腳錨桿、45 cm厚C30鋼筋混凝土二次襯砌、斜井中隔墻、仰拱填充和路面結(jié)構(gòu)等,其中斜井中隔墻在后期方才施作,故在施工階段時(shí)不作為承重結(jié)構(gòu)考慮。隧道斜井支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面見圖1。

圖1 某隧道斜井支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

2 建模分析

2.1 計(jì)算工況設(shè)置

結(jié)合斜井的工程建設(shè)條件,采用數(shù)值模擬手段對設(shè)計(jì)支護(hù)方案進(jìn)行綜合分析?？紤]到淺埋情況下隧道所承受的圍巖壓力隨埋深增加而增大,故淺埋情況下的分析斷面選擇在深淺埋分界的界限深度,從而保證所計(jì)算工況的代表性。結(jié)合相關(guān)規(guī)范[5]及某隧道斜井的結(jié)構(gòu)參數(shù),計(jì)算深淺埋界限深度如下。

ω=1+i(Bt-5)=1.598 m

(1)

Hp=2.5hq=2.5×0.45×2s-1w≈29 m

(2)

式中:Bt為隧道最大開挖跨度,取10.98 m;i為

圍巖壓力增減率,取0.1;w為寬度影響系數(shù);hq為荷載等效高度;s為圍巖級別,取值為5。

同時(shí),考慮到某隧道斜井?dāng)鄬酉卤P印支期二長花崗巖的工程力學(xué)性質(zhì)相比上盤砂巖夾黏土巖而言相對較好,深埋情況下的分析斷面應(yīng)保證隧道整體處于砂巖夾黏土巖中,且上覆土體深度最大的最不利位置。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙可知,深埋分析斷面的埋深為65 m,具體深淺埋分析斷面示意見圖2。

圖2 某隧道斜井深淺埋分析斷面位置示意圖

基于上述分析,本次模型計(jì)算共設(shè)置2種分析工況,見表1。

表1 分析工況設(shè)置表

2.2 模型參數(shù)選取

根據(jù)隧道斜井的地勘報(bào)告及其他相關(guān)材料,選取圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)指標(biāo),見表2。

表2 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)指標(biāo)

3 有限元計(jì)算分析

采用midas GTS NX軟件構(gòu)建平面應(yīng)變計(jì)算模型,具體模型參數(shù)設(shè)置如下:根據(jù)圣維南原理,取模型寬度為110 m,模型底部深度30 m,模型上部高度根據(jù)分析工況調(diào)整;隧道初支混凝土采用板單元模擬,二襯采用梁單元模擬,系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨桿、工字鋼均采用植入式梁單元模擬;結(jié)合該斜井實(shí)際施工情況,模型開挖方法采用環(huán)形開挖留核心土法,同時(shí)在開挖過程中圍巖應(yīng)力釋放比例按鈍化網(wǎng)格瞬間釋放40%的比例,其后每一循環(huán)步釋放10%的比例進(jìn)行,以最大限度地模擬某隧道斜井軟弱圍巖的受力特性。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行模型計(jì)算分析,下面以工況二為例,對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 鋼構(gòu)件受力分析

圖3為鋼構(gòu)件受力圖。

圖3 鋼構(gòu)件受力圖

由圖3a)可知,在圍巖壓力的作用下鋼構(gòu)件整體受壓,并呈現(xiàn)出上臺(tái)階壓應(yīng)力整體較大,中下臺(tái)階依次遞減的趨勢。分析其原因,上臺(tái)階初期支護(hù)施作時(shí)間最早,所承受的圍巖壓力占比最大,故而結(jié)構(gòu)所承受的應(yīng)力相對較大。同理,中下臺(tái)階的施作時(shí)間較晚,且二次襯砌緊跟著施作,故而初期支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的圍巖壓力占比較小,結(jié)構(gòu)受力也較小。

由圖3b)可知,鋼構(gòu)件的剪力主要集中于其接頭位置,其中拱腳位置處的剪力數(shù)值最大。分析其原因,鋼構(gòu)件的接頭位置即開挖臺(tái)階的分界斷面,其存在一定的懸空階段,易發(fā)生側(cè)向擠壓變形的現(xiàn)象。實(shí)際施工中宜通過增設(shè)鎖腳管棚等措施,以保證隧道施工安全。由圖3c)可知,鋼構(gòu)件在拱部、邊墻和仰拱處內(nèi)側(cè)受拉,拱腰和拱腳處外側(cè)受拉,襯砌受力與實(shí)際相吻合。拱腳處剪力和彎矩突變現(xiàn)象是因?yàn)槌踔ЫY(jié)構(gòu)在拱腳處存在明顯的拐角,進(jìn)而引發(fā)應(yīng)力集中效應(yīng)。

在上述對鋼構(gòu)件內(nèi)力分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析其應(yīng)力分布情況,進(jìn)而判斷鋼構(gòu)件是否滿足設(shè)計(jì)要求?？紤]到工字鋼為彈塑性材料,故而選用遵循材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論的范式等效應(yīng)力作為評價(jià)其整體受力的力學(xué)指標(biāo),見圖4。

圖4 鋼構(gòu)件的范式等效應(yīng)力

由圖4可知,在圍巖壓力的作用下,鋼構(gòu)件在仰拱、邊墻處范式等效應(yīng)力相對較小,拱頂、拱腰處數(shù)值大小居中,而拱腳處的范式等效應(yīng)力水平較高。拱腳處應(yīng)力水平較高的原因在于該位置為鋼構(gòu)件連接的拐點(diǎn),存在著一定的應(yīng)力集中效應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致范式等效應(yīng)力出現(xiàn)突變,施工過程可通過增設(shè)加勁肋等形式加強(qiáng)該位置的施工質(zhì)量,初支封閉成環(huán)后,應(yīng)盡快施作仰拱及仰拱回填,減小拱腳位置的應(yīng)力集中效應(yīng)。

3.2 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

在上述對初期支護(hù)鋼構(gòu)件分析的基礎(chǔ)上,對噴射混凝土的受力情況進(jìn)行分析,綜合判斷初期支護(hù)的結(jié)構(gòu)安全性。噴射混凝土主應(yīng)力云圖見圖5,本計(jì)算模型中采用二維板單元來模擬噴射混凝土其可提取單元的最大及最小主應(yīng)力,采用容許應(yīng)力法分析噴射混凝土的結(jié)構(gòu)安全性。

圖5 噴射混凝土主應(yīng)力云圖

由圖5a)可知,噴射混凝土的壓應(yīng)力分布規(guī)律與鋼構(gòu)件的大體一致,呈現(xiàn)出隧道拱部位置壓應(yīng)力相對較大,隧道邊墻和仰拱位置相對較小的趨勢。噴射混凝土最小主應(yīng)力極值出現(xiàn)在隧道拱腰位置,數(shù)值為-10.13 MPa。

由圖5b)可知,噴射混凝土的拉應(yīng)力集中出現(xiàn)在鎖腳錨桿與初支結(jié)構(gòu)的搭接部位及左、右側(cè)拱腳位置,其中拱腳位置的拉應(yīng)力水平明顯高于其他區(qū)域,其極值達(dá)-2.91 MPa。

本隧道初期支護(hù)采用C25噴射混凝土,其軸心抗壓強(qiáng)度為12.5 MPa,彎曲抗壓強(qiáng)度為13.5 MPa,抗拉強(qiáng)度為1.3 MPa。結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果可知,噴射混凝土在拱腳位置存在一定的拉裂破壞,拉應(yīng)力超限區(qū)域約占截面總面積的1.8%。

3.3 二襯混凝土結(jié)構(gòu)受力分析

作為配筋結(jié)構(gòu),一般采用安全系數(shù)的指標(biāo)來評價(jià)二次襯砌的受力狀態(tài)。本模型中采用可提取單元軸力值和彎矩值的梁單元來模擬二襯結(jié)構(gòu),計(jì)算結(jié)構(gòu)的安全系數(shù),二次襯砌受力圖見圖6。

圖6 二次襯砌受力圖

由圖6可知,在圍巖壓力的作用下二次襯砌整體受壓,其中仰拱位置的壓應(yīng)力相對最小,拱頂、拱腰位置次之,拱腳位置則存在一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象,其最大值為-2 362.8 kN。與之類似,由于結(jié)構(gòu)自身拐角及采用梁單元簡化模擬的影響,二襯彎矩在拱腳位置呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中狀態(tài),其數(shù)值達(dá)-417.40 MPa,而其它區(qū)域的彎矩值均相對較小。

對二襯拱腳處應(yīng)力異常集中的現(xiàn)象進(jìn)行分析,其原因主要有兩方面:①圍巖應(yīng)力釋放是一個(gè)相對漫長的過程,實(shí)際的受力荷載是仰拱與仰拱填充等結(jié)構(gòu)物共同承擔(dān)的,模型中圍巖壓力則全部由初支和二次襯砌承擔(dān),導(dǎo)致計(jì)算出來的結(jié)構(gòu)受力較實(shí)際情況大;②二襯拱腳處存在相對突兀的結(jié)構(gòu)拐點(diǎn),且本模型所采用的梁單元無法模擬結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng),將結(jié)構(gòu)拐點(diǎn)極度簡化為一個(gè)單元節(jié)點(diǎn),導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象異常嚴(yán)重。鑒于上述原因,后續(xù)分析過程中剔除二襯梁單元在拱腳節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果,以相鄰節(jié)點(diǎn)作為結(jié)構(gòu)驗(yàn)算的控制點(diǎn),從而確保分析結(jié)論的可靠性。

3.4 工況計(jì)算結(jié)果對比

參照上述計(jì)算流程,再對工況一進(jìn)行計(jì)算分析,并將計(jì)算結(jié)果代表值匯總見表3。

表3 2種工況計(jì)算結(jié)果匯總表

對比分析工況一與工況二的計(jì)算結(jié)果可知,在支護(hù)參數(shù)相同的情況下,深埋工況下的襯砌結(jié)構(gòu)受力較淺埋工況大,后續(xù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算應(yīng)重點(diǎn)考慮埋深大的工況。

4 襯砌結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

4.1 鋼構(gòu)件驗(yàn)算

本隧道采用工字鋼為鋼材結(jié)構(gòu),其管壁容許應(yīng)力可按公式(3)計(jì)算。

fc=fb/n

(3)

式中:fc為管壁容許壓應(yīng)力,MPa;fb為管壁極限壓應(yīng)力,MPa;n為結(jié)構(gòu)安全系數(shù),取值1.5。

本隧道工字鋼采用Q235鋼材,其鋼材的容許壓應(yīng)力計(jì)算值為156.7 MPa,大于工況一和工況二下工字鋼的范式等效應(yīng)力極大值,故而認(rèn)為2種工況下鋼構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足要求。

4.2 噴射混凝土的強(qiáng)度驗(yàn)算

本斜井初期支護(hù)均采用C25噴射混凝土,其軸心抗壓強(qiáng)度為12.5 MPa,彎曲抗壓強(qiáng)度為13.5 MPa,抗拉強(qiáng)度為1.3 MPa。結(jié)合表3可知,工況一情況下噴射混凝土最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度,初期支護(hù)的結(jié)構(gòu)可靠性有所保障。

工況二情況下,噴射混凝土拱腳位置的最大主應(yīng)力數(shù)值局部超過其設(shè)計(jì)強(qiáng)度,需進(jìn)行進(jìn)一步分析。由圖5b)可知,拱腳外側(cè)的應(yīng)力水平最高,其極值達(dá)到了2.91 MPa,已超出C25噴射混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,而拱腳內(nèi)側(cè)的應(yīng)力水平相對較低,數(shù)值在0.65 MPa左右,尚在容許應(yīng)力水平以內(nèi)。分析數(shù)值模擬結(jié)果,認(rèn)為初支混凝土雖在拱腳處存在局部拉裂,但拉裂區(qū)僅存在于拱腳外側(cè)的端頭拐角區(qū)域,未沿初支截面貫通,初支結(jié)構(gòu)的整體可靠度尚有保障。

4.3 二襯混凝土的強(qiáng)度驗(yàn)算

該斜井二襯采用45 cm厚的C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其環(huán)向鋼筋采用直徑22 mm的HRB400鋼筋,縱向鋼筋采用直徑16 mm的HRB400鋼筋,箍筋采用直徑8 mm的HPB300鋼筋,二次襯砌配筋圖見圖7。

圖7 二次襯砌配筋圖

在明確二襯結(jié)構(gòu)尺寸及配筋情況的基礎(chǔ)上,結(jié)合模型計(jì)算結(jié)果,求解各工況下二襯結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)位置的安全系數(shù),具體見表4。

表4 2種工況下二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)匯總表

由圖6可知,二襯在拱頂、邊墻及拱底位置屬于內(nèi)側(cè)受拉區(qū),在拱腰和拱腳處屬于內(nèi)側(cè)受壓區(qū)。由表4的結(jié)果可知,2種工況下二襯結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)均滿足鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)混凝土達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度的安全系數(shù)2.4及混凝土達(dá)到抗壓或抗剪極限強(qiáng)度的安全系數(shù)2.0的要求,隧道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)及裂縫寬度均滿足規(guī)范要求,二襯結(jié)構(gòu)的安全性有所保障。

5 結(jié)論

采用數(shù)值模擬手段對半成巖隧道斜井支護(hù)結(jié)構(gòu)的初支鋼構(gòu)件受力、初支混凝土受力及二襯結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了系統(tǒng)分析,提出相關(guān)參數(shù)優(yōu)化的建議,主要結(jié)論如下。

1) 對比工況一與工況二的計(jì)算結(jié)果可知,在支護(hù)參數(shù)相同的情況下,深埋工況下的襯砌結(jié)構(gòu)受力較淺埋工況大,洞口軟弱圍巖段的成拱效應(yīng)較差。

2) 鋼構(gòu)件的剪力主要集中于其接頭位置,存在一定的側(cè)向擠壓變形風(fēng)險(xiǎn),實(shí)際施工中宜通過在工字鋼接頭位置增設(shè)鎖腳錨管等措施,以有效預(yù)防不利變形的發(fā)展。

3) 鋼構(gòu)件在仰拱、邊墻處范式等效應(yīng)力相對較小,拱頂、拱腰處數(shù)值大小居中,而拱腳處的范式等效應(yīng)力水平較高。施工過程應(yīng)采取增設(shè)加勁肋等形式加強(qiáng)工字鋼在拱腳位置的施工質(zhì)量,初支封閉成環(huán)后,應(yīng)盡快施作仰拱及仰拱回填,以減小拱腳位置的應(yīng)力集中效應(yīng)。

4) 通過計(jì)算分析噴射混凝土主應(yīng)力的數(shù)值情況及分布規(guī)律可知,拱腳外側(cè)的噴射混凝土拉應(yīng)力存在超出規(guī)范限制的可能性?？紤]初支鋼構(gòu)件未發(fā)生屈服,且初支混凝土的拉裂區(qū)未沿初支截面貫通,初支結(jié)構(gòu)的整體可靠度尚有保障。

5) 通過綜合計(jì)算可知,隧道斜井的鋼構(gòu)件受力、初支混凝土受力及二襯結(jié)構(gòu)受力均滿足結(jié)構(gòu)承載力要求,隧道斜井的支護(hù)參數(shù)設(shè)置合理,結(jié)構(gòu)安全性有所保障。

6) 結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)受力分析可知,半成巖等軟弱圍巖中的初支鋼架接頭及拱腳位置的結(jié)構(gòu)受力相對集中,是整環(huán)初期支護(hù)中的相對薄弱位置,施工過程中應(yīng)加強(qiáng)周邊位移和拱腳下沉等項(xiàng)目的監(jiān)測工作,必要時(shí)及時(shí)采取措施進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng),以確保施工期間支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。