羅玉虎,汪 波

(1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,重慶 400074;2.西南交通大學(xué)地下工程系,成都 610031)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、交通的迫切需求,三車道及其以上的大斷面公路隧道不斷涌現(xiàn)。由于受地形、地質(zhì)條件限制以及隧道分建帶來的展線困難與占地多等因素的影響,大斷面小凈距隧道方興未艾[1]。

三車道大斷面小凈距隧道在國內(nèi)外并不多見,其支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征與圍巖的穩(wěn)定性均較為復(fù)雜,并與施工方法的選擇、施工過程的選用息息相關(guān)[2-4]。截至目前,國內(nèi)并無成熟的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒,基于此,以軟弱圍巖(Ⅴ級圍巖)條件下大斷面小凈距隧道為研究對象,深入分析不同施工方案及步驟條件下的圍巖力學(xué)行為特征將具有工程指導(dǎo)意義。

1 模型建立及參數(shù)選取

根據(jù)鄭家山隧道的具體情況,計(jì)算選?、跫墖鷰r。埋深 30 m,隧道凈距 14 m。對于模型邊界條件,在隧道橫斷面方向取 3～5倍洞徑,垂直方向在拱底以下取5倍洞徑[5],頂部取實(shí)際埋深,其計(jì)算模型見圖1。

計(jì)算模型中,初期支護(hù)噴混凝土采用梁單元予以模擬,初期支護(hù)中錨桿對圍巖的錨固作用采取提高其黏聚力的方式予以考慮[6]。模型中預(yù)設(shè)錨桿加固區(qū),計(jì)算中采取改變材料參數(shù)方式來實(shí)現(xiàn)錨桿的對圍巖的錨固作用。二次襯砌及圍巖采用平面單元予以模擬,具體力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 隧道有限元模型

計(jì)算采用平面應(yīng)變彈塑性本構(gòu)模型、D r u k e r-P r a g e r屈服準(zhǔn)則和相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則。通過設(shè)置不同開挖步模擬隧道開挖階段,并對各開挖步在不同荷載增量步加設(shè)錨噴支護(hù)或襯砌結(jié)構(gòu)來模擬支護(hù)施作時(shí)機(jī)的影響,由此達(dá)到對隧道開挖施工過程的模擬[7]。

表1 圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

2 施工方案的擬定

從目前的施工技術(shù)水平出發(fā),適應(yīng)大斷面的開挖方法有以下幾種:上半斷面超前短臺(tái)階法、C D(中壁)法、C R D法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、全斷面法。本文選取臺(tái)階法、C D法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等 3種施工方案進(jìn)行數(shù)值模擬對比分析,以確定該條件下大斷面小凈距隧道最優(yōu)化施工方法,詳細(xì)列示如圖2。

圖2 施工方案示意

另針對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法,選擇了幾不同的施工步驟,以確定最優(yōu)化施工步驟。為便于比較,均采用先左洞、后右洞的施工順序。

方案 C每洞均為從內(nèi)側(cè)而外側(cè)施作。方案 D為每洞均為由外側(cè)而內(nèi)側(cè)施作,方案 E為先左洞內(nèi)側(cè),后左洞外側(cè),爾后施作右洞內(nèi)側(cè)、外側(cè),最后施作中間部分。

3 結(jié)果分析

3.1 不同施工方案下的圍巖變形

對不同施工方案的不同開挖步下拱頂及拱底的位移進(jìn)行監(jiān)測,得到不同施工方案的特征點(diǎn)位移變化曲線,見圖3。

圖3 各施工方案特征點(diǎn)圍巖變形曲線

從特征點(diǎn)的位移變化可見,隨開挖、支護(hù)的進(jìn)行,拱頂、拱底均出現(xiàn)指向洞內(nèi)的位移,拱頂產(chǎn)生沉降,拱底產(chǎn)生隆起,終在隧道修建完成后穩(wěn)定。

三種工法中,臺(tái)階法對于拱頂及拱底變形的控制最為不利,由于對拱頂、拱底的約束和支撐不足,從而使拱頂、拱底最大位移早早產(chǎn)生,分別為 8.04 mm和8.95 mm。C D法由于對于拱頂、拱底的豎向變形加以限制,從而使最值出現(xiàn)較晚,量值也小于臺(tái)階法,分別為 6.08 mm和 8.02 mm。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對于拱頂、拱底的支撐較強(qiáng),故對其變形的控制較好,最大值的發(fā)生明顯晚于前兩種工法。其拱頂位移也明顯小于臺(tái)階法與 C D法 ,為 5.12 mm。

3.2 不同施工方案下的圍巖受力分析

大斷面小凈距隧道的中巖柱由于開挖產(chǎn)生應(yīng)力疊加,常處于較為不利的狀態(tài),故選取 5個(gè)特征點(diǎn)(如圖4所示),觀察其在不同施工方案下圍巖最大、最小主應(yīng)力的變化,詳示于表2。

圖4 圍巖應(yīng)力特征點(diǎn)示意

從表2可見,三種工法的圍巖應(yīng)力較大值均出現(xiàn)在 D點(diǎn),其中臺(tái)階法的結(jié)果最甚,中巖柱最小主應(yīng)力最大為 1.37 MPa,C D法為 1.22 MPa,雙側(cè)壁導(dǎo)坑法為1.12 MPa,可見,采用臺(tái)階法施工時(shí),圍巖應(yīng)力集中最為嚴(yán)重。

表2 各方案下特征點(diǎn)主應(yīng)力

3.3 不同施工方案下的地表沉降

施工方法不同,對地表的影響也不同[8]。從各工法施工得到的地表沉降曲線(圖5)可見,三種工法中,采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖引起的地表沉降值最小,為1.95 mm,C D法次之,為 2.77 mm,臺(tái)階法較差,為4.79 mm。

大斷面小凈距隧道的開挖,將引起左、右洞地表沉降槽的疊加,凈距愈小,疊加效應(yīng)愈明顯。如圖6所示,以臺(tái)階法為例詳析之。當(dāng)左洞開挖、支護(hù)完成時(shí),地表沉降的最大值出現(xiàn)在左洞上方,為 1.42 mm,而隨著右洞開挖,位移發(fā)生疊加,峰值位移逐漸向右洞偏移,最終至隧道修建完成達(dá)最大值。

圖5 各方案地表沉降曲線

3.4 不同施工方案下圍巖穩(wěn)定性分析

在進(jìn)行隧道開挖與支護(hù)時(shí),各工法在右洞施工時(shí),左洞的塑性區(qū)均受到影響,產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍也隨之?dāng)U大。從中巖柱的塑性區(qū)大小來看(見圖7),臺(tái)階法屈服區(qū)范圍較大,臺(tái)階法的最大塑性應(yīng)變達(dá) 4.3‰。C D法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的最大塑性應(yīng)變分別為 1.6‰和 1.0‰,僅為臺(tái)階法的 37.2%和 23.3%。

圖6 地表沉降發(fā)展變化曲線

圖7 三種施工方案塑性區(qū)分布

臺(tái)階法開挖時(shí),由于開挖斷面較大,圍巖約束解除的比較快,不利于控制圍巖的變形。而雙側(cè)壁法和 C D法先開挖兩側(cè)導(dǎo)洞,同時(shí)采用中隔墻支護(hù),有效地減小了隧道開挖跨度,加強(qiáng)了對圍巖的約束,所以圍巖相對不易屈服。

3.5 不同施工過程的結(jié)果分析

采用不同的開挖步驟進(jìn)行施工,同樣會(huì)帶來隧道力學(xué)行為的改變。鑒于此,針對較復(fù)雜的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法,對方案 C、D、E進(jìn)行比較分析。

1)圍巖變形分析 對比方案 C、D、E拱頂、拱底最大變形(見表3)可知,不同施工過程對圍巖變形有一定的影響。在地層條件相同的情況下,同為先施作左洞,其兩側(cè)孰先孰后影響并不大。而左右洞開挖順序的變化對控制圍巖變形是有效的,從方案 E拱頂?shù)淖冃蚊黠@減小可見一斑。

2)圍巖受力分析對于不同施工過程圍巖受力的考察,仍采用圖4所示的 5個(gè)特征點(diǎn),詳見表4。由特征點(diǎn)最小主應(yīng)力可見,三種方案由于施工過程不同,導(dǎo)致應(yīng)力分布的改變。采用方案 D施工時(shí),中巖柱最小主應(yīng)力最大值為 0.84 MPa,方案 E為 0.93 MPa,方案C為 1.12 MPa,三者相差不大。

表3 拱頂、拱底最大變形 mm

表4 方案 C、D、E最小主應(yīng)力 MP a

3)圍巖穩(wěn)定性分析 從圖8可見,方案 E對于控制中巖柱塑性變形的發(fā)展效果最好,其塑性區(qū)范圍最小,而方案 D次之,方案 C(見圖7)較差。

圖8 不同施工步驟下塑性區(qū)分布

方案 C、D均為先開挖左洞,支護(hù)完成后開挖右洞。盡管支護(hù)及時(shí),圍巖塑性區(qū)仍會(huì)有較大的發(fā)展,方案 E為先開挖兩洞的兩側(cè)導(dǎo)洞,保留了中部核心土對洞室的支持,有效抑制了圍巖塑性區(qū)的伸展。故在采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí),應(yīng)有效利用中部核心土對洞室的支持,從而限制塑性區(qū)的發(fā)展。

4 結(jié)論與建議

本文以大斷面小凈距公路隧道施工為例,研究了在不同施工方案、不同施工步驟下,隧道圍巖變形、地表沉降、中間巖柱應(yīng)力、圍巖穩(wěn)定性等的變化,得出以下幾點(diǎn)有益結(jié)論:

1)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在限制圍巖變形、控制圍巖應(yīng)力集中、控制地面沉降、限制圍巖塑性區(qū)發(fā)展等方面作用顯著,C D法次之,臺(tái)階法較差。

2)對于施工程序較復(fù)雜的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法,不同的施工過程,將導(dǎo)致圍巖變形、受力的差異,影響圍巖塑性區(qū)的發(fā)展,從而影響圍巖的穩(wěn)定性。施工時(shí)應(yīng)盡可能利用中部核心土對洞室的支持,從而限制圍巖變形及塑性區(qū)的發(fā)展。

3)對于大斷面小凈距隧道,控制圍巖變形及中巖柱塑性區(qū)的發(fā)展尤為重要。應(yīng)合理選擇工法、施工步驟,以確保隧道施工及長期的安全性。

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