不同開挖順序?qū)Υ笃珘盒艟嗨淼腊踩杂绊?/h1>
2021-06-07 10:14:50王明明孟相昆
鄧 俊，劉 科，王明明，孟相昆
(中國(guó)建筑第五工程局有限公司，長(zhǎng)沙 410000)
在山區(qū)或者城區(qū)修建公路隧道，往往受地形條件、線路選型、走向等條件限制，在長(zhǎng)隧道洞口段或者短隧道會(huì)采取小凈距隧道形式，且遇到越來越多的大偏壓小凈距隧道.在我國(guó)西南部山區(qū)，修公路時(shí)往往會(huì)遇到自然坡度30°～60°的嚴(yán)重偏壓地形，與常規(guī)小凈距隧道相比，大偏壓小凈距隧道施工引起的圍巖擾動(dòng)更大，極易引起圍巖發(fā)生失穩(wěn)破壞，施工風(fēng)險(xiǎn)更高.對(duì)于大偏壓小凈距隧道，由于兩側(cè)圍巖埋深相差較大，存在嚴(yán)重的偏壓效應(yīng)，不同的深淺埋施工順序?qū)λ淼朗┕r(shí)圍巖穩(wěn)定性影響較大[1-7].因此，確定不同施工順序?qū)Υ笃珘盒艟嗨淼朗┕ぐ踩缘挠绊懼陵P(guān)重要.本文依托某大偏壓小凈距隧道工程，基于有限元強(qiáng)度折減法，研究不同偏壓角度及開挖順序?qū)λ淼篱_挖安全性與圍巖破壞模式的影響.
1 工程概況
某隧道為我國(guó)西南部山區(qū)高速公路雙向4車道小凈距隧道，最小凈距為7.5 m，隧道長(zhǎng)度為260 m，開挖高度為10.54 m，單洞開挖寬度為13.61 m，采用0.5 m厚C30鋼筋混凝土二次襯砌，初期支護(hù)為：0.26 m厚C25噴射混凝土，直徑25 mm中空注漿錨桿，長(zhǎng)度4.5 m，I20a鋼拱架，間距0.5 m，具體支護(hù)斷面如圖1所示.
圖1 小凈距隧道支護(hù)斷面
隧道所處圍巖等級(jí)為IV級(jí)，地面橫向偏壓角度為40°，左洞較右洞埋深淺，存在明顯的地形偏壓，左側(cè)隧道拱肩覆土最小厚度為10 m，右側(cè)隧道拱肩覆土厚度為38 m.現(xiàn)場(chǎng)隧道施工采用上下臺(tái)階法，由于雙洞覆土厚度相差較大，存在較大偏壓效應(yīng)，確定好2洞的施工先后順序?qū)λ淼朗┕し€(wěn)定性控制至關(guān)重要.
2 有限元模型建立
本文基于Abaqus建立二維數(shù)值分析模型，如圖2所示，模型寬度為100 m，高度為100 m，圍巖選取選取CPE4R單元模擬，共劃分3.57萬(wàn)個(gè)單元，定義模型的上邊界為自由邊界，對(duì)模型左右邊界單元節(jié)點(diǎn)的水平位移進(jìn)行約束，同時(shí)對(duì)模型底部單元節(jié)點(diǎn)的豎向位移進(jìn)行約束.
圖2 小凈距隧道有限元計(jì)算模型
為分析不同開挖順序及地形偏壓程度對(duì)隧道開挖穩(wěn)定性的影響，基于強(qiáng)度折減法理論，將有限元與強(qiáng)度折減法相結(jié)合的方法應(yīng)用于隧道穩(wěn)定性分析，并對(duì)圍巖抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，得到隧道極限狀態(tài)下的安全系數(shù)，以此對(duì)隧道施工穩(wěn)定性進(jìn)行安全評(píng)價(jià)[8-9].在強(qiáng)度折減法求解過程中，本文以拱頂下沉發(fā)生突變作為失穩(wěn)依據(jù)[10].
其中，0c為圍巖初始粘聚力；cF為圍巖極限狀態(tài)下的粘聚力；0φ為圍巖初始內(nèi)摩擦角；Fφ為圍巖極限狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角；K為圍巖安全系數(shù).
圍巖材料初始參數(shù)見表1[11].
表1 圍巖材料初始參數(shù)
工況設(shè)計(jì)主要考慮施工順序與偏壓角度變化這2個(gè)因素對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，見表2.
表2 工況設(shè)計(jì)
3 隧道開挖安全性結(jié)果分析
本文在強(qiáng)度折減法求解過程中以拱頂下沉發(fā)生突變作為隧道失穩(wěn)依據(jù)，將拱頂沉降的突變點(diǎn)用豎向小線段標(biāo)出，得到不同開挖順序下突變點(diǎn)的圍巖安全系數(shù)與拱頂沉降值見圖3和圖4.
由圖3和圖4可知，偏壓角度變化對(duì)隧道開挖整體安全系數(shù)影響較大，且在不同施工順序下隧道整體安全系數(shù)差異較大.當(dāng)偏壓角度在30°～40°之間增大時(shí)，隧道圍巖整體安全系數(shù)減小最為明顯；先開挖深埋洞時(shí)隧道整體安全系數(shù)明顯低于先開挖淺埋洞時(shí)，先開挖淺埋洞的拱頂沉降明顯小于先開挖深埋洞.因此，對(duì)于大偏壓小凈距隧道施工時(shí)應(yīng)選擇先開挖淺埋洞，再施工深埋洞.
圖3 不同開挖順序下的拱頂沉降
圖4 不同偏壓角度下的圍巖安全系數(shù)與拱頂沉降
為了進(jìn)一步分析不同偏壓角度及開挖順序?qū)λ淼腊踩缘挠绊?，分別提取先開挖淺埋洞、先開挖深埋洞及2洞同時(shí)開挖時(shí)不同偏壓角度下小凈距隧道圍巖極限狀態(tài)時(shí)塑性區(qū)分布，見圖5.
基于隧道圍巖塑性區(qū)分布特征，將隧道圍巖的潛在破裂面形態(tài)匯總，見圖6.通過塑性應(yīng)變的大小及塑性區(qū)是否貫通來區(qū)分主要與次要破壞區(qū)(實(shí)線為主要破壞區(qū)，虛線為次要破壞區(qū)).
由圖5和圖6可知，先開挖淺埋洞或先開挖深埋洞時(shí)，會(huì)引起隧道淺埋側(cè)產(chǎn)生豎向剪切裂縫，并貫穿至地表.隨著偏壓角度的增大，豎向剪切破裂面發(fā)生大幅度偏轉(zhuǎn)，當(dāng)偏壓角度＞45°后，淺埋側(cè)拱腳處產(chǎn)生較大的滑裂縫，并貫通到外側(cè)地表.雙洞同時(shí)開挖時(shí)，在不同偏壓角度下剪切破裂縫主要分布于中夾巖柱區(qū)域，破裂面呈現(xiàn)“X”型分布，中夾巖柱最易發(fā)生破壞，施工時(shí)應(yīng)注意對(duì)中夾巖柱進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)加強(qiáng)位移監(jiān)測(cè).
圖5 不同偏壓角度下小凈距隧道圍巖塑性區(qū)分布
圖6 不同偏壓角度下隧道圍巖破壞模式
4 結(jié)論
1)偏壓角度的增大能極大地降低隧道安全系數(shù)，當(dāng)偏壓角度在30°～40°之間增大時(shí)，安全系數(shù)減小最為明顯；先開挖深埋洞時(shí)隧道整體安全性明顯低于先開挖淺埋洞時(shí).
2)先開挖淺埋洞或先開挖深埋洞時(shí)，隧道淺埋側(cè)圍巖會(huì)出現(xiàn)豎向剪切破裂面，當(dāng)偏壓角度＞45°時(shí)，隨著開挖的進(jìn)行破裂面會(huì)出現(xiàn)大幅度偏轉(zhuǎn)，且最終在淺埋側(cè)拱腳處產(chǎn)生較大的滑裂縫，并貫通到外側(cè)地表；雙洞同時(shí)開挖時(shí)，中夾巖柱區(qū)域均呈“X”型的破裂面分布.
3)大偏壓小凈距隧道施工時(shí)，選擇先開挖淺埋洞，再施工深埋洞.因中夾巖柱最易發(fā)生破壞，施工時(shí)應(yīng)注意對(duì)中夾巖柱進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)加強(qiáng)位移監(jiān)測(cè).
猜你喜歡
埋地燃?xì)夤艿纼艟嗖蛔銜r(shí)采取的安全防護(hù)措施煤氣與熱力(2021年5期)2021-07-22 09:02:12 預(yù)留土法對(duì)高鐵隧道口淺埋偏壓段的影響湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2016年2期)2016-12-01 04:06:31 淺埋小凈距隧道下穿多股鐵路的風(fēng)險(xiǎn)分析及對(duì)策石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2015年3期)2015-02-28 15:05:44 淺埋偏壓富水隧道掘進(jìn)支護(hù)工藝分析河南科技(2015年4期)2015-02-27 14:21:05 灰色理論在偏壓連拱隧道中的應(yīng)用河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2015年3期)2015-02-27 13:46:32 基于TPS40210的APD偏壓溫補(bǔ)電路設(shè)計(jì)電子設(shè)計(jì)工程(2015年3期)2015-02-27 12:03:55 布萊斯峽谷巖柱發(fā)明與創(chuàng)新(2015年17期)2015-02-27 10:39:04 小凈距盾構(gòu)隧道開挖相互影響分析中國(guó)工程咨詢(2015年9期)2015-02-25 06:55:40 城市復(fù)雜隧道群中超小凈距夾巖穩(wěn)定性研究中國(guó)鐵道科學(xué)(2014年6期)2014-06-21 06:35:16 洞室地基穩(wěn)定性驗(yàn)算方法的改進(jìn)重慶建筑(2011年3期)2011-02-09 09:06:24
鄧 俊，劉 科，王明明，孟相昆
(中國(guó)建筑第五工程局有限公司，長(zhǎng)沙 410000)
在山區(qū)或者城區(qū)修建公路隧道，往往受地形條件、線路選型、走向等條件限制，在長(zhǎng)隧道洞口段或者短隧道會(huì)采取小凈距隧道形式，且遇到越來越多的大偏壓小凈距隧道.在我國(guó)西南部山區(qū)，修公路時(shí)往往會(huì)遇到自然坡度30°～60°的嚴(yán)重偏壓地形，與常規(guī)小凈距隧道相比，大偏壓小凈距隧道施工引起的圍巖擾動(dòng)更大，極易引起圍巖發(fā)生失穩(wěn)破壞，施工風(fēng)險(xiǎn)更高.對(duì)于大偏壓小凈距隧道，由于兩側(cè)圍巖埋深相差較大，存在嚴(yán)重的偏壓效應(yīng)，不同的深淺埋施工順序?qū)λ淼朗┕r(shí)圍巖穩(wěn)定性影響較大[1-7].因此，確定不同施工順序?qū)Υ笃珘盒艟嗨淼朗┕ぐ踩缘挠绊懼陵P(guān)重要.本文依托某大偏壓小凈距隧道工程，基于有限元強(qiáng)度折減法，研究不同偏壓角度及開挖順序?qū)λ淼篱_挖安全性與圍巖破壞模式的影響.
1 工程概況
某隧道為我國(guó)西南部山區(qū)高速公路雙向4車道小凈距隧道，最小凈距為7.5 m，隧道長(zhǎng)度為260 m，開挖高度為10.54 m，單洞開挖寬度為13.61 m，采用0.5 m厚C30鋼筋混凝土二次襯砌，初期支護(hù)為：0.26 m厚C25噴射混凝土，直徑25 mm中空注漿錨桿，長(zhǎng)度4.5 m，I20a鋼拱架，間距0.5 m，具體支護(hù)斷面如圖1所示.
圖1 小凈距隧道支護(hù)斷面
隧道所處圍巖等級(jí)為IV級(jí)，地面橫向偏壓角度為40°，左洞較右洞埋深淺，存在明顯的地形偏壓，左側(cè)隧道拱肩覆土最小厚度為10 m，右側(cè)隧道拱肩覆土厚度為38 m.現(xiàn)場(chǎng)隧道施工采用上下臺(tái)階法，由于雙洞覆土厚度相差較大，存在較大偏壓效應(yīng)，確定好2洞的施工先后順序?qū)λ淼朗┕し€(wěn)定性控制至關(guān)重要.
2 有限元模型建立
本文基于Abaqus建立二維數(shù)值分析模型，如圖2所示，模型寬度為100 m，高度為100 m，圍巖選取選取CPE4R單元模擬，共劃分3.57萬(wàn)個(gè)單元，定義模型的上邊界為自由邊界，對(duì)模型左右邊界單元節(jié)點(diǎn)的水平位移進(jìn)行約束，同時(shí)對(duì)模型底部單元節(jié)點(diǎn)的豎向位移進(jìn)行約束.
圖2 小凈距隧道有限元計(jì)算模型
為分析不同開挖順序及地形偏壓程度對(duì)隧道開挖穩(wěn)定性的影響，基于強(qiáng)度折減法理論，將有限元與強(qiáng)度折減法相結(jié)合的方法應(yīng)用于隧道穩(wěn)定性分析，并對(duì)圍巖抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，得到隧道極限狀態(tài)下的安全系數(shù)，以此對(duì)隧道施工穩(wěn)定性進(jìn)行安全評(píng)價(jià)[8-9].在強(qiáng)度折減法求解過程中，本文以拱頂下沉發(fā)生突變作為失穩(wěn)依據(jù)[10].
其中，0c為圍巖初始粘聚力；cF為圍巖極限狀態(tài)下的粘聚力；0φ為圍巖初始內(nèi)摩擦角；Fφ為圍巖極限狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角；K為圍巖安全系數(shù).
圍巖材料初始參數(shù)見表1[11].
表1 圍巖材料初始參數(shù)
工況設(shè)計(jì)主要考慮施工順序與偏壓角度變化這2個(gè)因素對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，見表2.
表2 工況設(shè)計(jì)
3 隧道開挖安全性結(jié)果分析
本文在強(qiáng)度折減法求解過程中以拱頂下沉發(fā)生突變作為隧道失穩(wěn)依據(jù)，將拱頂沉降的突變點(diǎn)用豎向小線段標(biāo)出，得到不同開挖順序下突變點(diǎn)的圍巖安全系數(shù)與拱頂沉降值見圖3和圖4.
由圖3和圖4可知，偏壓角度變化對(duì)隧道開挖整體安全系數(shù)影響較大，且在不同施工順序下隧道整體安全系數(shù)差異較大.當(dāng)偏壓角度在30°～40°之間增大時(shí)，隧道圍巖整體安全系數(shù)減小最為明顯；先開挖深埋洞時(shí)隧道整體安全系數(shù)明顯低于先開挖淺埋洞時(shí)，先開挖淺埋洞的拱頂沉降明顯小于先開挖深埋洞.因此，對(duì)于大偏壓小凈距隧道施工時(shí)應(yīng)選擇先開挖淺埋洞，再施工深埋洞.
圖3 不同開挖順序下的拱頂沉降
圖4 不同偏壓角度下的圍巖安全系數(shù)與拱頂沉降
為了進(jìn)一步分析不同偏壓角度及開挖順序?qū)λ淼腊踩缘挠绊?，分別提取先開挖淺埋洞、先開挖深埋洞及2洞同時(shí)開挖時(shí)不同偏壓角度下小凈距隧道圍巖極限狀態(tài)時(shí)塑性區(qū)分布，見圖5.
基于隧道圍巖塑性區(qū)分布特征，將隧道圍巖的潛在破裂面形態(tài)匯總，見圖6.通過塑性應(yīng)變的大小及塑性區(qū)是否貫通來區(qū)分主要與次要破壞區(qū)(實(shí)線為主要破壞區(qū)，虛線為次要破壞區(qū)).
由圖5和圖6可知，先開挖淺埋洞或先開挖深埋洞時(shí)，會(huì)引起隧道淺埋側(cè)產(chǎn)生豎向剪切裂縫，并貫穿至地表.隨著偏壓角度的增大，豎向剪切破裂面發(fā)生大幅度偏轉(zhuǎn)，當(dāng)偏壓角度＞45°后，淺埋側(cè)拱腳處產(chǎn)生較大的滑裂縫，并貫通到外側(cè)地表.雙洞同時(shí)開挖時(shí)，在不同偏壓角度下剪切破裂縫主要分布于中夾巖柱區(qū)域，破裂面呈現(xiàn)“X”型分布，中夾巖柱最易發(fā)生破壞，施工時(shí)應(yīng)注意對(duì)中夾巖柱進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)加強(qiáng)位移監(jiān)測(cè).
圖5 不同偏壓角度下小凈距隧道圍巖塑性區(qū)分布
圖6 不同偏壓角度下隧道圍巖破壞模式
4 結(jié)論
1)偏壓角度的增大能極大地降低隧道安全系數(shù)，當(dāng)偏壓角度在30°～40°之間增大時(shí)，安全系數(shù)減小最為明顯；先開挖深埋洞時(shí)隧道整體安全性明顯低于先開挖淺埋洞時(shí).
2)先開挖淺埋洞或先開挖深埋洞時(shí)，隧道淺埋側(cè)圍巖會(huì)出現(xiàn)豎向剪切破裂面，當(dāng)偏壓角度＞45°時(shí)，隨著開挖的進(jìn)行破裂面會(huì)出現(xiàn)大幅度偏轉(zhuǎn)，且最終在淺埋側(cè)拱腳處產(chǎn)生較大的滑裂縫，并貫通到外側(cè)地表；雙洞同時(shí)開挖時(shí)，中夾巖柱區(qū)域均呈“X”型的破裂面分布.
3)大偏壓小凈距隧道施工時(shí)，選擇先開挖淺埋洞，再施工深埋洞.因中夾巖柱最易發(fā)生破壞，施工時(shí)應(yīng)注意對(duì)中夾巖柱進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)加強(qiáng)位移監(jiān)測(cè).
猜你喜歡
煤氣與熱力(2021年5期)2021-07-22 09:02:12
湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2016年2期)2016-12-01 04:06:31
石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2015年3期)2015-02-28 15:05:44
河南科技(2015年4期)2015-02-27 14:21:05
河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2015年3期)2015-02-27 13:46:32
電子設(shè)計(jì)工程(2015年3期)2015-02-27 12:03:55
發(fā)明與創(chuàng)新(2015年17期)2015-02-27 10:39:04
中國(guó)工程咨詢(2015年9期)2015-02-25 06:55:40
中國(guó)鐵道科學(xué)(2014年6期)2014-06-21 06:35:16
重慶建筑(2011年3期)2011-02-09 09:06:24
