淺埋偏壓隧道支擋方案比選穩(wěn)定性數(shù)值分析

戴文革

(中鐵十三局集團(tuán) 第四工程有限公司，哈爾濱 150008)

淺埋偏壓隧道支擋方案比選穩(wěn)定性數(shù)值分析

戴文革

(中鐵十三局集團(tuán) 第四工程有限公司，哈爾濱 150008)

結(jié)合正在修建的太原至靜游段向陽村淺埋偏壓軟巖隧道，對不同支擋方案進(jìn)行隧道穩(wěn)定性數(shù)值模擬。通過分析不同支擋方案開挖過程中圍巖變形特性、塑性區(qū)分布和支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)，總結(jié)了偏壓隧道和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)、變形特性、破壞區(qū)分布特征以及變化規(guī)律。分析結(jié)果表明：擋墻+管棚+灰土擠密樁支護(hù)方案可以有效改善偏壓狀態(tài)，支護(hù)結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范安全度要求，有效控制擋墻基礎(chǔ)沉降，而且使洞壁關(guān)鍵點變形減小且更加均勻，加強(qiáng)隧道左邊水平約束，使得邊坡整體安全度增大。因此，擋墻+管棚+灰土擠密樁為合理支護(hù)方案。

淺埋偏壓 軟巖隧道 支擋方案 穩(wěn)定性 數(shù)值模擬

隨著交通量的日益增長，在山區(qū)修建公路、鐵路處處可見。建設(shè)中受開挖影響形成了大量的偏壓隧道，安全隱患不可避免。由于圍巖壓力呈明顯不對稱性、不均勻性，從而使支護(hù)受偏壓荷載，尋找隧道邊坡加固的優(yōu)化方案勢在必行［1］。蔡來炳［2］研究了潛在滑動面和隧道圍巖受拉影響區(qū);何山［3］對隧道邊坡治理設(shè)計與施工進(jìn)行了研究，并用常規(guī)的施工方法來加固邊坡;王磊［4］用施工動態(tài)監(jiān)測拱頂位移與有限元模擬來研究高速公路偏壓隧道;王偉鋒［5］采用側(cè)壁導(dǎo)坑法對淺埋偏壓隧道的施工工序進(jìn)行了研究等。但在圍巖松軟破碎、淺埋等復(fù)雜條件下隧道的合理支護(hù)仍是急需解決的難題［6］。

圍巖處于偏壓狀態(tài)時，相當(dāng)于一邊的水平約束減弱，在開挖過程中會引起圍巖應(yīng)力重分布，對圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生極不利影響。因此施作支擋結(jié)構(gòu)才能保證隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，常用支擋結(jié)構(gòu)包括擋墻、超前管棚及灰土擠密樁［7］等。

目前偏壓淺埋隧道在國內(nèi)外建成并投入使用的例子并不多，由于復(fù)雜的受力結(jié)構(gòu)、不利的初始狀態(tài)給施工帶來了一定難度。如何確保偏壓淺埋隧道的快速施工和安全，是建設(shè)過程中的關(guān)鍵。因此，開展不同支擋方案下淺埋偏壓隧道工程穩(wěn)定性研究具有十分重要的意義［8-9］。

本文針對在建太原至靜游段向陽村淺埋偏壓隧道工程，利用大型有限元軟件建立模型，按實際開挖順序和施工工藝，對淺埋偏壓軟巖隧道進(jìn)行數(shù)值模擬。從圍巖變形、初期支護(hù)力學(xué)響應(yīng)、安全度和圍巖塑性區(qū)分布等方面，比對不同支擋方案的合理性，以期為類似淺埋偏壓軟巖隧道的設(shè)計、施工和研究提供有益借鑒和參考。

1 工程概況

在建太原至靜游段向陽村淺埋偏壓隧道工程地質(zhì)剖面如圖1所示，上部為砂質(zhì)黃土，下部為膨脹土。為有效控制隧道的變形及穩(wěn)定性，比對擋墻、管棚及灰土擠密樁的錨固效果，以K75+750斷面為例，確定合理的支擋方案。在錨固效果分析過程中，C25噴射混凝土初期支護(hù)厚度取25 cm，二襯作為安全儲備;錨桿長度3.5 m，按1 m×1 m布置。

圖1 淺埋偏壓隧道工程地質(zhì)剖面

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型建立

采用通用大型結(jié)構(gòu)有限元分析軟件ANSYS10.0和連續(xù)介質(zhì)彈塑性本構(gòu)模型，三種邊坡支擋錨固方案如表1所示。

表1 邊坡支擋方案

在充分考慮隧道附近地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，計算模型選取兩側(cè)邊界至隧道中心線距離為45 m，底部邊界至隧道軌頂距離為30 m，上部取至地表。根據(jù)偏壓隧道特點，上部邊界為自由邊界，左右邊界為水平約束，上邊界底面邊界為豎向位移約束，共有1 876個四邊形單元，1 847個節(jié)點，三種支擋方案計算模型如圖2所示。

圖2 有限元計算模型

2.2 計算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察和設(shè)計院提供的參數(shù)分析報告，結(jié)合現(xiàn)行《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB10003—2005)［10］，圍巖物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

在軟巖中錨桿單元充分考慮其徑向摩擦效果，主要是控制隧道壁面徑向位移和圍巖內(nèi)部相對位移，具體參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗確定如表3所示。

表3 中空注漿錨桿力學(xué)參數(shù)

鋼拱架和掛網(wǎng)噴射混凝土的模擬，按抗彎剛度等效的原則，將初期支護(hù)的網(wǎng)噴混凝土和鋼拱架作為一個等效體，初期支護(hù)具體計算參數(shù)見表4。

表4 初期支護(hù)計算力學(xué)參數(shù)

3 計算結(jié)果分析

3.1 支擋方案一：邊坡不作處理

1)隧道施工引起圍巖變形特性

由于邊坡使隧道左邊橫向約束變?nèi)酰灰圃茍D如圖3所示。豎向位移較大，拱頂沉降4.73 cm;水平位移相當(dāng)不對稱，左拱腰水平位移4.40 cm，右拱腳為1.70 cm。表明隧道處于不穩(wěn)定滑坡帶中，必須施加擋墻等，才能保證隧道穩(wěn)定性。

圖3 隧道施工引起位移(單位：m)

2)初期支護(hù)力學(xué)響應(yīng)

從圖4可看出：邊坡不作任何處理的情況下，由于偏壓效應(yīng)，在左拱腳和右墻腳處出現(xiàn)較大彎矩，呈左右不對稱，右側(cè)要大于左側(cè)，支護(hù)承載力下降;軸力也是右側(cè)大于左側(cè)。支護(hù)結(jié)構(gòu)處于很不利受力狀態(tài)，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在左拱腳外側(cè)，為6.05 MPa，超過 C25混凝土極限抗拉強(qiáng)度(2.00 MPa);最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在右墻腳內(nèi)側(cè)，為11.50 MPa，小于C25混凝土極限抗壓強(qiáng)度(19.00 MPa)。因此必須對邊坡進(jìn)行處理，才能保證支護(hù)結(jié)構(gòu)處于合理受力的安全狀態(tài)。

3)初期支護(hù)安全度

支護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵控制點安全系數(shù)見表5。

圖4 支護(hù)受力狀態(tài)

表5 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵控制點安全系數(shù)

由表5可知，結(jié)構(gòu)受力極不均勻，不滿足《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB10003－2005)中規(guī)定的安全系數(shù)要求(抗壓2.0和抗拉2.4)。

4)塑性區(qū)分布特征

圍巖在開挖強(qiáng)卸荷作用下都是要經(jīng)歷從彈性到塑性的過程。當(dāng)圍巖進(jìn)入塑性以后，其承載能力將大幅地下降，甚至發(fā)生整體的失穩(wěn)。

由于左邊坡使隧道左邊橫向約束變?nèi)酰淼乐苓厙鷰r處于剪切應(yīng)力狀態(tài)，施工后的塑性區(qū)分布如圖5所示，在隧道左、右拱腰處出現(xiàn)塑性區(qū)，左拱腰塑性區(qū)深度達(dá)到5.0 m多，右拱腰3.5 m，呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 圍巖塑性區(qū)分布

3.2 支擋方案二(擋墻+管棚)

1)隧道施工引起圍巖和支擋結(jié)構(gòu)變形特性

先施作擋墻和超前管棚，再開始隧道的施工。

對比圖3與圖6可以看出：相對方案一而言，方案二中豎向位移和水平位移均明顯好轉(zhuǎn)，拱頂沉降從4.73 cm降到1.77 cm，水平位移更是有很大的改善(左拱腰由4.40 cm降到1.91 cm、右拱腳由1.70 cm降到1.38 cm)，擋墻和管棚錨固使左邊坡橫向約束加強(qiáng)，隧道周邊豎向沉降、水平位移變小，且基本對稱。但是坡腳處沉降過大，給隧道帶來潛在風(fēng)險。

2)擋墻基礎(chǔ)沉降

圖6 隧道施工引起位移(單位：m)

圖7 擋墻基礎(chǔ)沉降(單位：m)

由于擋墻承受右邊坡的推力，使其基礎(chǔ)受力比較大，發(fā)生較大的沉降。從圖7中可以看出：擋墻基礎(chǔ)發(fā)生沉降2.96 cm，因此必須對基礎(chǔ)進(jìn)行處理，如施作灰土擠密樁，以提高擋墻及整個結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3)初期支護(hù)力學(xué)響應(yīng)

對比圖4與圖8可以看出：邊坡進(jìn)行了擋墻和隧道上方管棚處理，偏壓得到明顯改善，軸力和彎矩基本呈現(xiàn)左右對稱分布，支護(hù)承載力升高。

與方案一比，方案二最大應(yīng)力位置沒變，但最大拉應(yīng)力由6.05 MPa降到4.67 MPa;最大壓應(yīng)力由11.50 MPa降到9.80 MPa，可見不利受力狀態(tài)得到明顯改善。

圖8 支護(hù)受力狀態(tài)

4)初期支護(hù)安全度支護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵控制點安全系數(shù)見表6。

表6 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵控制點安全系數(shù)

由表6可知，結(jié)構(gòu)受力性能得到改善，關(guān)鍵點均滿足現(xiàn)行《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的安全系數(shù)要求。

5)塑性區(qū)分布特征

施工后的塑性區(qū)分布如圖9所示，對邊坡進(jìn)行擋墻+管棚錨固處理，使隧道周邊塑性區(qū)大幅度減少。沒處理前左拱腰塑性區(qū)深度5 m多，右拱腰也有3.5 m，處理后洞周圍巖塑性區(qū)基本沒有;但是邊坡管棚和擋墻接頭處出現(xiàn)塑性區(qū)，主要原因是擋墻基礎(chǔ)發(fā)生過大沉降所致，因此，在擋墻和管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)重點分析擋墻基礎(chǔ)的灰土擠密樁作用機(jī)理。

圖9 圍巖塑性區(qū)分布

3.3 支擋方案三：擋墻+錨管+灰土擠密樁支擋

1)隧道施工引起圍巖和支擋結(jié)構(gòu)變形特性

與前兩種方案相比，方案三中豎向位移和水平位移又有好轉(zhuǎn)且基本對稱(拱頂沉降由1.77 cm降至1.10 cm，水平位移左拱腰由1.91 cm降至1.07 cm，右拱腳由1.38 cm降至0.78 cm)(圖10)，提高了隧道整體穩(wěn)定性，灰土擠密樁起到了有效控制擋墻整體下沉的效果。

2)擋墻基礎(chǔ)沉降

對比圖7和圖11可知，灰土擠密樁較好地控制住擋墻基礎(chǔ)的沉降(從2.96 cm降至1.16 cm)，灰土擠密樁的施作提高了擋墻及整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖10 隧道施工引起位移(單位：m)

圖11 擋墻基礎(chǔ)沉降(單位：m)

3)初期支護(hù)力學(xué)響應(yīng)

從圖12可知，對邊坡進(jìn)行擋墻+管棚處理+擠密樁處理，偏壓明顯減小，受力狀態(tài)得到顯著改善;最大壓應(yīng)力進(jìn)一步減小，提高了隧道整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖12 支護(hù)受力狀態(tài)

4)初期支護(hù)安全度

支護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵控制點安全系數(shù)見表7，結(jié)構(gòu)受力偏壓效應(yīng)得到控制，安全度進(jìn)一步提高，全部滿足《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的安全系數(shù)要求。

表7 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵控制點安全系數(shù)

5)塑性區(qū)分布特征

相比前兩種工況(圖5和圖9)，灰土擠密樁有效控制擋墻基礎(chǔ)下沉，使擋墻和管棚接頭處的塑性區(qū)減小(圖13)，這時隧道處于半包圍結(jié)構(gòu)，整體穩(wěn)定性較好。

圖13 圍巖塑性區(qū)分布

4 結(jié)語

三種支擋方案的洞周關(guān)鍵點位移見表8。

表8 三種支擋方案關(guān)鍵點位移計算匯總 cm

從表5～表8可以看出：擋墻 +管棚加固可以改善隧道偏壓帶來的不利影響，隧道應(yīng)力集中也得到明顯的控制，但是較大的水平推力和自身重量，會使擋墻基礎(chǔ)發(fā)生過大沉降;在此基礎(chǔ)上施作灰土擠密樁可以有效控制擋墻基礎(chǔ)沉降，使圍巖和隧道受力更加合理，提高了隧道整體的安全系數(shù)。

綜合考慮三種支擋方案的錨固效果，施作擋墻+管棚+擠密樁才能保證淺埋偏壓軟巖隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

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U455

B

1003-1995(2011)03-0061-05

2010-08-20;

2010-09-30

戴文革(1966— )，男，山西臨汾人，高級工程師。

(責(zé)任審編 葛全紅)