Q2黃土中隧道斷面擴(kuò)大開挖優(yōu)化分析

楊博聞，付 剛

（重慶交通大學(xué)管理學(xué)院，重慶400074）

1 工程概況

1.1 工程背景

本隧道位于山西省呂梁地區(qū),為直墻半圓拱公路隧道。隧道原跨度3.0 m,高度4.0 m。由于該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,交通流量快速增長(zhǎng),原有公路計(jì)劃進(jìn)行拓寬改造,則該隧道斷面已不能滿足公路穿行需要,需要進(jìn)行擴(kuò)大開挖。斷面擴(kuò)大后跨度4.5 m,高度5.5 m。由于缺乏黃土隧道擴(kuò)建改造的工程范例及研究成果,最優(yōu)開挖順序難以確定。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)土樣分析,該隧道圍巖基本均為Q2砂質(zhì)黃土。對(duì)該斷面進(jìn)行開挖模擬分析,將對(duì)施工方案的確定提供有力依據(jù)。

1.2 工程地質(zhì)條件

Q2黃土出露于山西高原、豫西山前高地、渭北高原、陜甘和隴西高原,上覆Q3,下伏Q1黃土或第三系紅黏土或砂礫層[1－2]。本隧道涉及范圍內(nèi)為典型Q2砂質(zhì)黃土，見表1。

表1 列出Q2砂質(zhì)黃土主要力學(xué)參數(shù)[2]

2 研究方法及分析模型

根據(jù)該隧道圍巖的力學(xué)屬性及覆蓋厚度較小的特征,假定其滿足:連續(xù)、均勻、各向同性、完全彈性、小變形等經(jīng)典線彈性理論的基本假設(shè),故可以線彈性理論作為對(duì)隧道進(jìn)行分析的基礎(chǔ)[3－4]。因隧道在長(zhǎng)度方向的尺寸遠(yuǎn)大于橫截面尺寸,所以可按照平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行分析。

計(jì)算采用ANSYS12.0有限元分析軟件,其中任意斷面按照平面應(yīng)變模型計(jì)算。單元類型為四邊形實(shí)體單元,邊界條件為:左右邊界水平方向0位移約束,下邊界豎向0位移約束,上邊界為自由邊界。長(zhǎng)度單位采用m、kN。

圖1 隧道計(jì)算模型示意圖

有限元計(jì)算結(jié)果的合理與否在于計(jì)算模型尺寸、邊界條件以及材料力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的確定是否合理[5-7]。根據(jù)隧道開挖影響范圍的大小,計(jì)算模型的建立如圖1所示:模型寬度33 m,最大高度50 m,隧道左右兩幫距離模型左右邊界均為15 m,隧道底板距離模型底邊界10 m。

雖然按照線彈性模型計(jì)算最后的結(jié)果與開挖過(guò)程無(wú)關(guān),但是對(duì)任意局部施工步驟而言,在此處出現(xiàn)的最大應(yīng)力值與最大變形值可能不是出現(xiàn)在最后完工時(shí),為了找到應(yīng)力與位移的最大值,進(jìn)行施工步驟模擬是必要的。按照施工步驟的不同,對(duì)兩種施工方案進(jìn)行模擬,每個(gè)方案各6個(gè)步驟，見圖2。

圖2 兩種方案擴(kuò)挖施工示意圖

方案I的開挖順序?yàn)?（1）上部開挖→(2)拱部錨噴初期支護(hù)→(3)兩幫開挖→(4)邊墻錨噴初期支護(hù)→(5)下部開挖→(6)清底封閉仰拱。

方案Ⅱ的開挖順序?yàn)?(1)下部開挖→(2)底封閉仰拱→(3)上部開挖→(4)拱部錨噴初期支護(hù)→(5)兩幫開挖→(6)邊墻錨噴初期支護(hù)[5]。

3 開挖穩(wěn)定性分析

3.1 擴(kuò)挖前應(yīng)力場(chǎng)特征及變形分析

圖3為開挖前隧道圍巖應(yīng)力強(qiáng)度等值線圖。由圖4可以看出,隧道底角及側(cè)壁產(chǎn)生應(yīng)力集中,在兩底角及兩頂角應(yīng)力值較大,由于地表右側(cè)有單側(cè)山體結(jié)構(gòu),隧道有一定偏壓,右側(cè)圍巖受力較左側(cè)圍巖稍大,應(yīng)力在右側(cè)底角處達(dá)到最大值約9.25 Mpa。

顯然,在圍巖的擠壓應(yīng)力場(chǎng)作用下,隧道的側(cè)壁及底板為薄弱區(qū)域,應(yīng)重點(diǎn)研究其應(yīng)力分布及變形特征。山體的非對(duì)稱性對(duì)隧道圍巖影響微小,其造成的隧道左右兩側(cè)應(yīng)力及位移差別可以忽略。

圖3 擴(kuò)挖前圍巖鉛垂應(yīng)力強(qiáng)度等值線圖

圖4 為側(cè)壁節(jié)點(diǎn)分布圖

圖5 擴(kuò)挖前隧道變形折線圖

圖5 a為擴(kuò)挖前隧道側(cè)壁變形折線圖,橫坐標(biāo)為在隧道左壁自上而下等間距分布的21個(gè)節(jié)點(diǎn),縱坐標(biāo)為橫向變形值,以水平向右為正,向左為負(fù)。

圖5 b為隧道底板表面變形折線圖,橫坐標(biāo)為底板自左向右等間距分布的21個(gè)節(jié)點(diǎn),縱坐標(biāo)為縱向變形值,向下位移為負(fù)。

由圖5可知,由于隧道側(cè)壁呈垂線,受力狀況不良,側(cè)壁向內(nèi)側(cè)彎曲,圍巖將承受較大拉應(yīng)力,且于側(cè)壁中部產(chǎn)生最大值。模擬計(jì)算時(shí)圍巖由于重力影響整體沉降,故圖5b中縱坐標(biāo)絕對(duì)數(shù)值無(wú)參考價(jià)值,然而由底板變形趨勢(shì)仍可看出,隧道底部產(chǎn)生拉應(yīng)力而隆起,為了提高隧道穩(wěn)定性,確保路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,路面平整,可設(shè)置仰拱。

3.2 不同開挖方式應(yīng)力場(chǎng)及變形特征

若將方案I(1)～(4)步看作階段一；(5)(6)步看作階段二。方案Ⅱ(1)(2)步看作階段一；(3)～(6)步看作階段二。則兩方案實(shí)質(zhì)區(qū)別在于兩階段施工先后順序的不同。故以下將重點(diǎn)分析兩種方案分別在階段一完工時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)及變形特征。

圖6 兩種方案在階段一完工時(shí)的斷面圖

3.2.1 變形特征分析

兩種方案在階段一完工時(shí)的變形計(jì)算結(jié)果，見表2。

表2 變形計(jì)算結(jié)果表

圖7所示為兩種方案在階段一完工時(shí)側(cè)壁及底板變形折線圖。

由圖7可以看出,兩種方案變性特征相似。從左側(cè)壁上端向下,x正向位移逐漸增大,在中點(diǎn)附近達(dá)到最大值后位移逐漸向x負(fù)向過(guò)渡,在底角處達(dá)到x負(fù)向最大位移值;方案Ⅱ側(cè)壁整體位移明顯大于方案I;方案Ⅱ底板隆起曲率明顯大于方案I。

以變形為指標(biāo)評(píng)價(jià):方案I對(duì)隧道圍巖的擾動(dòng)程度小于方案Ⅱ。

圖7 第一階段擴(kuò)控變形對(duì)比

3.2.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

在整個(gè)隧道擴(kuò)挖過(guò)程中圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布將產(chǎn)生變化,階段一完工后兩方案應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，見表3。

表3 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

兩方案在階段一完工時(shí)側(cè)壁及底板x方向及y方向應(yīng)力對(duì)比圖如圖8所示。

圖8 第一階段擴(kuò)挖應(yīng)力對(duì)比

由圖8可知,在側(cè)壁應(yīng)力方面,兩種方案x與y向應(yīng)力分布特征基本相似,x向應(yīng)力數(shù)值大小基本相同,方案I y向應(yīng)力略大于方案Ⅱ;兩方案在底板應(yīng)力分布特征上也基本相同,方案I x向應(yīng)力數(shù)值略大于方案Ⅱ。

對(duì)于該隧道側(cè)壁來(lái)說(shuō),圍巖的x向應(yīng)力較易使整體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,對(duì)隧道較為不利,兩種方案表現(xiàn)基本相當(dāng),y向應(yīng)力均為壓應(yīng)力,對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響不大。隧道底部y向應(yīng)力將使底板向上隆起,兩種方案表現(xiàn)也基本相同。

4 結(jié)論

1)直墻半圓拱形隧道擴(kuò)挖過(guò)程中,跨度的增大引起了頂?shù)装逵绕涫堑装宓你U垂位移量的增大、底角的應(yīng)力集中范圍增大、底板拉應(yīng)力區(qū)及拉應(yīng)力值增大,容易造成底鼓現(xiàn)象。

2）隧道高度的增大,導(dǎo)致隧道幫部水平位移量的增大、底角的應(yīng)力集中范圍增大、幫部拉應(yīng)力區(qū)和拉應(yīng)力值增大,容易引發(fā)幫部失穩(wěn)。

3)圍巖位移比較:方案I的整體變形量小于方案Ⅱ;圍巖應(yīng)力比較:方案I與方案Ⅱ差異不明顯。

4)方案I在不破壞原有平整底板的基礎(chǔ)上即可進(jìn)進(jìn)行擴(kuò)大斷面施工,有利于提高施工效率;按照方案Ⅱ進(jìn)行施工時(shí),不利于大型機(jī)械化設(shè)備的利用。

綜合以上幾方面,方案I的施工步驟對(duì)原有圍巖結(jié)構(gòu)擾動(dòng)較小,是較為合理的方案。

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