軟巖+大跨度隧道施工力學(xué)模擬與分析

陳 勇

(廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510034)

軟巖+大跨度隧道施工力學(xué)模擬與分析

陳 勇

(廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510034)

永九快速線永龍隧道的雙向6車道淺埋大跨扁平結(jié)構(gòu)，對(duì)圍巖穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)受力均產(chǎn)生不利影響. 利用有限元程序模擬V級(jí)圍巖軟巖地質(zhì)條件下大跨度隧道的動(dòng)態(tài)施工過(guò)程，以隧道施工后周邊圍巖穩(wěn)定性和初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)安全性為指標(biāo)分析開(kāi)挖效果，從理論和與實(shí)際監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果證實(shí)了上下臺(tái)階雙側(cè)壁導(dǎo)坑法設(shè)計(jì)施工方案的合理. 研究成果為同類工程的設(shè)計(jì)與施工提供理論參考.

永龍隧道；軟弱圍巖；大跨度隧道；上下臺(tái)階雙側(cè)壁導(dǎo)坑法；力學(xué)分析；支護(hù)

大跨度隧道的開(kāi)挖不僅取決于工程地質(zhì)條件及斷面跨度與形狀，而且在很大程度上受開(kāi)挖工藝的影響.大跨度隧道一般采取分步開(kāi)挖，開(kāi)挖順序不同，圍巖應(yīng)力分布差別甚大，因此，開(kāi)挖順序不同，圍巖穩(wěn)定程度存在差異，這就是工程開(kāi)挖的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性. 目前對(duì)軟弱圍巖大跨度隧道較常用的施工方法有單側(cè)壁導(dǎo)坑法(CD法)、中壁交叉法(CRD法)及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法[1]. 隧道開(kāi)挖方案的模擬，大部分文獻(xiàn)是二維分析，沒(méi)有考慮到隧道開(kāi)挖過(guò)程的空間效應(yīng)，不能反映開(kāi)挖進(jìn)程的變化情況[2]. 為此，本文采用三維有限差分法(FLAC3D)對(duì)永龍隧道不同工況下圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，揭示大跨度隧道在不同開(kāi)挖階段的受力分布情況，為隧道掘進(jìn)工程設(shè)計(jì)和施工提供了重要的參考依據(jù).

1 永龍隧道主要特點(diǎn)

左線隧道起點(diǎn)里程Zk0+845，止點(diǎn)里程Zk2+710，長(zhǎng)1 865m，隧道路面設(shè)計(jì)高程71.41~56.76m；右線隧道起點(diǎn)里程Yk1+086，止點(diǎn)里程Yk2+705，長(zhǎng)1 619m，隧道路面設(shè)計(jì)高程76.42~57.31m. 隧道洞高約9.00m，隧道界限寬度13.75m，呈扁平狀結(jié)構(gòu). 隧道進(jìn)出口進(jìn)過(guò)地段多為Ⅴ級(jí)圍巖，少量屬于Ⅳ級(jí)圍巖. 由于圍巖級(jí)別較低，在隧道開(kāi)挖前進(jìn)行了注漿、錨桿、管棚等預(yù)加固措施處理.

隧道采用上下臺(tái)階雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，其斷面開(kāi)挖及支護(hù)步驟如圖1所示. 具體施工工序?yàn)椋?拱部φ42小導(dǎo)管(V級(jí)圍巖)或φ108管棚(V級(jí)圍巖加強(qiáng)段)超前支護(hù)注漿；2開(kāi)挖左側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階；3施作左側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階的初期支護(hù)(錨噴支護(hù))、臨時(shí)支護(hù)；4開(kāi)挖左側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階；5施作左側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階的初期支護(hù)(錨噴支護(hù))、臨時(shí)支護(hù)；6開(kāi)挖右側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階；7施作右側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階的初期支護(hù)(錨噴支護(hù))、臨時(shí)支護(hù)；8開(kāi)挖右側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階；9施作右側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階的初期支護(hù)(錨噴支護(hù))、臨時(shí)支護(hù)；10開(kāi)挖中間上部核心土；11施作中上部的初期支護(hù)(錨噴支護(hù))、臨時(shí)支護(hù)；12開(kāi)挖中心下臺(tái)階；13施作中心底部的初期支護(hù)；14拆除臨時(shí)支護(hù)，鋪設(shè)防水層，模筑二次襯砌；15施作路面和內(nèi)部結(jié)構(gòu).

圖1 隧道典型斷面及施工工序圖

2 隧道施工過(guò)程力學(xué)分析

采用三維有限差分法(FLAC3D)對(duì)永龍隧道典型施工過(guò)程進(jìn)行模擬分析，并對(duì)該隧道支護(hù)前后的力學(xué)性能進(jìn)行分析，能夠考慮到隧道軸線方向的地面不平整性對(duì)典型斷面的力學(xué)影響，以及能夠考慮施工的空間效應(yīng)，從而能夠更加真實(shí)地反映支護(hù)的力學(xué)狀態(tài).

2.1 計(jì)算范圍的選取

根據(jù)地形圖建立網(wǎng)格，模型的橫向?qū)挾葹?00m，沿線路縱向長(zhǎng)度為30m，按埋深15m取至地表，距隧底仰拱往下取30m，三維計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示. 計(jì)算模型的邊界條件上部為自由邊界，底部為Z方向均受到約束，其余四個(gè)側(cè)面為法向約束邊界. 模擬斷面的里程樁號(hào)為zK1+880~zK1+910.

圖2 各工況模型網(wǎng)格劃分圖

在三維數(shù)值分析中，隧道圍巖材料特性按均質(zhì)彈塑性考慮，采用 Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則. 圍巖采用三維實(shí)體單元(brick和wedge)，初期支護(hù)采用空間殼單元(shell)，二次襯砌、仰拱采用三維實(shí)體單元(brick)，且計(jì)算中視為彈性體. 模型單元總數(shù)11 690，節(jié)點(diǎn)總數(shù)13 255，結(jié)構(gòu)單元數(shù)2 925. 因隧道為淺埋隧道，故計(jì)算時(shí)僅考慮自重應(yīng)力場(chǎng). 根據(jù)地質(zhì)資料，圍巖的參數(shù)取兩層土體，分別為上部V級(jí)圍巖厚度為29m~40m，下部Ⅲ級(jí)圍巖厚度30m.

2.2 計(jì)算參數(shù)的確定

隧道洞身主要穿越Ⅴ級(jí)圍巖，隧道基底位于Ⅲ級(jí)圍巖，模擬計(jì)算時(shí)假設(shè)圍巖為均質(zhì)的連續(xù)介質(zhì)，其物理力學(xué)性質(zhì)根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料并結(jié)合規(guī)范[4]來(lái)取值. 初期支護(hù)采用C20 噴射混凝土，其參數(shù)取值見(jiàn)表1. 注漿小導(dǎo)管超前預(yù)支護(hù)的加固效果，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通過(guò)提高圍巖的物理力學(xué)參數(shù)來(lái)模擬. 錨桿的作用效果根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]建議，Ⅳ級(jí)圍巖可將加固區(qū)的圍巖凝聚力提高 20%來(lái)處理. 鋼拱架的作用也采用等效方法予以考慮，即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土[6]. 計(jì)算沒(méi)有考慮鋼筋網(wǎng)的作用效果，作為結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備.

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)表

圖3 開(kāi)挖中洞室周邊位移

2.3 隧道周邊位移從整個(gè)位移場(chǎng)結(jié)果來(lái)看，隧道在開(kāi)挖后位移不大，拱頂最大位移值為3.16mm. 從位移值判斷，隧道及周圍土體處于穩(wěn)定狀態(tài).

2.4 圍巖塑性區(qū)

圖4 開(kāi)挖過(guò)程中洞室周圍塑性區(qū)

上圖中為施工中圍巖的塑性區(qū)，圖4a為兩側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖圍巖的塑性區(qū)，圖4b為全斷面開(kāi)挖圍巖的塑性區(qū). 總的來(lái)說(shuō)，圍巖的塑性區(qū)均不大，集中在洞室周圍，塑性區(qū)徑縱向?yàn)?.2R，橫向?yàn)?.4R，以剪切塑性屈服為主.

2.5 主應(yīng)力

圖5 開(kāi)挖過(guò)程中洞室主應(yīng)力

上圖中為施工中圍巖的主應(yīng)力，圖5a和圖5b為兩側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖圍巖的主應(yīng)力圖，圖5c~圖5f為全斷面開(kāi)挖后圍巖及二襯的主應(yīng)力. 總的來(lái)說(shuō)，圍巖的主應(yīng)力均不大，圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài). 在開(kāi)挖的工作面，隧道拱腳，拱部，以及仰拱部位會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，施工中應(yīng)給予注意. 從分析可知，上下臺(tái)階雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是合理的施工方案.

2.6 各工況初期支護(hù)安全系數(shù)

2.6.1 襯砌截面強(qiáng)度檢算

對(duì)初期支護(hù)各施工工況下洞周關(guān)鍵點(diǎn)的安全系數(shù)按破損階段法計(jì)算如下，洞周關(guān)鍵點(diǎn)如下所示.

圖6 洞室關(guān)鍵點(diǎn)部位示意

表2 圖6a左側(cè)上臺(tái)階開(kāi)挖18m后初基支護(hù)關(guān)鍵點(diǎn)部位安全系數(shù)

表3 圖6a右側(cè)側(cè)下臺(tái)階開(kāi)挖后初基支護(hù)關(guān)鍵點(diǎn)部位安全系數(shù)

表4 圖6a左右導(dǎo)坑貫通后初基支護(hù)關(guān)鍵點(diǎn)部位安全系數(shù)

表5 圖6b全斷面開(kāi)挖后初基支護(hù)關(guān)鍵點(diǎn)部位安全系數(shù)

從安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果可知，在開(kāi)挖兩側(cè)壁導(dǎo)坑上臺(tái)階時(shí)，導(dǎo)坑墻角處安全系數(shù)較小，其余均超出設(shè)計(jì)的安全系數(shù). 因此施工時(shí)對(duì)上臺(tái)階開(kāi)挖導(dǎo)致的局部應(yīng)力集中應(yīng)適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度.

2.6.2 開(kāi)挖方案的施工驗(yàn)證

本文模擬斷面的里程樁號(hào)為zK1+880~zK1+910，現(xiàn)取zk1+888、zk1+898兩個(gè)隧道斷面拱頂沉降與時(shí)間關(guān)系圖如下：

圖7 拱頂位移與時(shí)間關(guān)系圖

從監(jiān)控量測(cè)的拱頂沉降曲線是收斂的，說(shuō)明圍巖是穩(wěn)定的，施工是安全的. 測(cè)得最大拱頂沉降為4.5mm.數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，證實(shí)了實(shí)際開(kāi)挖方案的合理.

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)軟弱圍巖大跨度隧道開(kāi)挖方案的三維數(shù)值模擬，理論分析和監(jiān)控量測(cè)結(jié)果表明：

1)從整個(gè)位移場(chǎng)結(jié)果來(lái)看，隧道在開(kāi)挖后位移不大，拱頂最大位移值為3.16mm. 從位移值判斷，隧道及周圍土體是處于穩(wěn)定狀態(tài). 與監(jiān)控量測(cè)結(jié)果對(duì)比，證明模型是合理的，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，證實(shí)了采用上下臺(tái)階雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖方案的合理.

2)圍巖的塑性區(qū)均不大，集中在洞室周圍，塑性區(qū)半徑縱向?yàn)?.2R，橫向?yàn)?.4R，以剪切塑性屈服為主.

3)隧道初期支護(hù)最小安全系數(shù)分別為2.507，滿足施工安全要求，說(shuō)明初期支護(hù)是合理的. 最不安全的地方在開(kāi)挖兩側(cè)壁導(dǎo)坑上臺(tái)階時(shí)的導(dǎo)坑墻角處，因此，施工時(shí)對(duì)上臺(tái)階開(kāi)挖導(dǎo)致的局部應(yīng)力集中應(yīng)適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度.

［1］程崇國(guó), 王新平. 對(duì)3車道大斷面公路隧道問(wèn)題的思考[J]. 公路交通技術(shù), 2002(3): 78-81.

［2］管海濤, 鄧榮貴, 孫冬麗. 隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用的數(shù)值模擬分析[J]. 四川建筑, 2005, 25(6): 53-54.

［3］中華人民共和國(guó)交通部. JTJ024-94 公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社, 1995.

［4］重慶交通科研設(shè)計(jì)院. JTG D70-2004 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2004.

［5］潘昌實(shí). 隧道力學(xué)數(shù)值方法[M]. 北京: 中國(guó)鐵道出版社, 1995.

［6］吳 波, 高 波, 索曉明, 等. 城市地鐵小間距隧道施工性態(tài)的力學(xué)模擬與分析[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào), 2005, 18(3): 84-89.

(責(zé)任編輯：饒 超)

Simulation and Analysis of Construction Behavior of Large-Span Tunnel in Soft Rocks

CHEN Yong
(Guangdong Zhonggong Architectural Design Institute Co. Ltd.,Guangzhou 510034, China)

The shallow buried long-span flat structure of Eternal-nine fast line Yong long tunnel for two-way six lanes tunnel reduce the stability of the surrounding rock mass and the tunnel structure. The construction procedure of the tunnel section in the rock mass with a rank of V was simulated using finite element method and was evaluated based on the criteria: the stability of the surrounding rock mass and the safety of preliminary and temporary supports. From the view point of theory and the result of contrast analysis of in-situ monitoring, confirmed fluctuation steps both side drift method firstly the reasonable construction scheme design method. Research results can offer a theoretical reference for design and construction of similar projects.

Yong long tunnel; Soft rock; Large-span tunnel; Fluctuation steps both side drift method; Mechanics analysis; Support

U4

A

1009-2854(2011)05-0025-06

2011-03-01；

2011-04-13

陳 勇(1982— ), 男, 湖南長(zhǎng)沙人, 廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司助理工程師.