廈門文興路隧道臺階法施工數(shù)值模擬

羅熾華 李正波

(中鐵二十三局集團第八工程有限公司，四川 成都 610091)

1 工程概況

廈門市文興路隧道工程地質(zhì)狀況極其復(fù)雜，左線隧道ZK1+200～ZK1+600段東側(cè)臨近水庫，平面最小距離20 m左右，隧道頂距離水庫底部40多米，隧道與水庫的平面關(guān)系見圖1。隧道洞身穿越F3斷層破碎帶(ZK1+309～ZK1+328，YK1+335～YK1+390)，斷層破碎帶與東山水庫相連，屬于壓扭性斷裂帶。該地區(qū)構(gòu)造裂隙發(fā)育，不排除其他地段裂隙水與東山水庫地表水有連貫的可能性等狀況。

圖1 水庫與隧道的平面關(guān)系

東山水庫平行于左線隧道，在其東側(cè)20 m。枯水期水庫儲量不大，有水面積小，枯水期水深3 m～4 m，庫容量5萬m3～6萬m3，雨季水庫最大容量75萬m3。如果水庫在斷層帶存在滲漏，對隧道開挖將產(chǎn)生嚴(yán)重影響，且隧道開挖引起的水庫滲漏沒有合理的治理，將給水庫蓄水帶來較大影響。

2 數(shù)值模擬

本次數(shù)值模擬基于大型巖土工程有限差分軟件FLAC3D，由于三維模型計算分析相當(dāng)耗時，為了節(jié)約計算時間，提高計算效率，考慮各種最不利的因素，僅取 ZK1+250～ZK1+300段做分析，此段里程含有構(gòu)造裂隙發(fā)育帶、緊急停車帶，隧道施工為短臺階法和CD法，三維有限差分模型如圖2，圖3所示，總共155100個單元，161874個節(jié)點。

弱風(fēng)化花崗巖巖層和支護混凝土采用彈性的本構(gòu)模型，強風(fēng)化花崗巖和裂隙發(fā)育帶采用m-c理想彈塑性本構(gòu)模型，各巖層和混凝土參數(shù)分別見表1，表2。

水庫的邊界條件比較復(fù)雜，本次計算僅對水庫的水壓作等效水壓力處理，未考慮庫水滲流及其流固耦合。

計算結(jié)果如下:

圖2 整體三維有限差分模型

圖3 局部隧道模型

三維模型中隧道里程方向前10 m采用短臺階法開挖，中間30 m采用CD法開挖，后10 m采用短臺階法開挖，并且隧道斷面采用緊急停車帶的斷面。計算過程中開挖階段考慮荷載釋放30%，初期支護階段荷載釋放60%，復(fù)合式襯砌階段荷載釋放10%，對于坐標(biāo)軸的Y向?qū)?yīng)為豎直方向，X向?qū)?yīng)為隧道橫斷面方向，Z向?qū)?yīng)為隧道里程方向，實際的ZK1+250～ZK1+300段對應(yīng)模型中的0 m～－50 m。

表1 地層參數(shù)

表2 混凝土參數(shù)

1)左側(cè)隧道0 m～－10 m臺階法開挖完后初期支護結(jié)果。

從圖4～圖8可以看出隧道的最大拱頂沉降為0.7 mm，側(cè)墻為0.2 mm，初期支護的最大壓應(yīng)力為5 MPa，最大拉應(yīng)力為0.8 MPa。因此，隧道在弱風(fēng)化的花崗巖中掘進時，圍巖、初期支護的位移、應(yīng)力都處于可控范圍之內(nèi)，隧道施工安全。

圖4 初期支護Y向位移（一）

圖5 初期支護X向位移（一）

2)左側(cè)隧道CD法開挖－10 m～－40 m和右側(cè)隧道臺階法開挖0 m～－5 m。

圖6 初期支護第一主應(yīng)力（一）

圖7 初期支護第二主應(yīng)力（一）

圖8 初期支護第三主應(yīng)力（一）

圖9 初期支護Y向位移（二）

a.初期支護的位移、應(yīng)力結(jié)果。

基于隧道施工最不利的力學(xué)影響因素以及模型簡化的考慮，計算過程中假設(shè)模型中的隧道里程－10 m～－40 m段全部穿越裂隙發(fā)育帶，并且左隧道超前右隧道35 m開挖。初期支護的位移、應(yīng)力結(jié)果見圖9～圖13。

圖10 初期支護X向位移（二）

圖11 初期支護第一主應(yīng)力（二）

圖12 初期支護第二主應(yīng)力（二）

圖13 初期支護第三主應(yīng)力（二）

b.復(fù)合式襯砌的位移、應(yīng)力結(jié)果。

從圖14～圖18可以看出隧道的初期支護施作完后，初期支護的最大拱頂沉降為5.5 mm，而復(fù)合式襯砌施作完成后，初期支護的最大拱頂沉降為5.9 mm，原因是由于隧道開挖引起的荷載釋放在開挖階段和初期支護階段已經(jīng)基本完成，因此，二次襯砌承受荷載較小，符合二次襯砌作為支護儲備的設(shè)計原則，因此，二襯完成后，隧道沉降值變化不大。

圖14 復(fù)合式襯砌Y向位移

圖15 復(fù)合式襯砌X向位移

從上述應(yīng)力云圖可以得出初期支護的最大壓應(yīng)力為10 MPa，最大拉應(yīng)力為1 MPa，而復(fù)合式襯砌的最大壓應(yīng)力為10 MPa，最大拉應(yīng)力為2 MPa，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳附近，因此，在施工過程中應(yīng)重點保證這部分的施工質(zhì)量。

圖16 復(fù)合式襯砌第一主應(yīng)力

圖17 復(fù)合式襯砌第二主應(yīng)力

圖18 復(fù)合式襯砌第三主應(yīng)力

3 結(jié)語

隧道在開挖的過程中遭遇構(gòu)造裂隙發(fā)育帶，所以在此過程中，開挖引起的位移較隧道在弱風(fēng)化巖層中推進工況的大，并且該區(qū)與水庫之間存在水力聯(lián)系的可能性，一旦水力聯(lián)系存在，勢必會進一步引起隧道圍巖的弱化，并且會進一步加速開挖后圍巖位移的發(fā)展。

[1]廈門市市政建設(shè)開發(fā)總公司.廈門富水復(fù)雜地層城市隧道修建關(guān)鍵技術(shù)研究[R].廈門:廈門市市政建設(shè)開發(fā)總公司，2011.

[2]陳 濤.隧道玻璃纖維錨桿全斷面預(yù)加固技術(shù)的應(yīng)用研究[R].北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2008.

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