戴云山隧道燕尾段施工數(shù)值仿真分析

， ，

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.中國兵器工業(yè)北方勘察設(shè)計研究院有限公司，河北 石家莊 050011)

0 引言

燕尾式隧道是近年來國內(nèi)出現(xiàn)的一種新型的隧道結(jié)構(gòu)形式，它由大跨加寬段、連拱段、小凈距段和分離段組合而成，較普通隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開挖跨度較大且斷面結(jié)構(gòu)型式變化頻繁，圍巖經(jīng)受多次擾動，穩(wěn)定性差，給施工帶來了極大的難度[1-2]，引起工程界的普遍關(guān)注。張家新等人利用ABAQUS有限元程序建立了八字嶺隧道數(shù)值模型，模擬了其不同洞段的開挖過程，提出合理的支護形式參數(shù)[3]；胡劍兵利用大型有限元軟件對八字嶺隧道施工過程進行數(shù)值模擬，分析了圍巖變化和破壞的特性[4]；王漢鵬等人建立了八字嶺分岔隧道的三維數(shù)值模型，得到了隧道圍巖的位移、應(yīng)力和損傷屈服區(qū)[5]等，前人的研究一般集中于理論和力學(xué)性質(zhì)研究，對燕尾段隧道的施工方法及技術(shù)措施分析較少。本文根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，從指導(dǎo)現(xiàn)場施工的角度指出燕尾式隧道在施工過程中將會遇到的重難點問題并提出相應(yīng)的施工對策，可為同類隧道的設(shè)計施工提供科學(xué)的依據(jù)與參考。

1 工程概況

戴云山隧道位于福建省福州市與三明市交界處，是新建向莆鐵路重點控制性工程之一。隧道燕尾段處于F4斷層影響帶范圍之內(nèi)，F(xiàn)4斷層產(chǎn)狀165°∠60°，與線路交角約為45°；斷層以密集節(jié)帶的形式表現(xiàn)，局部沿節(jié)理面產(chǎn)生水平滑移，地表寬度約為3 m，長度為800 m；該斷層為左旋平移斷層，其上盤影響寬度約為20 m，下盤影響寬度約為10 m，在影響范圍之內(nèi)的巖石節(jié)理裂隙相對發(fā)育，巖石破碎，地下水為構(gòu)造裂隙水，較發(fā)育，為強富水區(qū)。燕尾段圍巖分級如表1所示。

表1 隧道燕尾段圍巖分級里程長度/m圍巖級別隧道結(jié)構(gòu)型式備注DK422+950^DK423+520570IV大跨+連拱煤系地層局部軟弱夾層DK423+520^DK423+54020IV連拱F4斷層影響帶DK423+540^DK423+56020V連拱F4斷層DK423+560^DK423+58020IV連拱F4斷層影響帶DK423+580^DK423+888308III小凈距III級圍巖

燕尾段埋深為125～365 m之間，其中大跨加寬段最大開挖跨度21.01 m，開挖高度15.82 m，開挖面積達到267.9 m2。隧道大跨段采用三臺階法進行開挖，連拱段以中導(dǎo)洞超前，右洞全斷面先行開挖，小凈距段采用右洞全斷面先行，左洞全斷面再開挖。隧道燕尾段采用Ф42超前小導(dǎo)管支護，長度4 m，間距40 cm；徑向注漿錨桿長度4 m，間距環(huán)向1.0 m，縱向1.0 m,；開挖后采用I22a型鋼和I18型鋼鋼拱架網(wǎng)噴，鋼拱架間距60 cm，噴射混凝土為C25合成纖維，厚度30 cm，二次襯砌為C35鋼筋混凝土，厚度60 cm。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 建立有限元模型

數(shù)值模擬采用地層—結(jié)構(gòu)模型，將支護結(jié)構(gòu)與圍巖視為一體，作為共同承載的隧道結(jié)構(gòu)體系。燕尾段局部網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 燕尾段模型及網(wǎng)格劃分

有限元模型計算范圍在水平方向左右兩側(cè)取值為隧道跨度的3～4倍，豎直方向向上取至地表，本次模擬大跨斷面埋深130 m，連拱斷面埋深210 m，小凈距斷面埋深350 m，向下取值為隧道開挖輪廓尺寸的3～4倍；邊界條件設(shè)置為位移邊界條件，左右兩側(cè)和底面均為法向約束條件，上部頂面為自由邊界；巖體本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb彈塑性模型；圍巖自重應(yīng)力場作為初始應(yīng)力場；鋼拱架模擬采用彈模等效原則折算給初噴混凝土層；圍巖與初襯單元采用CPE4R 4節(jié)點平面應(yīng)變積分單元，錨桿采用T2D2二維二節(jié)點桁架單元[6]。材料參數(shù)列于表2，數(shù)值模擬開挖步序如圖2所示。

圖2 燕尾段開挖模擬步序圖(單位：m)

表2 計算模型的材料參數(shù)材料名稱密度/(kg·m-3)彈性模量E/GPa泊松比υ內(nèi)摩擦角c/(°)剪漲角φ/(°)粘聚力/MPa備注大跨段圍巖 2 0003.00.3527240.45IV級圍巖連拱段圍巖 2 0003.00.3527240.45IV級圍巖小凈距段圍巖2 3006.00.339360.7III級圍巖初期支護 2 40023.00.2C25 混凝土二次襯砌 2 50032.00.2C35 混凝土中隔墻 2 30028.00.2C20 混凝土錨桿 7 800200.00.2Ф22

2.2 圍巖應(yīng)力場分析

由計算得到的圍巖應(yīng)力云圖如圖3所示。由圖3可以看出，大跨段開挖過程中，拱底出現(xiàn)拉應(yīng)力，數(shù)值為0.038 MPa，左右邊墻位置處所受壓應(yīng)力較大，應(yīng)力值為9.096 MPa；連拱段開挖過程中，左右兩洞拱底處最大值應(yīng)力值較大，但均無拉應(yīng)力產(chǎn)生，中墻上方巖體所受壓應(yīng)力較大，為8.582 MPa；小凈距段開挖過程中，先行右洞拱頂、后行左洞拱頂和拱底均不同程度的出現(xiàn)了拉應(yīng)力，尤其以后行左洞拱底拉應(yīng)力較大，為0.078 MPa，中夾巖柱承受壓力為12.37 MPa；根據(jù)圍巖應(yīng)力分布情況可以確定洞周圍巖基本穩(wěn)定[7]，其中大跨段邊墻處圍巖，連拱段中隔墻上方巖體和小凈距段中夾巖柱應(yīng)力值較大，在整個燕尾段開挖過程中需加強重點保護。

圖3 圍巖應(yīng)力分布云圖(單位：MPa)

2.3 位移場分析

燕尾段開挖后位移矢量如圖4所示，其中大跨段拱頂沉降11.59 mm，拱底回彈12.5 mm；連拱段先行右洞拱頂沉降8.38 mm，拱底回彈8.80 mm，后行左洞拱底沉降8.11 mm，拱底回彈8.79 mm；小凈距段先行右洞拱頂沉降4.67 mm，拱底回彈5.12 mm，后行左洞拱頂沉降4.65 mm，拱底回彈5.06 mm；從圍巖最終收斂情況可以判定洞周圍巖基本穩(wěn)定，整個燕尾段拱頂沉降與拱頂回彈以大跨段變化最為顯著，連拱段次之，小凈距段變形最小；縱向來看，燕尾段拱底回彈量均大于拱頂沉降量，尤其在高地應(yīng)力情況下遇到局部軟弱夾層或膨脹性圍巖時，由于洞底開挖使上部圍巖壓力解除，應(yīng)力得到釋放，加之洞室積水，很可能造成洞底圍巖隆起變形，因此施工過程中應(yīng)及時排出拱底積水，并注意仰拱施作的及時性，以有效控制洞底的隆起變形；應(yīng)特別注意的是，連拱段位移矢量圖顯示中隔墻出現(xiàn)了整體向左偏移的現(xiàn)象，因此應(yīng)采取必要的措施防止中隔墻發(fā)生偏移。

圖4 燕尾段位移矢量圖

2.4 連拱段中隔墻應(yīng)力分析

數(shù)值模擬所選斷面處中隔墻高度為6.61 m，墻頂寬度1.64 m，墻底寬度3.96 m。為便于分析中隔墻應(yīng)力動態(tài)變化情況，選取中隔墻左、右墻壁中點和墻底中點為應(yīng)力分析的關(guān)鍵點。中隔墻應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 連拱段全斷面法開挖后中隔墻應(yīng)力云圖 (單位：MPa)

中洞開挖中隔墻施作后，左、右墻壁中點壓力值為6.322 MPa，墻底壓力為0.484 MPa；先行右洞支護完成后，中墻右壁中點壓應(yīng)力增長為13.233 MPa，相對于上一步的應(yīng)力增量為6.911 MPa，左壁中點壓應(yīng)力增長為6.46 MPa，墻底中點壓應(yīng)力減小為0.208 MPa；后行左洞開挖后，中墻右壁中點壓應(yīng)力增長為14.919 MPa，增量為1.686 MPa，左壁中點壓應(yīng)力增長為11.391 MPa，墻底中點由壓轉(zhuǎn)拉，拉應(yīng)力為1.407 MPa。根據(jù)中墻左右邊墻和墻底的三個關(guān)鍵點的應(yīng)力變化情況可以看出中隔墻受力在其材料強度允許范圍之內(nèi)，整個施工過程中，先行右洞開挖后，中隔墻出現(xiàn)了明顯的偏壓受力，右側(cè)壓應(yīng)力明顯大于大于左側(cè)，待后行左洞開挖后，中隔墻偏壓受力情況才得以改善，中隔墻墻底應(yīng)力在后行左洞開挖后由壓變拉。

2.5 初期支護應(yīng)力分析

初期支護最終應(yīng)力分布情況列于表3。

表3 燕尾段初期支護應(yīng)力值MPa隧道結(jié)構(gòu)型式初期噴射混凝土層最大主應(yīng)力出現(xiàn)位置最小主應(yīng)力出現(xiàn)位置系統(tǒng)錨桿最大主應(yīng)力出現(xiàn)位置大跨度1.87拱底-12.76邊墻217.0拱腰連拱0.880中墻上方-17.00右洞左拱腰197.4左洞右拱腰小凈距0.788左洞拱底-14.18中夾巖柱側(cè)壁186.4左洞右邊墻偏上

根據(jù)燕尾段初期支護應(yīng)力的模擬結(jié)果，可以看出初期支護體系基本處于安全狀態(tài)，其中以大跨段拱底位置所受拉應(yīng)力最為明顯，因此施工過程中更應(yīng)該注意仰拱施作的及時性，以使初期支護體系及時閉合成環(huán)，充分發(fā)揮支護作用，有效控制大跨隧道的變形收斂；初噴砼層壓應(yīng)力以連拱段先行右洞左拱腰處(即中隔墻右上方)最為顯著，小凈距段中夾巖柱次之，施工過程中應(yīng)當注意對連拱段中墻上方巖體和小凈距段中夾巖柱的保護；錨桿支護體系發(fā)揮的作用在大跨段中最為顯著，連拱段次之，小凈距段最小，拱腰位置處的錨桿所受拉應(yīng)力最大。

3 結(jié)論

通過對戴云山隧道燕尾段開挖過程的數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論與建議：

(1)大跨段開挖后拱頂下沉與拱頂回彈量值較大，不但要采用超強小導(dǎo)管預(yù)支護措施，對工作面前方巖體進行預(yù)加固以控制拱頂沉降，防止坍塌險情發(fā)生，還應(yīng)該及時施作隧道仰拱，使初期支護體系快速閉合成環(huán)聯(lián)合發(fā)揮作用，以有效抑制拱底回彈。

(2) 連拱段中隔墻上方巖體所受壓應(yīng)力最大，考慮到現(xiàn)場爆破開挖對該部分巖體的多次擾動，可以確定中隔墻上方巖體為整個連拱隧道的薄弱部位，所以中導(dǎo)洞開挖時應(yīng)重視超前小導(dǎo)管施作的及時性，以加固中隔墻上方巖體。

(3)連拱段中隔墻整體向左偏移，并表現(xiàn)出偏壓和墻底受拉的力學(xué)特點，建議中墻基底采用地基錨桿錨固，清底回填與二襯等強度混凝土，以減小墻底拉應(yīng)力，并有必要在后行左洞未開挖圍巖與中墻之間施作鋼支撐工程，以平衡先行右洞開挖后初支拱圈的推力，防止中隔墻向左偏移，減小中隔墻偏壓程度。

(4)小凈距段中夾巖柱承受壓力較大，很可能出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的情況，建議采用預(yù)裂爆破和光面爆破技術(shù)以減小對中夾巖柱的震動影響，其次采用小導(dǎo)管注漿、系統(tǒng)錨桿、水平貫通預(yù)應(yīng)力錨桿等方法加固中夾巖柱，及時施作初期支護，使中夾巖柱處于有利的三向受壓狀態(tài)。

參 考 文 獻

[1]周有江.燕尾式隧道設(shè)計及施工探討[J].隧道建設(shè),2009,29(3):367-370.

[2]蔚立元,李術(shù)才,郭小紅,等.分岔隧道過渡段穩(wěn)定性研究[J].中國公路學(xué)報,2011,24(1):89-95.

[3]張家新,柳治國.分岔隧道的圍巖應(yīng)力及變形數(shù)值分析[J].土工基礎(chǔ),2009,23(4):33-36.

[4]胡劍兵,喬春江,楊林松,等.分岔隧道施工三維數(shù)值仿真模擬研究[J].公路,2009(3):193-199.

[5]王漢鵬,李術(shù)才,鄭學(xué)芬.偏壓分岔隧道施工過程損傷破壞分析與優(yōu)化研究[J].巖土力學(xué),2009,30(6):1705-1710.

[6]陳衛(wèi)忠,伍國軍,賈善坡. ABAQUS在隧道及地下工程中的應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,2010.

[7]張永利.大跨度淺埋軟弱圍巖隧道施工方法比較[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，25(1):68-70.