大跨度土質(zhì)隧道自然成拱優(yōu)化數(shù)值模擬研究

蔣凌云, 陳秋南,2, 李騰飛, 趙磊軍, 劉文駿

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大跨度土質(zhì)隧道自然成拱優(yōu)化數(shù)值模擬研究

蔣凌云*1, 陳秋南1,2, 李騰飛1, 趙磊軍1, 劉文駿1

(1. 湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 湘潭, 411201; 2. 湖南省普通高校土木工程施工過程與質(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭, 411201)

土質(zhì)隧道圍巖在工程實(shí)際施工中具有明顯的彈塑性變形特征. 通過運(yùn)用FLAC3D軟件, 模擬隧道實(shí)際開挖過程, 可得到隧道開挖過程中圍巖應(yīng)力分布及周邊位移變化量, 為隧道的施工提供預(yù)警信息和優(yōu)化隧道設(shè)計提供理論支持. 在控制地表變形方面, 采用交叉中隔壁法(Cross diaphragm-CRD)施工時, 地表最大沉降量為20.37 mm, 而雙側(cè)壁導(dǎo)坑法則為25.8 mm, 結(jié)果表明CRD法在控制圍巖變形方面要優(yōu)于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法. 因此, 為了避免隧道在開挖過程中發(fā)生塌方等事故, 應(yīng)優(yōu)先采用CRD法開挖. 然而, 運(yùn)用FLAC3D軟件模擬CRD法開挖過程, 得到開挖隧道上部導(dǎo)洞所引起地表的沉降量占總沉降量的50%以上. 因此, 對CRD法上部導(dǎo)洞的開挖工序進(jìn)行優(yōu)化, 能有效地降低塌方等事故發(fā)生的概率.

優(yōu)化數(shù)值模擬; 改變工序后的CRD法; 自然成拱; 土質(zhì)隧道

我國地形復(fù)雜, 以山嶺為主, 山嶺面積約占國土總面積的73%[1—2]，因此, 我國修建的隧道數(shù)量及總長都位居世界第一. 獅球嶺鐵路隧道是我國修建的第一座隧道, 至今已有120多年的歷史[3—4].

在高速鐵路修建過程中, 為了盡量克服地形上的障礙, 同時使線路平直、縮短路程, 避免不良地質(zhì)條件對高速鐵路運(yùn)輸?shù)挠绊? 修建隧道成為一種重要的工程建設(shè). 但由于現(xiàn)場地質(zhì)條件的復(fù)雜性, 山嶺隧道在修建過程中, 通常施工難度較大. 而對于大跨度土質(zhì)隧道而言, 由于其介質(zhì)本身強(qiáng)度低, 自穩(wěn)能力差, 不同于一般巖石的圍巖壓力和力學(xué)特性, 導(dǎo)致在隧道施工過程中災(zāi)害頻繁發(fā)生, 大大影響了施工進(jìn)度及施工人員的生命安全. 在對我國已修建的土質(zhì)隧道進(jìn)行調(diào)查中不難發(fā)現(xiàn), 目前在建土質(zhì)隧道普遍存在隧道塌方現(xiàn)象, 而其它的隧道在施工過程中也不同程度地出現(xiàn)了襯砌開裂等不良現(xiàn)象[5—6]. 本文將運(yùn)用FLAC3D建模對高鐵隧道自然成拱施工進(jìn)行優(yōu)化模擬分析, 進(jìn)一步研究土質(zhì)隧道成拱機(jī)理, 分析其受力狀況和地表沉降以避免坍塌事故的發(fā)生, 并為以后的類似隧道工程開挖、施工和更好地理論研究提供一些參考.

1 隧道斷面尺寸及模型的選取

根據(jù)圣維南理論[7—9]可知: 分布于某一小塊面積或體積彈性體內(nèi)的荷載而引起物體中產(chǎn)生的應(yīng)力, 在離荷載作用區(qū)域較遠(yuǎn)的地方, 基本上只等同于荷載的合力; 荷載的實(shí)際分布只對荷載區(qū)域附近產(chǎn)生影響, 根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)法, 因地下硐室開挖而造成的應(yīng)力分布及影響范圍一般為3～5倍硐徑[10—12], 因此, 一般隧道的拱底至下邊界距和左右邊界距都假設(shè)為50 m, 而拱頂埋深則取隧道發(fā)生坍塌事故時的實(shí)際深度10 m. 在實(shí)際工程中有3種模型[13—14], 彈性模型、Null模型和Mohr-Coulomb模型. 綜合實(shí)際情況, 本文采用Null模型來模擬隧道的開挖部分, 而在后續(xù)階段, 需將Null模型材料轉(zhuǎn)化成其他的材料模型, 以此來模擬隧道的二次襯砌.

通常土質(zhì)隧道普遍采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工, 但在遇到坍塌事故后, 將開挖方法變更為交叉中隔壁法(Cross diaphragm-CRD)工法進(jìn)行施工. 在模擬隧道開挖工程中, 對于超前管棚加固, 可采用調(diào)整圍巖參數(shù)的等效方法來模擬; 對于鋼拱架及初噴混凝土加固, 則采用Shell結(jié)構(gòu)單元來模擬[15—16], 二次襯砌則采用實(shí)體單元調(diào)整參數(shù)進(jìn)行模擬. 圖1和圖2分別為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法三維網(wǎng)絡(luò)模型和CRD法開挖三維模型.

圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法三維網(wǎng)格模型

圖2 CRD法開挖三維網(wǎng)格模型

2 模型邊界條件及物理參數(shù)

FLAC3D隧道模型的邊界條件為: 左右邊界施加力為水平方向上的約束力, 底部邊界上施加的力則為水平與豎直方向及速度方向上的約束力, 頂部邊界為自由邊界, 無任何約束. 模型物理參數(shù)見表1.

表1 模型參數(shù)

3 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

用FLAC3D對大跨土質(zhì)隧道開挖過程中周邊圍巖最大主應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果如圖3、4、5所示.

圖3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最大主應(yīng)力

圖4 CRD法最大主應(yīng)力圖

圖 5 改變工序后的CRD法最大主應(yīng)力

模擬結(jié)果圖3、4、5表明:

(1) 不同工法開挖下, 在隧道的拱頂、拱腳和拱底處都出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象. 但相對CRD法和改變工序后的CRD法而言, 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在相應(yīng)區(qū)域出現(xiàn)的應(yīng)力集中更為嚴(yán)重, 同時集中荷載也最大.

(2) 常規(guī)CRD法相對于改變工序后的CRD法而言, 在拱頂處的最大集中主應(yīng)力雖然較小, 但底部集中應(yīng)力則較大.

對大跨土質(zhì)隧道開挖過程中地表沉降數(shù)值運(yùn)用FLAC3D進(jìn)行模擬, 結(jié)果如圖6、7、8所示.

地表沉降模擬結(jié)果圖6、7、8及不同施工方法下的累積沉降曲線圖9、10、11表明:

(1) 當(dāng)采用CRD工法開挖隧道時, 隧道上部地表沉降隨著隧道開挖位置的變化而變化. 當(dāng)最初開挖左側(cè)導(dǎo)洞時, 地表沉降范圍偏向于開挖一側(cè), 而隨著開挖的繼續(xù), 沉降范圍也由最初偏左的位置逐漸偏移至隧道中心線正上方, 影響區(qū)域偏離隧道中心30 m左右. 施作二襯后, 在隧道中心線處地表最大沉降量達(dá)到20.37 mm.

(2) 在隧道各部開挖初期, 地表沉降變化大, 隨著支護(hù)措施的延長, 沉降雖繼續(xù)增長, 但變化率和影響范圍逐漸減小. 因此, 在隧道開挖過程中, 及時施作初期支護(hù)及臨時支護(hù), 是保證隧道安全穩(wěn)定的重要因素之一.

圖6 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法地表沉降曲

圖7 CRD法地表沉降曲線

圖8 改變工序后的CRD法地表沉降

圖9 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法地表沉降圖

(3) 在隧道上部開挖過程中, 隧道地表沉降量達(dá)到了總沉降量的一半以上, 這是由于隧道上部導(dǎo)洞在開挖完成后, 會釋放大量應(yīng)力, 而此時圍巖正處于臨空狀態(tài), 拱部圍巖在受到拉應(yīng)力的作用下, 變形較大, 致使地表也會產(chǎn)生較大沉降量. 隨后開挖下部導(dǎo)洞, 地表沉降量同樣會繼續(xù)增大, 但相對上部開挖所引起的沉降量明顯減小.

(4) 從計算結(jié)果不難看出, 改變工序后的CRD法所引起的地表沉降量為18.9 mm, 相對傳統(tǒng)的CRD工法較小, 因此, 適當(dāng)?shù)馗淖冮_挖工序可有效地控制地表沉降量.

圖10 CRD法地表沉降圖

4 結(jié)論

(1) 隧道圍巖主要承受壓應(yīng)力, 最大壓應(yīng)力分布于隧道頂部和底部位置, 同時隧道拱頂?shù)乇硖幨軌悍植紙D呈現(xiàn)出拋物線形式, 符合壓力拱理論特征.

(2) 隧道頂部為應(yīng)力集中區(qū)域, 是整個隧道在開挖過程中引起圍巖變形的主要區(qū)域, 因此變形較大, 而在整個隧道開挖所產(chǎn)生的塑性區(qū)內(nèi), 主要受到壓縮剪切破壞.

(3) 通過優(yōu)化CRD法隧道開挖工序, 并運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬隧道實(shí)際開挖的過程, 從而得出了開挖過程中的圍巖應(yīng)力分布情況、周邊位移變化量, 并與傳統(tǒng)的CRD法進(jìn)行分析比較, 結(jié)果表明采用改變工序后的CRD法進(jìn)行施工, 無論是從地表沉降還是圍巖應(yīng)力的分布情況看, 都要優(yōu)于傳統(tǒng)的CRD法, 同時也為隧道的施工提供警示信息, 能有效地降低隧道塌方事故的發(fā)生概率.

圖11 改變工序后的CRD法地表沉降

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Research on simulation and optimization of large-span soil tunnel under natural arching rail

JIANG LingYun1, CHEN QiuNan1,2, LI TengFei1, ZHAO LeiJun1, LIU WenJun1

(1. College of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; 2. Key Laboratory of Construction Process and Quality and Safety Control of Civil Engineering, College of Hunan Province, Xiangtan 411201, China)

During the process of using FLAC3Dnumerical simulation of the actual tunnel excavate process, it can bedrawn rock stress distribution, surrounding the amount of displacement, for the tunnel construction to providewarning information and guidance, thetheoretical support is provided to optimize the tunnel design. In the aspectof control surface deformation, the method of CRD maximum settlement amount is 20.37mm when using CRD(Cross diaphragm) method to construct, while the method ofdouble side is 25.8 mm, the result illustrate CRD method is superior to double side drift method in the aspect ofcontrol rock deformation. Therefore, in order to avoid the tunnel landslides and other accidents during excavation,CRD method should be consideredpreferentially than double side drift method. The process of using FLAC3Dsoftware to simulate CRDmethod excavation, the upper guide hole excavated tunnel surface subsidence is more than 50% of the totalsettlement amount. So it can effectively reduce the probability of collapse and other accidents by optimizing the excavation process of CRD method upper guide hole.

numerical simulation; CRD method after changing the process; natural arching; soil tunnel

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.04.011

U 45

1672-6146(2014)04-0043-05

email: jianglingyun81290@163.com.

2014-06-06

國家自然科學(xué)基金項目(41172275, 41372303); 湖南省交通廳科技進(jìn)步與創(chuàng)新項目(201229)

(責(zé)任編校: 江 河)