大斷面公路隧道開(kāi)挖方法數(shù)值分析

鄭 暉

(大連廣播電視大學(xué)，遼寧大連 116021)

大斷面公路隧道由于埋深增大，地應(yīng)力進(jìn)一步增加，圍巖極易發(fā)生失穩(wěn)乃至坍塌的危險(xiǎn)。修建深埋大斷面公路隧道的關(guān)鍵問(wèn)題首先是確定所采用的開(kāi)挖方法。由于巖體介質(zhì)的相對(duì)復(fù)雜性，各類圍巖與支護(hù)的受力會(huì)隨開(kāi)挖方法的不同而變化。判斷圍巖穩(wěn)定性的方法有模型實(shí)驗(yàn)、原位實(shí)驗(yàn)、工程類比、數(shù)值分析等，其中數(shù)值分析法是最適合分析隧道施工的方法［1］。一些學(xué)者對(duì)大斷面公路隧道進(jìn)行了研究［2-6］，采用有限元或有限差分模擬了整個(gè)隧道圍巖的變形過(guò)程，分析了圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)體非線性力學(xué)行為的地應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)，確定了適合于大斷面公路隧道的合理施工方法。

隧道的開(kāi)挖過(guò)程是極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，開(kāi)挖方法的選擇應(yīng)根據(jù)隧道的埋置深度、所處地質(zhì)情況及支護(hù)條件等因素綜合考慮。本文依托大連某橋隧建設(shè)工程，分別采用導(dǎo)洞法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，詳細(xì)的分析隧道開(kāi)挖支護(hù)后圍巖的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，以期確定該類地質(zhì)條件下合理的開(kāi)挖方法，預(yù)測(cè)隧道施工中的險(xiǎn)情。

1 工程概況

本工程以大連某橋隧建設(shè)工程為背景，該公路隧道為分離式汽車專用一級(jí)公路隧道，設(shè)計(jì)行車速度60 km/h。隧道建筑限界寬13.75 m，高5 m。擬建東西線隧道間距19.30 m～151 m。隧道最大埋深為164.00 m。隧道洞身擬采用復(fù)合式襯砌混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)地質(zhì)測(cè)繪、鉆探、槽探資料，該隧址區(qū)第四系由全新統(tǒng)素填土及晚更新統(tǒng)坡積的含碎石粉質(zhì)粘土組成，基巖為震旦系細(xì)河群橋頭組(Zxhq)石英巖夾板巖，部分地段為板巖夾石英巖。地層基巖產(chǎn)狀:走向190°～283°，傾向100°～193°，傾角25°～58°。

2 隧道開(kāi)挖的數(shù)值仿真模擬

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)設(shè)置

由于該工程規(guī)模較大，本文僅選取東線隧道典型斷面EK1+660進(jìn)行模擬，該斷面所處的圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，其物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告和參照文獻(xiàn)［7］，其具體取值見(jiàn)表1。根據(jù)圣維南原理，本工程確定計(jì)算邊界在3倍開(kāi)挖寬度范圍內(nèi)，模型長(zhǎng)120 m，寬80 m，高120 m。計(jì)算模型的前后左右施加法向約束，底部施加豎向約束，上表面為自由面。

圍巖材料模型采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型。初期支護(hù)采用30 cm厚的C30噴射混凝土加雙層鋼筋網(wǎng)(φ6.5，20 cm×20 cm)，采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬;錨桿力學(xué)及幾何參數(shù)為:E=210 GPa，μ=0.3，外徑為 25 mm，長(zhǎng)度為 4.5 m，抗拉強(qiáng)度為0.31 MPa，采用Cable單元進(jìn)行模擬。二次襯砌作為安全儲(chǔ)備，不予考慮。三種開(kāi)挖方案工序見(jiàn)圖1。

表1 隧道圍巖及初期支護(hù)計(jì)算參數(shù)

圖1 三種開(kāi)挖方案工序

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.2.1 位移場(chǎng)分析

水平收斂和拱頂下沉是隧道圍巖應(yīng)力變化最直觀的表現(xiàn)形式。隧道開(kāi)挖后，出現(xiàn)臨空面，巖體有了變形的空間。由于地應(yīng)力的局部釋放，巖體因卸荷作用而發(fā)生位移變化。表2為隧道采用三種開(kāi)挖方法時(shí)的周邊位移計(jì)算值。隧道開(kāi)挖支護(hù)后，圍巖水平位移整體變化不大，右邊墻水平位移略大于左邊墻位移，兩側(cè)邊墻向內(nèi)發(fā)生擠壓。

考慮到施工過(guò)程相互影響的作用，當(dāng)左導(dǎo)洞開(kāi)挖完畢后，已經(jīng)發(fā)生一定的位移變化，在右導(dǎo)洞開(kāi)挖的過(guò)程中，因?yàn)槭┕?duì)左導(dǎo)洞繼續(xù)產(chǎn)生影響，會(huì)使左導(dǎo)洞產(chǎn)生的應(yīng)變持續(xù)增加。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法由于每次開(kāi)挖范圍相對(duì)較小，對(duì)周邊位移影響較小，因此位移變化量最小。

表2 隧道三種開(kāi)挖方法的周邊位移計(jì)算值 mm

2.2.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

從三種工法的最大主應(yīng)力云圖可以看出，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí)所受圍巖壓力不是很大，邊墻受力較均勻。導(dǎo)洞法和單側(cè)壁導(dǎo)坑法在隧道開(kāi)挖支護(hù)后最大主應(yīng)力分布趨勢(shì)略有不同，但總體的分布趨勢(shì)為拱頂出現(xiàn)拉應(yīng)力，仰拱中間也出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力區(qū)，兩側(cè)邊墻部分從拱腰至拱腳出現(xiàn)壓應(yīng)力，拱腳處有不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)。

由以上分析可知，拱頂、底板和拱腳易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，是隧道施工中的薄弱部分，應(yīng)及時(shí)采取措施，防止圍巖失穩(wěn)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究大斷面公路隧道的三種開(kāi)挖方法在施工中的影響，得出如下結(jié)論:

1)綜合三種開(kāi)挖方法，隧道周邊位移場(chǎng)均表現(xiàn)為:拱頂下沉，仰拱隆起，邊墻向洞內(nèi)擠入。拱頂、拱腳、仰拱是應(yīng)力集中的主要部位，有必要采取局部措施，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)隧道關(guān)鍵部位和薄弱部位的監(jiān)測(cè)。

2)分析比較三種開(kāi)挖方法圍巖的位移和應(yīng)力變化可知，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖每次開(kāi)挖的范圍最小，受力更加均勻，因此有助于維持圍巖的穩(wěn)定性。結(jié)合本工程的地質(zhì)條件和施工特點(diǎn)，作者認(rèn)為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在控制圍巖變形，減小支護(hù)結(jié)構(gòu)受力等方面有良好的經(jīng)濟(jì)適用性，因此是該工程的首選。

［1］Gunter Swoboda，Ahmed Moussa.Numerical modeling of shotcrete and concrete tunnel linings［A］.Tunneling and Groun Conditions［C］.Netherlands:AbdelSalam，1994:427-436.

［2］劉長(zhǎng)祥，呂常新.三車道大斷面高速公路隧道穩(wěn)定性數(shù)值模擬［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2007，3(4):688-693.

［3］蔣樹(shù)屏，胡學(xué)兵.云南扁平狀間與工程大斷面公路隧道施工力學(xué)響應(yīng)數(shù)值模擬［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2004，26(2):178-182.

［4］段慧玲，張 林.大跨度公路隧道合理開(kāi)挖方法對(duì)比研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2009，42(9):114-118.

［5］鄒成路，申玉生.軟弱破碎圍巖大斷面隧道臺(tái)階法施工幾何參數(shù)優(yōu)化分析［J］.公路工程，2013，38(2):27-31.

［6］童建軍，王明年.公路隧道圍巖亞級(jí)開(kāi)挖及支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)研究［J］.巖土力學(xué)，2011，32(1):515-519.

［7］JTG D70-2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.