淺埋偏壓隧道施工過程數(shù)值分析

魏海虹

(中國鐵道科學研究院 標準計量研究所，北京 100081)

淺埋偏壓隧道施工過程數(shù)值分析

魏海虹

(中國鐵道科學研究院 標準計量研究所，北京 100081)

采用有限元分析方法對一淺埋偏壓隧道開挖施工過程進行三維數(shù)值模擬分析，研究圍巖變形、應(yīng)力及錨桿軸力的變化規(guī)律，為評估施工方案的合理性提供依據(jù)。結(jié)果表明:掌子面距監(jiān)測斷面≥15 m時，監(jiān)測斷面的累計變形量可忽略不計;圍巖最大變形＜10 mm，滿足設(shè)計要求;由于偏壓作用隧道斷面周圍錨桿受力分布不均勻，最大軸向壓力出現(xiàn)在隧道拱頂左上方，為20.28 kN。

淺埋偏壓隧道 數(shù)值模擬 圍巖變形 初期支護

1 工程概況

一隧道位于山體坡度為15°～30°的丘陵區(qū)，全長640 m。隧道內(nèi)凈跨度為9.5 m，凈高7.9 m。隧道施工以新奧法原理為基礎(chǔ)，采用初期支護與二次襯砌復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)形式。隧道處于Ⅴ級圍巖與Ⅵ級圍巖的過渡區(qū)，表層多為泥質(zhì)粉砂巖。隧道開挖采用全斷面施工方法。

初期支護由錨桿、鋼拱架及噴射混凝土組成。各支護材料的主要參數(shù)為:①錨桿長度 4 m，直徑20 mm，沿隧道縱向間距為1.0 m，采用先錨固后注漿的方式施工，且注漿直徑為40 mm。②一次襯砌結(jié)構(gòu)采用15 cm厚 C20噴射混凝土。③鋼拱架采用I18工字鋼，沿隧道徑向每1 m布置一榀鋼架。

在隧道完成初期支護且圍巖與支護結(jié)構(gòu)的變形達到穩(wěn)定后，施作二次襯砌。通常情況下，受淺埋、偏壓等不良地質(zhì)條件的影響，隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)將受到較大的圍巖應(yīng)力，從而需要對二次襯砌結(jié)構(gòu)采取一定的加強措施。本工程中采用設(shè)置仰拱結(jié)構(gòu)來提高二次襯砌的承載力。仰拱的設(shè)置使得二次襯砌結(jié)構(gòu)形成了封閉的閉合環(huán)，從而有效提高支護結(jié)構(gòu)整體抵抗變形的能力。

傳統(tǒng)上采用荷載—結(jié)構(gòu)模型進行隧道設(shè)計。該方法不能有效描述隧道開挖導(dǎo)致的圍巖狀態(tài)、地基承載力及結(jié)構(gòu)受力的動態(tài)性。此外，其理想化處理方式往往與隧道實際的地質(zhì)條件相差較大。本文采用大型有限元分析軟件建立地層—結(jié)構(gòu)計算模型分析新奧法施工過程中支護結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用，分析隧道開挖過程中洞口及洞頂?shù)淖冃吻闆r，從而對施工過程中支護結(jié)構(gòu)的變形進行有效的控制。

2 數(shù)值計算分析

2.1 計算模型

建模時假設(shè)材料連續(xù)，均質(zhì)，各向同性。由于隧道施工過程中周圍巖體地層變化較小，故取30 m長的隧道段進行模擬，模型尺寸如圖1所示。為保證計算的準確性，整體計算模型嚴格參照隧道施工圖來建立。為減小邊界條件對計算結(jié)果的影響，模型水平方向的長度選取80 m，右側(cè)邊界距離隧道開挖斷面外輪廓線距離約為35 m(約為3.5D，D為隧道開挖斷面直徑)。下部邊界取至隧底下21 m(約為2.1D)，豎直向上取至地表。此計算模型中共含有網(wǎng)格數(shù)93 210個，節(jié)點數(shù)99 262個。計算模型的邊界處上側(cè)為自由邊界外，其余各側(cè)均為固定邊界。

圖1 隧道計算模型尺寸(單位:m)

為使數(shù)值計算與實際施工過程具有相同的地應(yīng)力條件，初始階段僅考慮模型自重進行平衡模擬，得到模型豎向初始應(yīng)力。

計算過程中，將圍巖及混凝土材料按彈塑性模型處理，遵循摩爾—庫倫破壞準則。

2.2 計算參數(shù)

數(shù)值計算時圍巖的計算參數(shù)根據(jù)實際圍巖特性以及相應(yīng)的規(guī)范選取，錨桿、鋼拱架以及混凝土襯砌材料參數(shù)采用實際施工數(shù)值，其余力學參數(shù)按照類比方法確定。計算參數(shù)見表1。

表1 計算參數(shù)

2.3 施工步驟

隧道的施工過程采用有限元程序提供的空單元進行處理。在隧道開挖過程中，通過定義空單元，激活實體單元及結(jié)構(gòu)單元來模擬隧道開挖、初期支護、二次襯砌及仰拱回填等過程。整個施工包含15個施工開挖步，每個開挖步長為2 m。

隧道施工的每一步開挖都會對圍巖造成擾動，當圍巖趨于穩(wěn)定后，巖體內(nèi)最大不平衡力為0。最大不平衡力收斂后才能進行下一次開挖。如此循環(huán)進行，直到開挖、支護、襯砌過程完成。

2.4 計算結(jié)果分析

2.4.1 隧道洞口周圍沉降量

隧道目標開挖斷面變形量觀測點如圖2所示。各觀測點對應(yīng)的變形量與隧道施工進度之間的關(guān)系見圖3。由圖可知，當隧道開挖進度≥15 m時，各個觀測點的累計沉降量基本保持不變，施工對隧道洞口的變形影響可忽略不計。

圖2 目標面沉降點位置

隧道左右兩側(cè)起拱線周圍的觀測點沉降量變化趨勢基本一致，隨著隧道施工的進行先減小后增大，最終保持不變，最大沉降量分別為2.32，3.53 mm，偏壓側(cè)的變形較大。隧道起拱線以下的巖體累計變形量隨開挖進度逐漸增大，仰拱中心點處最大達9.55 mm。仰拱中心點的累計沉降量約為拱頂沉降量的2倍。

圖3 隧道目標斷面洞口周圍沉降量與施工進度關(guān)系

2.4.2 隧道洞口周圍應(yīng)力分布

距隧道洞口20 m處斷面應(yīng)力分布如圖4所示，可見斷面應(yīng)力處于不對稱分布狀態(tài)，左側(cè)受力略大于右側(cè)。由圖4(a)可知，在隧道仰拱中心線周圍水平方向應(yīng)力最大，且遠遠大于隧道拱頂處應(yīng)力。由圖4(b)可知在隧道結(jié)構(gòu)起拱線周圍豎直方向應(yīng)力最大。隧道仰拱處應(yīng)力值為9.8 MPa，拱頂處為2.93 MPa。

圖4 距隧道洞口20 m處斷面應(yīng)力分布(單位:Pa)

2.4.3 錨桿軸力

在隧道開挖段洞口處，起拱線周圍錨桿承受拉力作用，如圖5所示。隨施工的進行，起拱線兩側(cè)錨桿受力逐漸轉(zhuǎn)化為壓力。開挖段中部即計算模型中y= 15 m處隧道斷面的錨桿最大軸力見表2?？芍^桿軸力最大值出現(xiàn)在隧道拱頂左側(cè)，最大軸力值為20.28 kN。隧道周圍山體的偏壓作用是導(dǎo)致錨桿受力不同的直接原因。

圖5 錨桿軸力

表2 錨桿最大軸力

3 結(jié)論

本文以一新建隧道為研究對象，采用三維有限元分析方法對隧道施工過程進行數(shù)值模擬，分析圍巖位移、應(yīng)力、錨桿軸力等的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論:

1)隨著隧道施工的推進，當掌子面距監(jiān)測平面距離＜15 m時，由隧道施工導(dǎo)致的累計變形量逐漸增大;當該距離≥15 m時，由隧道施工導(dǎo)致的累計變形量較小，可忽略不計。

2)在隧道開挖過程中，仰拱處累計變形量最大，為9.55 mm。隧道拱頂處累計最大變形量為 2.32 mm。仰拱處的變形量約為拱頂處的2倍。圍巖變形＜10 mm，滿足設(shè)計要求。

3)受地形導(dǎo)致的偏壓作用的影響，隧道拱頂左側(cè)錨桿承受的軸向壓力最大，為20.28 kN。

本文所述隧道施工方案已應(yīng)用于實際工程，工程進展順利，可為類似淺埋偏壓隧道的施工提供參考。

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(責任審編 李付軍)

U455．4

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．17

2015-03-20;

:2015-06-13

魏海虹(1965— )，女，北京人，副研究員。

1003-1995(2015)08-0058-03