臺(tái)階高度對(duì)三臺(tái)階七步開挖法變形的影響

高悅琛，趙凱巖，王生光

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州　730070；2.蘇州高新有軌電車有限公司，江蘇 蘇州　215000)

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臺(tái)階高度對(duì)三臺(tái)階七步開挖法變形的影響

高悅琛1，趙凱巖2，王生光1

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2.蘇州高新有軌電車有限公司，江蘇 蘇州215000)

摘要：采用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)比分析不同臺(tái)階高度對(duì)于變形控制的影響。通過(guò)對(duì)比三種工法，分析發(fā)現(xiàn)三臺(tái)階七步開挖法增加上臺(tái)階開挖高度雖然在一定程度上增大了上臺(tái)階的凈空，這樣有利于施工的操作，但是會(huì)增加圍巖的變形和增大支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力。綜合分析結(jié)果認(rèn)為上臺(tái)階的開挖高度不宜太大。

關(guān)鍵詞：FLAC3D; 軟巖隧道; 三臺(tái)階七步開挖; 臺(tái)階高度

1工程概況

牡綏線雙豐隧道位于黑龍江省東寧縣，全長(zhǎng)7 237 m，共有2座斜井，為全線最長(zhǎng)雙線隧道。雙豐隧道處于低山丘陵區(qū)。山勢(shì)起伏，植被茂密，頂部為第三系玄武巖蓋層，地形較為平坦，多被辟為耕地。海拔最高為625.98 m，最低440.22 m，最大高差185.76 m，最大埋深140.2 m。

進(jìn)口和出口第三系砂泥巖地層局部段落拱頂下沉和周邊收斂變形值偏大，初期支護(hù)混凝土開裂、鋼架扭曲變形，造成局部段落支護(hù)侵限，施工進(jìn)度緩慢。這種圍巖成巖性差，受地下水作用，開挖擾動(dòng)后基本呈糊狀，基底有涌水現(xiàn)象發(fā)生，工程性質(zhì)迅速惡化，多次出現(xiàn)涌水涌泥、變形過(guò)大、施工進(jìn)度緩慢等問(wèn)題。

2計(jì)算工況、有限元模型及計(jì)算參數(shù)

2.1計(jì)算工況

本論文依托牡丹江雙豐隧道實(shí)際工程，在雙豐隧道Ⅵ級(jí)圍巖模擬試驗(yàn)段，采用三臺(tái)階七部預(yù)留核心土方法進(jìn)行開挖，必要時(shí)增設(shè)臨時(shí)仰拱。上臺(tái)階高度分別為3 m、3.5 m、4 m的情況下，設(shè)定三種工況進(jìn)行比選，隧道形狀近似馬蹄形，地應(yīng)力場(chǎng)按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮，每個(gè)工況側(cè)壓力系數(shù)為1。

2.2有限元模型及計(jì)算參數(shù)

本文數(shù)值模擬采用FLAC3D有限差分軟件，利用實(shí)體單元模擬圍巖和二次襯砌，梁?jiǎn)卧M鋼拱架，采用錨索單元模擬鎖腳錨管，殼單元模擬初期支護(hù)，收斂準(zhǔn)則為摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則(Mohr-Coulomb)。

模型根據(jù)分析范圍的選取原則確定水平方向?yàn)?00 m，豎直方向?yàn)?00 m，拱頂距模型頂面50 m，模型縱向延伸長(zhǎng)度為1 m來(lái)模擬二維受力特性，采用結(jié)點(diǎn)施加反力發(fā)來(lái)模擬掌子面的影響。模型上部巖體的作用折算為均布荷載施加在模型頂面，對(duì)模型四周施加水平約束，底面施加豎直方向約束，頂面為自由面，且荷載隨著頂面的移動(dòng)而移動(dòng)。

本文以雙豐隧道DYK465+145斷面為對(duì)象進(jìn)行數(shù)值模擬，Ⅴ級(jí)圍巖。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)獲取的現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況，再參考同類炭質(zhì)泥巖頁(yè)巖圍巖參數(shù)，綜合分析得出圍巖力學(xué)參數(shù)。計(jì)算過(guò)程中圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)參數(shù)

3計(jì)算結(jié)果及分析

3.1圍巖變形對(duì)比分析

圖1　臺(tái)階高度3 m豎向位移云圖

圖2　臺(tái)階高度3 m水平位移云圖

圖3　臺(tái)階高度3.5 m豎向位移云圖

圖4　臺(tái)階高度3.5 m水平位移云圖

圖5　臺(tái)階高度4 m豎向位移云圖

圖6　臺(tái)階高度4 m水平位移云圖

圖7　拱頂豎向位移時(shí)程曲線

圖8　拱腰豎向位移時(shí)程曲線

圖9　拱腰水平位移時(shí)程曲線

圖10　最大跨水平位移時(shí)程曲線

提取三種工況關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)并統(tǒng)計(jì)如表2所示：

表2　位移對(duì)比分析表　cm

從圍巖豎向位移云圖可知，拱頂、拱腰圍巖下沉最大，仰拱有一定程度的隆起，拱腰及邊墻部位主要表現(xiàn)出水平收斂變形。而從水平位移云圖可看出，3個(gè)臺(tái)階的分界處水平收斂比各臺(tái)階的水平收斂較小，使得水平位移云圖在3個(gè)臺(tái)階處略微呈現(xiàn)波浪形，分析其原因，主要是由于在鎖腳錨管的鎖定作用下，圍巖變形得到了一定的控制，限制其向臨空面的變形。

從位移時(shí)程曲線圖可知，三種工況圍巖變形規(guī)律基本保持一致，只是變形的數(shù)值不同，最大跨處水平位移隨中臺(tái)階的開挖保持一定速度的增大；各個(gè)斷面拱部沉降的規(guī)律基本相同，上臺(tái)階開挖過(guò)程中，拱部沉降保持一定速度增大，最后隨著初期支護(hù)作用及二次襯砌施作逐漸趨于穩(wěn)定。臺(tái)階高度為3 m時(shí)變形情況與其他兩種工況稍有不同，究其原因是上臺(tái)階高度過(guò)小，過(guò)于扁平化反而會(huì)加劇變形。

對(duì)比分析可以很明顯的看出，三種工況中表明相同條件下，臺(tái)階高度3.5 m相對(duì)于3 m、4 m的進(jìn)尺更有利于控制圍巖的整體變形。

3.2噴射混凝土主應(yīng)力對(duì)比分析

圖11　臺(tái)階高度3 m噴混第一主應(yīng)力云圖

圖12　臺(tái)階高度3 m噴混第三主應(yīng)力云圖

圖13　臺(tái)階高度3.5 m噴混第一主應(yīng)力云圖

圖14　臺(tái)階高度3.5 m噴混第三主應(yīng)力云圖

圖15　臺(tái)階高度4 m噴混第一主應(yīng)力云圖

圖16　臺(tái)階高度4 m噴混第三主應(yīng)力云圖

三種工況噴射混凝土應(yīng)力云圖分布規(guī)律基本一致。噴射混凝土較大的拉應(yīng)力主要分布在最大跨與邊墻處位置，主要原因是受隧道跨度較大的影響，水平收斂較大。噴射混凝土較大的壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰位置，主要原因是該位置首先施做了鎖腳錨管，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)起到了及時(shí)有效的支撐，對(duì)圍巖上部傳來(lái)的壓力起到了約束作用。由于圍巖的彈性模量、內(nèi)摩擦角等較小造成了噴射混凝土裂縫的出現(xiàn)，致使第一主應(yīng)力較大。

3.3鎖腳錨管應(yīng)力對(duì)比分析

圖17　上臺(tái)階鎖腳錨管固定端應(yīng)力時(shí)程曲線

圖18　上臺(tái)階鎖腳錨管自由端應(yīng)力時(shí)程曲線

圖19　中臺(tái)階鎖腳錨管固定端應(yīng)力時(shí)程曲線

圖20　中臺(tái)階鎖腳錨管自由端應(yīng)力時(shí)程曲線

圖21　下臺(tái)階鎖腳錨管固定端應(yīng)力時(shí)程曲線

圖22　下臺(tái)階鎖腳錨管自由端應(yīng)力時(shí)程曲線

在三種臺(tái)階高度分別為3 m、3.5 m、4 m時(shí)鎖腳錨桿的最終受力分布情況是相似的。上、中臺(tái)階鎖腳錨管固定端應(yīng)力表現(xiàn)為受壓控制，下臺(tái)階鎖腳錨管固定端應(yīng)力前期表現(xiàn)為受拉控制，后期表現(xiàn)為受壓控制；上、中、下臺(tái)階鎖腳錨管自由端受力情況與固定端基本一致。鎖腳錨管應(yīng)力時(shí)程曲線顯示鎖腳錨管應(yīng)力總體上隨時(shí)間推移而增大，說(shuō)明錨管在施工過(guò)程中起到了一定的控制作用，最終隨著二襯的施做逐漸穩(wěn)定。

很明顯，臺(tái)階高度為3.5 m時(shí)上錨管的自由端和錨固段、中錨管的自由端和錨固段以及下錨管的自由端和錨固段都是在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中峰值最低，相對(duì)其他兩種工況來(lái)說(shuō)是最穩(wěn)定，最適宜施工的。然而相比較臺(tái)階高度3 m和臺(tái)階高度4 m兩種工況來(lái)說(shuō)，又清晰地可以看出3m的臺(tái)階高度錨管應(yīng)力峰值較高，波動(dòng)較大，這就說(shuō)明太小的上臺(tái)階高度對(duì)于施工是不利的。

3.4塑性區(qū)對(duì)比分析

提取三種工況塑性區(qū)面積并統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3　三種工況塑性區(qū)面積對(duì)比

圖23　3 m臺(tái)階高度圍巖塑性區(qū)分布

通過(guò)對(duì)比圖中切片塑性區(qū)的分布，觀察塑性區(qū)的單元數(shù)，不難發(fā)現(xiàn)：上臺(tái)階高度為3.5 m時(shí)塑性區(qū)最小，其次是上臺(tái)階高度為4 m時(shí)的塑性區(qū)，最大的是上臺(tái)階高度為3 m時(shí)的塑性區(qū)分布。由于塑性區(qū)面積越小對(duì)圍巖變形控制效果越好，因此對(duì)比后得出結(jié)論：上臺(tái)階高度為3.5 m對(duì)于塑性區(qū)的控制要優(yōu)于上臺(tái)階高度為3 m和上臺(tái)階高度為4 m。因此，上臺(tái)階高度為3.5 m對(duì)于圍巖的變形控制效果要更加明顯，對(duì)于隧道的施工應(yīng)更加可靠。

4結(jié)論

(1)通過(guò)三種上臺(tái)階高度圍巖位移結(jié)果的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)臺(tái)階高度越大，其水平位移越大，不利于拱腰及邊墻部位的圍巖穩(wěn)定；當(dāng)臺(tái)階高度越小，使得上臺(tái)階空間過(guò)于扁平化，反而加劇了變形的發(fā)生。

(2)通過(guò)三種上臺(tái)階高度噴射混凝土主應(yīng)力結(jié)果的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，噴射混凝土較大的拉應(yīng)力主要分布在最大跨與邊墻處位置，噴射混凝土較大的壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰位置。

(3)通過(guò)三種上臺(tái)階高度鎖腳錨管應(yīng)力結(jié)果的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，鎖腳錨管應(yīng)力總體上隨時(shí)間推移而增大，說(shuō)明錨管在施工過(guò)程中起到了一定的控制作用，最終隨著二襯的施做逐漸穩(wěn)定；3 m臺(tái)階高度鎖腳錨管應(yīng)力峰值較高，波動(dòng)較大，這就說(shuō)明太小的上臺(tái)階高度對(duì)于施工是不利的，而3.5 m時(shí)相對(duì)穩(wěn)定，適宜施工。

(4)通過(guò)三種上臺(tái)階高度塑性區(qū)面積的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，臺(tái)階高度過(guò)大或過(guò)小都會(huì)使得塑性區(qū)面積過(guò)大，而對(duì)于塑性區(qū)面積來(lái)說(shuō)面積越小越易控制圍巖變形，因此臺(tái)階高度3.5 m時(shí)較易于施工。

參考文獻(xiàn)：

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The influence of step height to the three-bench and seven-step excavation method

GAO Yue-chen1, ZHAO Kai-yan2, WANG Sheng-guang1

(1. Institute of Civil Engineering, Lanzhou Traffic University, Lanzhou, Gansu 730070, China;2. Suzhou high-tech tram Co., Ltd., Suzhou, Jiangsu 215000, China)

Abstract:This article has numerical simulation analysis by using finite difference software: the FLAC3D, compares and analyzes the influence of different steps height for deformation control. By comparing three kinds of method, the article found the three-bench and seven-step excavation method although increased to some extent on the steps of clearance, this is advantageous to the construction of the operation, but would increase the deformation of surrounding rock and increase the stress of the supporting structure. As the results, the excavation height should not be too wide.

Keywords:the FLAC3D; soft rock tunnel; three-bench and seven-step excavation method; step height

收稿日期：2015-12-11

作者簡(jiǎn)介：高悅琛(1989-)，男，碩士在讀。

中圖分類號(hào)：U442

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C

文章編號(hào)：1008-3383(2016)04-0123-04