淺埋破碎圍巖特大斷面施工力學(xué)特征與安全分析

楊淋亦

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

淺埋破碎圍巖特大斷面施工力學(xué)特征與安全分析

楊淋亦

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

在破碎圍巖條件下，特大斷面隧道采用臺階法開挖易產(chǎn)生塌方和大變形等問題。文章依托實(shí)際工程，針對淺埋破碎圍巖條件下特大斷面隧道臺階法開挖進(jìn)行三維受力分析，模擬臺階法施工的各個階段，分析各個階段襯砌的受力變化，得到了橫截面上隧道襯砌危險部位安全隨臺階法施工的變化。運(yùn)用斷裂力學(xué)中的格里菲斯強(qiáng)度理論，從主應(yīng)力角度分析了隧道襯砌整體開裂系數(shù)隨臺階法施工步的變化。同時結(jié)合現(xiàn)場部分應(yīng)力數(shù)據(jù)以及內(nèi)部圍巖擠壓數(shù)據(jù)，分析大斷面軟弱圍巖條件下臺階法施工的可行性。分析和實(shí)測皆表明，在淺埋軟弱圍巖條件下特大斷面隧道臺階法施工是可行的。

特大斷面； 隧道； 破碎圍巖； 臺階法施工； 安全系數(shù)； 開裂系數(shù)

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的大發(fā)展，交通行業(yè)得到迅猛發(fā)展。在大跨隧道的施工中，為了避免一次性開挖過大，通常是改大跨為小跨[1-2]，及時形成封閉體系。在現(xiàn)階段施工中，大斷面破碎圍巖隧道一般采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法，這兩種工法雖然是較為安全的工法[3-4]。但是其施工工序復(fù)雜，對圍巖擾動次數(shù)多，機(jī)械利用率低，工期長，同時需要增加臨時支護(hù)，增加了工程造價等缺點(diǎn)。臺階法便于現(xiàn)場組織，初期支護(hù)工序操作便捷，能夠較好的使用機(jī)械，施工工序少，減少對圍巖的擾動，能夠大大的縮短工期[5-7]。國內(nèi)已有學(xué)者對軟弱圍巖變形及荷載做出了研究[8-9]。本文主要從臺階法施工各個階段受力以及最大應(yīng)力對其安全性和開裂危險進(jìn)行分析。

1 工程概況

貴陽南埡路三號隧道為分離式雙向八車道隧道，兩隧道間距20 m，單線四車道隧道，其開挖寬度21.878 m，高度為14.321 m，為貴陽市第一座四車道隧道，同時左線隧道下穿貴州省植物園，對沉降要求嚴(yán)格。

隧道所經(jīng)地區(qū)主要為三疊系安順組白云巖和三疊系松子坎組白云巖平少量泥灰?guī)r，巖石中節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體總體較破碎，圍巖穩(wěn)定性較差～較好。本工程因隧道處于喀斯特地貌地區(qū)，地下巖溶較發(fā)育，兩隧道間距較小，且為特大斷面隧道，施工工期又較為緊張，為了緩解工期壓力，右線隧道采用臺階法，左線隧道由于下穿植物園，選用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

2 數(shù)值分析

2.1 計算模型及參數(shù)

本文采用Flac 3D進(jìn)行數(shù)值分析，隧道埋深17 m，圍巖等級為Ⅵ～Ⅴ，頂部5 m為黏土，地面5 m以下主要為三疊系白云巖，圍巖穩(wěn)定性差。隧道底部20 m視為基巖，初期支護(hù)為C25鋼纖維混凝土，厚度35 cm，隧道斷面開挖凈寬21.9 m，開挖凈空14.2 m，左右邊界取3倍洞徑，底部取3倍開挖高度，開挖方向取100 m。模型上部為自由邊界，其他邊界于其法線方向固定(圖1)。

圖1 計算模型

在計算中，模型圍巖和支護(hù)均采用實(shí)體單元，通過賦予實(shí)體單元不同屬性來模擬圍巖和支護(hù)。錨桿單元通過提高圍巖加固圈的物理參數(shù)進(jìn)行模擬，初期支護(hù)鋼架則采用等效剛度原則。在計算中圍巖采用mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，支護(hù)則視為線彈性體，計算采用參數(shù)見表1。

表1 計算參數(shù)

2.2 臺階法施工受力及安全分析

為了研究臺階法開挖各個階段支護(hù)結(jié)構(gòu)受力以及其安全性，計算中對各個階段受力進(jìn)行提取，得到不同施工步初支彎矩軸力圖(圖2)。

彎矩/(kN·m) 軸力/kN(b) 下臺階施工

彎矩/(kN·m) 軸力/kN(c) 仰拱施工

彎矩/(kN·m) 軸力/kN(d) 二次襯砌施工圖2 臺階法施工各階段初支受力

彎矩/(kN·m) 軸力/kN
(a) 上臺階施工

從圖2可以看出：

(1)隧道上臺階和下臺階開挖時，最大軸力皆出現(xiàn)在鋼拱架腳部，所以拱腳易產(chǎn)生失穩(wěn)。

(2)當(dāng)仰拱施工完成，初期支護(hù)閉合成環(huán)，隧道彎矩和軸力將會發(fā)生調(diào)整，拱頂彎矩將會增大而拱腰處彎矩減小，而軸力皆增大，其增幅達(dá)到30 %。仰拱中心附近易出現(xiàn)小范圍的拉力，拉應(yīng)力最大值達(dá)到0.06 MPa，二次襯砌施做之后拉應(yīng)力值迅速減小。

(3)隧道上臺階開挖后安全系數(shù)最小值為7.06，發(fā)生在拱腳部位。下臺階開挖后，拱頂以及拱腰部位軸力大幅增加，而彎矩變化較小，安全系數(shù)大幅下降。此時安全系最小數(shù)值為7.73，仍發(fā)生在拱腳。仰拱施工完成后，隧道閉合成環(huán)之后，安全系數(shù)基本不再發(fā)生，此時最小安全系數(shù)為5.3>2.4，仍滿足規(guī)范要求(圖3)。

圖3 重點(diǎn)部位安全系數(shù)變化

2.3 施工過程開裂分析

根據(jù)格里菲斯強(qiáng)度理論對隧道襯砌開裂進(jìn)行分析[10]，材料內(nèi)部存在著許多細(xì)微裂隙，裂隙周圍可以產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展，最后材料完全破壞。在這種情況下，即使在壓應(yīng)力情況下，只要裂隙方位合適，也能在裂隙周圍產(chǎn)生很高的拉應(yīng)力，一旦拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度材料也會破壞。

根據(jù)格里菲斯強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則：

當(dāng)σ1+3σ3>0時

當(dāng)σ1+3σ3<0

通過格里菲斯強(qiáng)度理論來對混凝土開裂進(jìn)行分析，定義開裂系數(shù)K。

當(dāng)σ1+3σ3>0時

當(dāng)σ1+3σ3<0

綜上：

通過對K的定義可知，當(dāng)所求抗拉強(qiáng)度小于材料抗拉強(qiáng)度時，K小于1，材料裂縫不會擴(kuò)展，能夠抵擋開裂；當(dāng)K大于1時，所求抗拉強(qiáng)度大于材料抗拉強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)存在拉裂的危險。

施工完成后中各危險點(diǎn)第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力如圖4、圖5所示，施工各個階段主應(yīng)力如表2、表3所示，開裂系數(shù)如圖6所示。

圖4 第一主應(yīng)力

圖5 第三主應(yīng)力

圖6 危險部位開裂系數(shù)變化

(1)上臺階開挖后，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在拱腳處且最大開裂系數(shù)也出現(xiàn)在拱腳部位。下臺階開挖后，拱腰壓應(yīng)力大幅度增長，而拱頂?shù)睦瓚?yīng)力大幅度增長，所以拱頂和拱腰部位開裂系數(shù)有較大幅度增長。當(dāng)初期支護(hù)閉合成環(huán)之后，開裂系數(shù)達(dá)到穩(wěn)定，即使二襯施工后應(yīng)力有發(fā)生變化，但開裂系數(shù)不變，所以初期支護(hù)要盡快閉合。

表2 第一主應(yīng)力

表3 第三主應(yīng)力

(2)由于仰拱中心附近可能受拉，所以該部分拉應(yīng)力值大于壓應(yīng)力值，但是拉應(yīng)力值較小，所以開裂系數(shù)較小。當(dāng)二次襯砌施工后，由于二襯自重等，拉應(yīng)力減小所以開裂系數(shù)減小。同時在整個施工過程中隧道最大開裂系數(shù)0.36小于1，說明襯砌結(jié)構(gòu)安全。

3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析

為了進(jìn)一步研究支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用之間的關(guān)系，埋設(shè)位移計以及應(yīng)變計多隧道圍巖以及初期支護(hù)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測。

3.1 圍巖內(nèi)部位移變化規(guī)律

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，分析整理得到圍巖內(nèi)部位移時程曲線如圖7所示。隧道開挖造成應(yīng)力的重新調(diào)整，圍巖向隧道方向擠壓變形，最初變形比較迅速隨著時間的推移以及掌子面的遠(yuǎn)離，變化速度開始收斂，在最初的10 d時間變化速度最為迅速，在此期間變形量占總變形量的50 %～60 %。9月4號仰拱施完成后位移經(jīng)過基本收斂，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)保持相對穩(wěn)定。

圖7 圍巖內(nèi)部位移時程曲線

3.2 混凝土應(yīng)力變化規(guī)律

混凝土應(yīng)力時程曲線如圖8所示。

圖8 混凝土應(yīng)力時程曲線

由圖7、圖8可知混凝土應(yīng)力與圍巖變形有關(guān)，最初圍巖變化迅速，支護(hù)應(yīng)力變化也較為迅速，圍巖調(diào)整趨近平穩(wěn)時，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力也趨向于穩(wěn)定。

在隧道整個施工過程中壓應(yīng)力最大值為6.4 MPa，拉應(yīng)力最大值為0.17 MPa，皆小于C25混凝土的抗壓強(qiáng)度19 MPa和抗拉強(qiáng)度1.3 MPa，結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)束語

通過對大斷面臺階法隧道的數(shù)值模擬，對臺階法隧道的襯砌進(jìn)行安全性分析同時結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

(1)在各階段施工中拱腳與墻腳都屬較為危險的部位，承受較大的軸力和彎矩，所以應(yīng)該重視鎖甲錨桿的施作，以保證結(jié)構(gòu)未閉合前的穩(wěn)定。

(2)運(yùn)用格里菲斯理論對襯砌安全性進(jìn)行直接判斷，該法直接利用主應(yīng)力進(jìn)行分析，能夠從三維空間分析襯砌安全性，彌補(bǔ)了安全系數(shù)法沒有考慮三維空間受力的不足。

(3)結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)與數(shù)值計算，說明臺階法在淺埋大斷面隧道施工中是可行，但是為了隧道安全，需要盡快施作二次襯砌保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

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楊淋亦(1991～)，男，碩士研究生。

U455.4

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[定稿日期]2017-05-19