榮烏高速營爾嶺隧道排煙豎井襯砌安全性評價

徐 鋒，侯哲生，王云隆

(煙臺大學 土木工程學院， 山東 煙臺 264000)

近年來，我國公路交通事業(yè)發(fā)展迅猛，公路隧道豎井的數(shù)量隨之增加，其中豎井襯砌的安全性評價顯得尤為重要。本文以榮烏高速營爾嶺隧道排煙豎井為例，結合其設計支護參數(shù)，采用三維巖土分析和隧道有限元軟件MIDAS/GTS NX對周邊環(huán)境和其施工過程進行模擬計算，依據(jù)模擬結果對其豎井施工方法和襯砌支護的安全性進行評價。

1 榮烏高速營爾嶺隧道概況及豎井設計

1.1 營爾嶺隧道概述

榮成—烏海高速，簡稱榮烏高速，榮烏高速是連接山東省榮成市和內(nèi)蒙古烏海市的高速公路，全長1 820 km。本文所選取的案例為榮烏高速河北徐水至淶源段營爾嶺隧道，該隧道設計為雙向六車道通行，采用分離式隧道施工的特長公路隧道，其中隧道左線長約5 656 m，隧道右線長約5 677.3 m。隧址區(qū)地形地貌復雜，山體走勢曲折；屬于丘陵地貌，剝蝕程度較低；受隧道所處山體的自然坡度大的影響，隧道線位內(nèi)相對高差達到913 m，其中最高處標高1 618 m，最低處標高705 m[1]。

隧道運營通風設計，洞內(nèi)分別在K103+311和K103+441處設聯(lián)絡風道。聯(lián)絡風道內(nèi)設置軸流風機，通過互補通風滿足運營要求。

隧道排煙設計，考慮排煙區(qū)段較長，隧道設排煙豎井一座，設置在樁號K104+439與K104+430左右線中間處，豎井井口標高926 m，井深88 m，成井直徑5.20 m，最大開挖直徑6.52 m(包含5 cm預留變形量)，距離右線出口761 m。兩隧道均設置排煙橫洞與之連接。豎井正常情況下不啟用，僅在火災情況下視火災發(fā)生的不同部位結合防災預案正確開啟來排煙，排煙區(qū)段分4 900 m和800 m兩個區(qū)段排煙。

1.2 水文地質條件

豎井區(qū)地質圍巖級分別為IV級、V級，井口段20 m為V級圍巖，井身段均為IV級圍巖，均為太古界中風化花崗片麻巖呈侵入接觸，巖體較破碎至較完整，埋深較大以擠壓破壞為主，IV級圍巖，跨度5 m～10 m無自穩(wěn)能力，短期內(nèi)可能會導致小范圍塌方事故的發(fā)生；跨度小于5 m可穩(wěn)定數(shù)日至一個月。V級圍巖無自穩(wěn)能力，跨度小于5 m可穩(wěn)定數(shù)日，該級別圍巖主要分布在洞口段，中密至密實狀，開挖后應及時做好襯砌，穩(wěn)定周邊圍巖。

隧道地下水主要為基巖裂隙水，水量較小，洞內(nèi)地下水出水狀態(tài)為點滴狀或雨淋狀。

1.3 豎井結構設計及施工

豎井工程除井口部設置了單層SSm明洞襯砌外，其余地段均采用復合式襯砌；復合式襯砌是在豎井開挖完成后進行初期支護的施工，待其達到設計強度后施工二次襯砌；初期支護由系統(tǒng)錨桿、雙層鋼筋網(wǎng)、格柵鋼架、噴射混凝土組成，一般情況下二次襯砌采用素混凝土，以方便施工，但在V級圍巖以及洞口淺埋地段為了保證隧道的施工安全和整體的結構穩(wěn)定性，二次襯砌使用鋼筋混凝土施工。另外初期支護與二次襯砌之間鋪設300 g/m2土工布、1.5 mm厚單面自粘防水板作為復合防水層。

依據(jù)新奧法原理來設計營爾嶺隧道豎井的施工與襯砌支護，即充分發(fā)揮豎井圍巖的自穩(wěn)能力，輔以錨桿和噴射混凝土等支護手段。豎井井口段采用明挖法，設置鎖扣圈，井身段的復合式襯砌參數(shù)依據(jù)現(xiàn)場踏勘的圍巖情況、水文地質條件以及埋置深度來靈活確定。

豎井二次襯砌在初期支護完成后進行，采用自下而上翻模施工。為減少豎井基礎的受力，沿豎井方向每隔20 m設置一道壁座，見圖1。

圖1豎井襯砌示意圖

2 建立豎井計算模型

2.1 模型計算參數(shù)

在三維豎井模型中，使用MIDAS/GTS NX提供的實體單元來模擬地質圍巖，使用板單元來模擬混凝土襯砌，使用植入式桁架來模擬錨桿。巖體本構模型為彈塑性模型，采用莫爾-庫侖理論[2-4]。巖體及材料的物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 巖體及材料的物理力學參數(shù)

2.2 三維計算模型范圍

考慮到豎井開挖過程中不需要考慮邊界以外的地質條件，所以建模時需要規(guī)定三維豎井模型的邊界。一般情況下，地下工程模型建模時模型邊界通常取距離洞徑各方向的3D～5D。該豎井模型取豎井往外擴展5D為本模型的計算邊界。豎井底部往下擴展50 m，豎井模型最終選取的尺寸為184 m×30 m×148 m。豎井三維模型見圖2，有限元網(wǎng)格劃分見圖3。

圖2 豎井三維模型圖

圖3有限元網(wǎng)格劃分

2.3 定義邊界條件

在三維模型模擬計算中，以整體坐標系為準，需要對模型前后左右以及底面等五個平面進行位移約束，模型頂面為地表面，是自由面，不需要添加約束。

本次三維豎井建模使用的軟件是MIDAS/GTS NX，該軟件能夠自動判斷模型的外圍區(qū)域并生成邊界條件[5-6]。

2.4 施工過程模擬

豎井主體大部分處于Ⅳ級圍巖中，巖體質量相對較好，根據(jù)本工程的具體情況，擬采用反井法施工該排煙豎井。首先采用反井鉆機鉆Φ250 mm的導孔，直至導孔鉆透至排煙橫洞，將導孔鉆頭在此卸下，接上Φ1.4 m的擴孔鉆頭，再由下往上擴孔鉆至井口，形成直徑1.4 m的導井，然后正向爆破開挖，由導井溜渣至井底。出渣完成后及時進行初期支護，待全部開挖及初期支護完成后，自下而上分段翻模施工二次襯砌[7-11]。

3 模擬結果及分析

3.1 Von Mises應力

Von Mises準則是馮·米塞斯于1913年提出的一個屈服準則。Von Mises準則的值通常稱為Von Mises等效應力，其考慮了第一、第二、第三主應力。一般情況下，模型內(nèi)部的應力分布情況用Von Mises應力等值線來表示，通過分析其應力變化情況來對模型的疲勞，破壞等進行評價。

Von Mises應力值的計算：

(1)

其中σeff代表Von Mises應力，σ1、σ2、σ3分別代表第一、第二、第三主應力。

在MIDAS/GTS NX模型后處理結果中，提供了Von Mises應力，Von Mises應力表示在一定的變形條件下，當材料的單位體積形狀改變的彈性位能(又稱彈性形變能)達到某一數(shù)值時，材料就屈服；換言之，當單元體的形狀改變比能達到一定程度，材料開始屈服。使用該準則來評價豎井初期支護的受力情況是比較適合的[12-13]。

3.2 豎井模型初期支護的受力分析及安全性評價

豎井開挖后，初期支護所受的Von Mises應力如圖4～圖6所示。

整個施工模擬過程中，最大Von Mises應力出現(xiàn)在豎井與連接橫洞交界處，最大Von Mises應力值為4.58 MPa，安全系數(shù)計算如下：

(2)

式中：k表示安全系數(shù)，max(σs)表示初支結構所受的極限抗拉力，取最大Von Mises應力值4.58 MPa，σR表示初支結構等效抗拉承載力，取值為7.6 MPa[14]。

圖4 第1步開挖完成并進行初期支護后Von Mises應力圖

圖5 第11步開挖完成并進行初期支護后Von Mises應力圖

圖6全部開挖完成并進行初期支護后Von Mises應力圖

通過計算可知，該豎井模型初支結構的最小安全系數(shù)為1.66，由此可得初支結構所受到的圍巖應力較小，根據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》[15](JTG D70—2004)及《公路隧道設計細則》[16](JTG/T D70—2010)，該初支結構的設計是合理可靠的。

從Von Mises應力圖上可以看出，豎井在進行初期支護后，Von Mises應力呈線性變化，且較為平緩；從X和Y方向來看，Von Mises應力基本呈對稱分布，Z方向的Von Mises應力變化是隨著豎井深度的增加呈線性增大的趨勢，初支結構所承受的Von Mises應力最大值位于豎井深度最大處，故在開挖完成后都應及時進行初期支護，并且每個開挖循環(huán)的進尺不宜過大，防止Von Mises應力過大導致圍巖失穩(wěn)以致于上部初期支護的垮塌。

3.3 圍巖穩(wěn)定性分析

在MIDAS/GTS NX模型后處理結果中，提供了已經(jīng)進行初期支護后的圍巖塑形區(qū)分布圖以及位移圖。

3.3.1 圍巖塑性區(qū)分布情況

通過圖7可以看出該豎井施工模擬結果中的井壁圍巖沒有出現(xiàn)塑性區(qū)，根據(jù)莫爾-庫侖材料屈服準則可知，該豎井初支結構沒有出現(xiàn)屈服情況，存在足夠的安全儲備，再一次說明該初支結構的設計是安全可靠的。

圖7等效塑形應變分布圖

豎井的開挖使得原先主要承受上部土體壓力的井底掌子面出現(xiàn)應力重分布現(xiàn)象，應力釋放導致井底掌子面發(fā)生上拱，產(chǎn)生拉應力，故每個開挖循環(huán)的井底掌子面都會發(fā)生應力集中現(xiàn)象，如圖8所示，應力集中現(xiàn)象隨著豎井開挖深度的增大而越發(fā)的明顯。

圖8井底應力集中現(xiàn)象

3.3.2 圍巖位移場情況分析

豎井開挖完成后的整體位移較小，且以豎井中軸線為中心，兩邊位移呈對稱分布，如圖9所示。

圖9豎井整體位移

豎井圍巖在初支結構的約束下，位移和應力值均滿足結構安全性的要求，豎井的整體穩(wěn)定性也滿足要求。

4 結 論

(1) 從Von Mises應力圖上可以看出，豎井的圍巖應力是隨著開挖深度的增加而逐漸增大的，故初期支護應緊隨開挖進度，并且每隔一段距離應設置一個壁座，豎井上部20 m所處位置是V級圍巖，故壁座所隔距離應相應的減小。

(2) 在整個豎井模擬施工過程中，每一開挖循環(huán)結束時，井底都出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，并且隨著開挖深度的增加而越發(fā)明顯，剪應力也隨之增大，所以開挖結束后應加強掌子面處井壁的支護，盡快進行初期襯砌。

(3) 豎井與連接橫洞交界處是高應力聚集區(qū)，所以在結構設計中應進行加強處理，保證交界處存在足夠的安全儲備，豎井施工完成后應及時進行該處的二次襯砌。