軟巖區(qū)大跨、 大跨高比儲水隧洞施工力學特性模擬分析

隋濤 徐震

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司 200092)

引言

改革開放以來, 經(jīng)濟技術迅猛發(fā)展, 帶動我國各行各業(yè)蓬勃發(fā)展。 作為基礎設施的市政污水處理工程, 也緊隨時代步伐, 由先前的地上處理模式、 半地下處理模式, 逐步發(fā)展至目前的全地下式污水處理模式。 最具代表性的山洞式污水處理廠便是全地下室污水處理模式之一, 利用山體的空間位置, 將主要水處理構筑物布置于山體中, 構筑物的體積由處理規(guī)模的大小確定。 目前, 地下式污水處理廠的規(guī)模較大(日處理≥10 萬t/d), 由此設計的構筑物洞跨、 洞高大, 凈寬約16m, 開挖寬度約18.8m、凈高約16m, 開挖高度約18.8m, 洞跨比約為1, 其異常于大跨公路隧道和鐵路隧道。 常規(guī)的施工工法是否適用于該類型的隧洞施工, 值得進一步研究探討。

1 大跨隧洞施工工法

隧洞施工方法通常采用工程類比法, 并結合隧洞埋深、 斷面大小、 圍巖級別、 現(xiàn)場監(jiān)測的圍巖地質(zhì)概況、 施工安全、 效率等進行及時調(diào)整。軟巖區(qū)大跨隧洞施工開挖工法主要有臺階分部開挖法、 單側壁導坑法(CD 法)、 雙側壁導坑法(眼鏡工法或 DCD 法)和十字中隔墻法(CRD法)[1-7]。

1.1 各工法特性分析

軟巖大跨隧洞施工法的特性對比見表1。

表1 各工法特性對比Tab.1 Characteristics comparison of each work method

1.2 大跨儲水隧洞施工工法選取

大跨儲水隧洞埋深較深(30m), 跨度大, 高度高, 跨高比大, 圍巖強度差(Ⅴ)。 根據(jù)工程類比法及必要的計算分析, 以及施工工法的安全風險性, 同時應減小施工開挖對圍巖擾動的影響,綜合考慮選取以雙側壁導坑法為基礎、 增加橫向支撐的工法施工。

2 施工過程模擬分析原理

隧洞結構開挖施工過程主要包括隧洞開挖輪廓線內(nèi)巖土體的開挖及支護結構的分層設置等。開挖施工模擬一般通過在開挖邊界上施加釋放荷載實現(xiàn)。 用于模擬不同施工階段的力學狀態(tài)的有限元方程為[8]:

式中:[K0]為地層開挖前巖土體等的初始總剛度矩陣；為施工過程中巖土體的支護結構剛度的增量或減量, 其值為挖去巖土體單元及設置或拆除支護結構單元的剛度；為任一施工階段產(chǎn)生的節(jié)點增量位移列陣；為由于開挖釋放產(chǎn)生的邊界增量節(jié)點力列陣；為施工過程中增加的節(jié)點荷載列陣。

任一施工階段i的位移{δi}、 應變{εi}和應力{σi}為:

式中: Δδk為各施工階段的增量位移； Δεk為各施工階段的增量應變； Δσk為各施工階段的增量應力；σ0為初始應力。

3 工程案例及模擬分析

3.1 工程案例

某儲水隧洞為復合式襯砌結構位于Ⅴ級圍巖區(qū), 隧洞埋深30m, 隧洞由多段圓弧組成, 隧洞凈寬16.3m, 凈高16.37m, 初襯厚40cm(噴錨支護, 錨桿長4m, 直徑36mm, 鋼筋為 HW340 型鋼), 二襯厚1m(鋼筋混凝土), 初襯、 二襯之間敷設防水板, 如圖1 和圖2 所示, 其材料參數(shù)如表2 所列。

圖1 隧洞內(nèi)輪廓示意Fig.1 Schematic diagram of the tunnel internal contour

圖2 隧洞斷面設計示意Fig.2 Schematic diagram of tunnel section design

表2 初襯、 二襯以及圍巖材料參數(shù)Tab.2 Material parameter ofthe initial liner,the secondary liner and rock

3.2 模擬分析

1.模型本構及單元選取

隧洞施工過程采用有限元進行模擬分析。 錨桿采用彈性桿單元, 支撐、 鋼架采用彈性梁單元模擬。 二襯采用彈性梁單元模擬, 初襯與二襯之間的相互作用采用彈性連接(僅考慮受壓作用)模擬。 圍巖采用摩爾庫侖模型, 平面四邊形單元模擬, 如圖3 所示。

圖3 有限元模型示意Fig.3 Schematic diagram of finite element model

2.模型邊界及約束

為減小邊界效應對隧洞襯砌結構位移、 內(nèi)力的影響, 計算模型的水平向左右邊界取距離相鄰側隧洞毛洞壁面的5 倍毛洞洞跨, 下部邊界取距離隧洞毛洞底面為毛洞高度的5 倍, 上部邊界取至地表處, 如圖4 所示。

圖4 模型邊界范圍示意Fig.4 Schematic diagram of boundary range of the model

作用邊界為水平位移約束邊界, 底部邊界為垂直向位移約束邊界, 上部邊界為自由變形邊界。

3.隧洞開挖順序

隧洞開挖采用帶橫向支撐的雙側壁導坑法,開挖次序見圖5。

圖5 隧洞施工工序示意Fig.5 Schematic diagram of the construction process of the tunnel

4.初襯計算結果

隧洞初襯位移計算結果見圖6, 初襯內(nèi)力計算結果見圖7。

5.結果分析

(1)通過隧洞位移計算結果可知, 隧洞開挖至過程5 時, 臨時支撐的水平位移、 豎向位移和拱頂豎向位移最大, 分別為26mm、 13.3mm 和6.7mm； 隧道開挖至過程6 時, 初襯底板豎向位移最大, 約為14.1mm； 全部臨時支撐拆除后,隧洞初襯結構的水平位移和豎向位移均達到最大, 分別為12.2mm 和14.6mm； 隧洞開挖至過程5 之前, 隨著開挖過程的進行, 初襯水平位移隨之增大, 開挖5 至6 之間襯砌水平位移變化小, 支撐拆除時襯砌水平位移最大。

(2)通過隧洞位移計算結果可知, 隨著開挖過程的進行, 初襯結構、 臨時支撐結構的軸力隨之增大。 在臨時支撐全部拆除后, 初襯結構的軸力達到最大值, 其位置為拱腰和側墻與底板相接處。

(3)通過隧洞位移計算結果可知, 隧洞開挖至過程5 時, 臨時支撐和初襯結構的彎矩最大,分別為404.9kN·m/m 和275.3kN·m/m, 且均為拱部與臨時支撐相接處, 在完成開挖過程6 之后, 臨時支撐、 除塵結構的彎矩均有不同程度的減小。 臨時支撐全部拆除后, 襯砌結構的彎矩相比開挖過程6 的彎矩, 又有不同程度的減小。

圖6 各施工工序位移(單位: mm)Fig.6 Displacement diagram of each construction process(unit: mm)

圖7 各施工工序內(nèi)力Fig.7 Internal force diagram of each construction process

4 結論

1.采用雙側壁導坑法進行大跨、 大跨高比隧洞施工, 其整個施工過程初襯結構變形小,變形可控, 由此可確保施工過程中圍巖的穩(wěn)定性。

2.雙側壁導坑法的隧洞施工時, 隨著開挖推進的變化, 初襯結構的變形、 內(nèi)力也隨之變化。拆除臨時支撐后, 封閉初襯結構的位移、 軸力較各開挖過程中的位移和軸力增大, 彎矩較各開挖過程中的彎矩減小。