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      黃土隧道施工穩(wěn)定性數(shù)值模擬對比研究

      2021-10-20 00:58:46胡繼實(shí)張勵(lì)云
      科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2021年28期
      關(guān)鍵詞:土法關(guān)鍵點(diǎn)軸力

      胡繼實(shí) 張勵(lì)云* 張 鑫

      (1、重慶市軌道交通(集團(tuán))有限公司,重慶 400010 2、重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院,重慶 401331)

      隨著國家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,公路隧道建設(shè)廣泛應(yīng)用于黃土地區(qū)。黃土相比于其他圍巖而言,這類黃土結(jié)構(gòu)較松散,由于具有針狀孔隙、大孔隙比、低含水量的特征,導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度低、自承載力弱以及開挖變形大[1-5]。這類土體在隧道開挖過程中容易發(fā)生侵蝕、變形和破壞,在施工時(shí)易發(fā)生垮塌。鑒于此,國內(nèi)外學(xué)者對此做了大量的研究[6-8]。目前黃土隧道受力狀態(tài)和變形特征的分析方法主要包括經(jīng)驗(yàn)公式法[9]、數(shù)值分析法[10]、現(xiàn)場實(shí)測法[11]等。如基于隧道結(jié)構(gòu)特征的數(shù)值仿真模擬,劉金慧[12]針對大斷面黃土隧道地基沉降的數(shù)值計(jì)算分析,針對軟巖小凈距隧道施工開挖進(jìn)行土層應(yīng)力狀態(tài)分析等;如根據(jù)模型試驗(yàn)和施工現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)進(jìn)行黃土穩(wěn)定性的計(jì)算分析,藍(lán)華[13]以黃土隧道工程為研究對象,針對隧道施工過程中弧形導(dǎo)坑法施工工藝進(jìn)行數(shù)值模擬,得到黃土隧道圍巖開挖后的變形特征,并根據(jù)隧道沉降變形規(guī)律給出隧道施工的有效建議。

      綜上所述,本文在相關(guān)問題研究方法基礎(chǔ)上,以銀川至昆明公路上的張家塬黃土隧道為研究對象,針對區(qū)域地質(zhì)條件劃分三層三維地質(zhì)模型,模擬隧道CD 法、CRD 法以及留核心土開挖法三種不同開挖方式的實(shí)際過程,得到黃土隧道圍巖在開挖之后的變形特征,并對隧道圍巖穩(wěn)定性給出施工的有效建議。

      1 工程概況

      某黃土隧道位于吳忠市同心縣境內(nèi),是銀川至昆明公路(G85)太陽山開發(fā)區(qū)至彭陽(寧甘界)段的重要工程。隧道總體軸線方向230°,左右幅線間距由進(jìn)口段30m 漸變至出口段41m,左線起訖樁號(hào)ZK102+510~ZK103+300,總長790m,最大埋深約102m;右線起訖樁號(hào)K102+500~K103+292,總長792m,最大埋深約100m,圖1 為隧道開挖斷面及輪廓設(shè)計(jì)圖。

      圖1 隧道開挖斷面及輪廓設(shè)計(jì)圖

      隧址區(qū)屬黃土梁峁地貌,山高谷深,整個(gè)山體呈饅頭狀,局部坡面較緩,植被稍發(fā)育,洞身段上部為退耕還林地,地面標(biāo)高介于1525~1625 之間,相對高差100m。隧道軸線在出口段與地形等高線近直交,進(jìn)出口段大角度斜交,圖2 為隧道開挖地質(zhì)剖面圖。研究區(qū)斷裂、構(gòu)造及褶皺不發(fā)育,無區(qū)域性斷裂、無全新活動(dòng)斷裂構(gòu)造。隧道區(qū)土體主要有第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積馬蘭黃土,下部為中更新統(tǒng)沖洪積物高石黃土,馬蘭黃土主要分布于整個(gè)隧道山體表層,呈披衣戴帽狀,厚度不均,垂直節(jié)理發(fā)育。離石黃土主要分布于隧道洞身中下部,結(jié)構(gòu)致密,整體性稍好。隧道洞身段由松軟結(jié)構(gòu)黃土(Q3、Q2)組成,綜合判定隧道的圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。

      圖2 隧道開挖地質(zhì)剖面圖

      2 黃土隧道施工過程模擬

      2.1 模型建立

      選擇隧道中間最大埋深處ZK102+764 段作為研究對象,此處隧道埋深57.7m。結(jié)合實(shí)際情況,利用Midas/GTS 建模分析,建立模型為開挖橫斷面為65.8m,隧道底部以下為24.5 米,隧道頂部至模型上邊界23m。隧道斷面為馬蹄狀結(jié)構(gòu),寬為11.6m,上面由半徑5.8m 三心圓組成,除模型上邊界以外,其他邊界采用位移和邊界進(jìn)行約束。隧道支護(hù)形式為初支和二次支護(hù),初支噴漿厚度為25cm,二次襯砌厚度為40cm,錨桿長度為3.0m,直徑為25mm,間距為2m,橫斷面總計(jì)31 根。隧道圍巖采用實(shí)體單元建立,錨桿和襯砌采用結(jié)構(gòu)單元,均采用的摩爾-庫倫本構(gòu)模型,模型網(wǎng)格總計(jì)4248 個(gè)。表1 給出了土體、襯砌的相關(guān)物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)。

      表1 計(jì)算模型力學(xué)參數(shù)表

      圖3 隧道網(wǎng)格劃分模型圖

      2.2 施工過程模擬

      結(jié)合隧道設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范,本文采用3種不同施工方法,如圖4 所示,分別為CRD 法、CD 法以及留核心土開挖法。留核心土開挖法在開挖之前對隧道周圍網(wǎng)格進(jìn)行初始邊界約束以及重力荷載,該法分為七個(gè)施工階段:(1)對隧道頂部進(jìn)行開挖;(2)左邊墻開挖;(3)右邊墻體開挖;(4)留核心土開挖;(5)隧底開挖;(6)仰拱開挖;(7)二襯。CRD 法分為七個(gè)施工階段:(1)左上二襯開挖;(2)左中二襯開挖;(3)左下二襯開挖;(4)右上二襯開挖;(5)右中二襯開挖;(6)右下開挖;(7)上下內(nèi)襯。CD法分為三個(gè)施工階段:(1)仰拱開挖及二襯左側(cè)開挖;(2)仰拱和二襯右側(cè)開挖;(3)內(nèi)襯三個(gè)施工階段。在隧道開挖過程中,分別在隧道頂部、隧道底部、隧道左右兩側(cè)以及隧道左右底腳共計(jì)六處位置設(shè)位移監(jiān)測點(diǎn),圖中圓圈中的數(shù)字代表開挖順序。

      圖4 三種隧道開挖方式示意圖(圖中黑色圓代表監(jiān)測點(diǎn)位置、數(shù)字代表開挖順序)

      3 隧道施工穩(wěn)定性分析

      3.1 位移對比分析

      通過圖5 可以看出隧道圍巖在CD 法、CRD 法以及留核心土開挖法三種不同方式下的豎直和水平位移云圖。在隧道開挖過程中,由于初始應(yīng)力的釋放使得應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化出現(xiàn)了卸荷位移。隧道上部圍巖整體形成U 型沉降區(qū),由隧道表面延伸到拱腳處,邊界接近垂直,拱頂和拱腳沉降基本不一致。由圖可知:CD 法開挖引起的拱頂沉降最大值為0.064m,位于隧道中心線左側(cè)2m 附近;CRD 法開挖引起的拱頂最大沉降值為0.055m,位于隧道中心線上;留核心土法開挖引起的拱頂最大沉降為0.043m。在垂直方向左右邊墻形成最大豎向沉降,在距隧道中線20m 范圍內(nèi),沉降值隨著距隧道中心線距離的增加而減小,由地表至隧道拱腳處垂直向,沉降量較為接近。通過水平位移變化圖對比可發(fā)現(xiàn),隧道底角以及拱腰處容易出現(xiàn)水平位移變化,這與實(shí)際工程中加強(qiáng)對拱腳以及拱腰支護(hù)相符合。通過表2 對三種不同開挖方法進(jìn)行拱頂沉降和水平位移對比發(fā)現(xiàn),相比于CRD 法和CD 法,留核心土法拱頂沉降最小,水平位移僅發(fā)生在小范圍之內(nèi)且優(yōu)于CRD 法和CD 法。

      表2 三種開挖方法位移對比表

      3.2 隧道支護(hù)強(qiáng)度對比分析

      CD 法、CRD 法以及留核心土法三種開挖方式在連接處均出現(xiàn)軸力相對集中的狀態(tài)。開挖過程中,CD 法開挖引起的最大彎矩為22.51KN/m,最大軸力為518KN;CRD 法開挖引起的最大彎矩為15.274KN/m,最大軸力為253KN;留核心土法開挖引起的最大彎矩為21.52KN/m,最大軸力為255.7KN。可以看出,CRD法和留核心土法的承重結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布是對稱的,內(nèi)力狀態(tài)優(yōu)于CD 法(圖6)。

      圖6 三種不同開挖方式隧道支護(hù)強(qiáng)度結(jié)果云圖

      3.3 監(jiān)測點(diǎn)變形對比分析

      圖7 采用CD 法施工時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)的監(jiān)測沉降值。由圖7 可知,隧道拱頂、左右拱腰和拱腳都在下沉,對于上述幾個(gè)測點(diǎn),位移隨著施工階段的增加而增加,其中在第二階段時(shí)的位移值增幅較為明顯,相比于第一階段,隧道拱頂、拱底、左拱腰、右拱腰、左拱腳位移值在第三階段分別增大了12%、3%、21.2%、4%和9.7%。對于右拱腳,則發(fā)生階段性變化,這是因?yàn)橛捎趦A斜節(jié)理的影響導(dǎo)致初期拱底隆起會(huì)向右拱腳偏移。最終拱頂沉降值為0.02m,拱底隆起值為0.65mm。從以上分析來看,采取CD 法施工時(shí),應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注拱頂、右拱腰和右拱腳三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),做好控制沉降準(zhǔn)備。

      圖7 CD 法施工關(guān)鍵點(diǎn)監(jiān)測沉降位移

      圖8 采用CRD 法施工時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)的監(jiān)測沉降值。由圖8 可知,隧道拱頂、左右拱腰和左拱腳均下沉,拱底發(fā)生隆起,相比于第一階段,隧道拱頂、拱底、左拱腰、右拱腰、左拱腳位移值在第三階段分別增大了14.6%、4%、40%、5%和11%,對于右拱腳,則發(fā)生階段性變化。最終拱頂沉降值為0.01m,拱底隆起值為0.53mm。相較于CD 法開挖,CRD 法的左右拱腳沉降量較小,采用CRD 法優(yōu)于CD 法開挖。

      圖8 CRD 法施工關(guān)鍵點(diǎn)監(jiān)測沉降位移

      圖9 采用留核心土法施工時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)的監(jiān)測沉降值。由圖9可知,隧道拱頂、左右拱腰和左拱腳均下沉,拱底發(fā)生隆起。隨著施工的進(jìn)行在第四階段時(shí)豎向位移達(dá)到最大,相比于CD 法和CRD 法位移的變化趨勢明顯減少。

      圖9 留核心土法施工關(guān)鍵點(diǎn)監(jiān)測沉降位移

      綜上可知,采用留核心土開挖法更適合黃土隧道施工,其次是CRD 法,最差的是CD 法。

      4 結(jié)論

      通過對隧道CRD 法、CD 法和留核心土法開挖方法的數(shù)值模擬,比較得出以下結(jié)論:

      4.1 留核心土法開挖引起的最大拱頂沉降0.043m,小于CRD 法和CD 法,對附近隧道開挖施工有顯著的改善作用。

      4.2 三種開挖方式施工過程中,拱體的臨時(shí)支護(hù)和初期支護(hù)均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象?,F(xiàn)場施工時(shí),應(yīng)根據(jù)梁的動(dòng)力變形理論及動(dòng)態(tài)監(jiān)測結(jié)果,及時(shí)對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

      4.3 開挖過程中,CD 法開挖引起的最大彎矩為22.51KN/m,最大軸力為518KN;CRD 法開挖引起的最大彎矩為15.274KN/m,最大軸力為253KN;留核心土法開挖引起的最大彎矩為21.52KN/m,最大軸力為255.7KN。可以看出,CRD 法和留核心土法的承重結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布是對稱的,內(nèi)力狀態(tài)優(yōu)于CD法。

      綜上所述,對于黃土隧道,留核心土法開挖引起的圍巖位移場和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力優(yōu)于CRD 法和CD 法,實(shí)際施工優(yōu)先選擇留核心土法。

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