楊家山黃土連拱隧道數(shù)值模擬分析及施工建議

趙 棟

(陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 西安市 710064)

黃土地層受地形、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件影響,洞室成洞能力及圍巖壓力變化較顯著,隧道施工易發(fā)生侵限、下沉、冒頂、洞口地表溜塌等問(wèn)題[1],隧道建成后易發(fā)生襯砌開(kāi)裂、二襯錯(cuò)臺(tái)、路面隆起等病害,后期處治難度較高,對(duì)施工造價(jià)、工期影響較大,因此前期設(shè)計(jì)的隧道選型和結(jié)構(gòu)分析工作較為重要。文章以楊家山隧道地形地質(zhì)條件下黃土連拱隧道施工階段模擬為例,對(duì)施工過(guò)程中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)變形進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1 工程概況

如圖1所示,楊家山隧道位于陜西省寶雞市渭濱區(qū)石鼓鎮(zhèn)境內(nèi),東南起于石鼓鎮(zhèn)劉家村,經(jīng)過(guò)趙家莊村、石壩河村,終點(diǎn)進(jìn)入石鼓鎮(zhèn)王家河村。隧道所在區(qū)地貌主要為黃土梁峁地貌,地形起伏大,整體呈東西向帶狀展布,西寬東窄,臺(tái)面受侵蝕切割較為破碎。地表出露地層主要為上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)夾有數(shù)層古土壤的黃土,其中上更新統(tǒng)黃土孔隙發(fā)育,中更新統(tǒng)黃土密實(shí),承載力較高。下伏中更新統(tǒng)沖洪積層,以卵石土及粉質(zhì)粘土為主,卵石土承載力高,呈密實(shí)狀,充填礫砂及粉質(zhì)粘土;粉質(zhì)粘土呈硬塑～堅(jiān)硬狀,承載力較高。地下水埋深較深。

圖1 洞口段平面圖

隧道所在公路等級(jí)為雙向四車(chē)道一級(jí)公路,如圖2所示,隧道凈寬2x10.25m+1m(中隔墻)=[0.75m(左側(cè)檢修道)+0.5m(左側(cè)側(cè)向?qū)挾?+3.75m×2(行車(chē)道)+0.75m(右側(cè)側(cè)向?qū)挾? +0.75m(右側(cè)檢修道)]x2+1m(中隔墻)。隧道右幅位于直線(xiàn)、R=1500m的圓曲線(xiàn)及緩和曲線(xiàn)上,隧道左幅位于直線(xiàn)、R=1600m的圓曲線(xiàn)及緩和曲線(xiàn)上。左右洞測(cè)設(shè)線(xiàn)間距僅為3.2m,屬于典型黃土連拱隧道。

圖2 黃土連拱隧道橫斷面

隧道洞口存在明顯偏壓情況,采用連拱隧道方案顯著增加挖方量及規(guī)模,洞口淺埋段坡腳掏底效應(yīng)更加明顯,作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的推力較分離式單洞更大。

隧道淺埋段結(jié)構(gòu)采用55cm厚C35鋼筋混凝土二襯,考慮到中隔墻受荷載較大,不同于傳統(tǒng)連拱隧道,即初支落腳于中墻之上的結(jié)構(gòu)。將初支拱架在中墻側(cè)落底,與仰拱的拱架連接,初支封閉成環(huán),形成類(lèi)似于單洞的初支結(jié)構(gòu),提高了結(jié)構(gòu)的受力性能和施工安全系數(shù)。此外,中導(dǎo)洞拱頂范圍采用φ50×4注漿小導(dǎo)管加固,增大中隔墻支撐圍巖范圍,增強(qiáng)中隔墻減跨效應(yīng)。

相較于分離式隧道,連拱隧道施工期主要風(fēng)險(xiǎn)在于后行洞開(kāi)挖時(shí),中導(dǎo)洞及后行洞附近的土體已受到初次擾動(dòng)、中間土柱支撐的減弱導(dǎo)致中導(dǎo)洞區(qū)域支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的圍巖壓力較大[2]。采用連拱方案應(yīng)加強(qiáng)連拱隧道中隔墻區(qū)域支護(hù)強(qiáng)度。相較于石質(zhì)連拱隧道,黃土地區(qū)圍巖受擾動(dòng)后變形范圍大,作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的圍巖壓力相對(duì)較大。黃土隧道后行洞施工的沉降變形對(duì)先行洞的影響更為嚴(yán)重[3]。土質(zhì)地基承載力相對(duì)較弱,設(shè)計(jì)過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理。在允許范圍內(nèi)盡可能擴(kuò)大中隔墻斷面,隧道淺埋段中隔墻最薄處調(diào)整為104cm,深埋段中隔墻最薄處為118cm,中墻底寬104～118cm,并與鋼管狀連接,提高了中墻自身的穩(wěn)定性。中隔墻底部采用擴(kuò)大基礎(chǔ)+φ134鋼管樁的形式,要求鋼管樁與中隔墻底部鋼筋焊接。主洞基礎(chǔ)底也采用φ134鋼管樁的加固方案。經(jīng)數(shù)值分析計(jì)算,中隔墻區(qū)域?qū)Φ鼗休d力的要求顯著大于主洞仰拱結(jié)構(gòu)。洞口結(jié)構(gòu)如管棚套拱基礎(chǔ)底,端墻式洞門(mén)基底及偏壓擋墻基底也同樣根據(jù)地基承載力情況進(jìn)行適當(dāng)加固處理。

通過(guò)結(jié)合現(xiàn)行抗震規(guī)范,采取了多項(xiàng)抗震措施,減少地震對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響。主要采取以下措施:

(1)按照隧道抗震設(shè)防級(jí)別、抗震設(shè)防措施等級(jí)選擇洞門(mén)墻、洞口偏壓擋墻、隧道襯砌的材料及強(qiáng)度等級(jí),參考現(xiàn)行抗震規(guī)范優(yōu)化襯砌結(jié)構(gòu)鋼筋設(shè)計(jì)。

(2)為減少地震影響,充分減少隧道淺埋偏壓段長(zhǎng)度,對(duì)洞口偏壓土體進(jìn)行了挖除。

(3)淺埋段設(shè)防長(zhǎng)度考慮地震因素,綜合連拱隧道形式確定淺埋段判定標(biāo)準(zhǔn);結(jié)構(gòu)形式變化段延伸段參考現(xiàn)行抗震規(guī)范執(zhí)行。

(4)參照現(xiàn)行抗震規(guī)范控制明洞回填土坡率及兩側(cè)回填高度, 明洞邊墻背后采用M10漿砌片石回填,可以有效提高隧道明洞結(jié)構(gòu)抗震能力,合理選用明洞洞頂上方回填材料。對(duì)端墻式洞門(mén),洞門(mén)墻墻身最薄處不小于0.8m,墻頂高出墻背回填面不小于1m。洞門(mén)墻與襯砌設(shè)置連接鋼筋,連接鋼筋直徑與襯砌鋼筋相同。根據(jù)抗震設(shè)防等級(jí)選擇合適的環(huán)向間距。洞門(mén)墻地基承載力不應(yīng)小于300kPa。洞門(mén)墻基礎(chǔ)嵌固深度不小于1.2m。

(5)隧道中隔墻基礎(chǔ)采用了擴(kuò)大斷面條形基礎(chǔ),增大了基礎(chǔ)嵌固深度,提高了中隔墻的抗震穩(wěn)定性。

2 楊家山隧道施工變形數(shù)值模擬分析

2.1 有限元模型

本項(xiàng)目采用有限元分析軟件Midas NX對(duì)楊家山隧道進(jìn)行地層-結(jié)構(gòu)模型計(jì)算。根據(jù)以往既有類(lèi)似項(xiàng)目工程實(shí)例,隧道淺埋段施工開(kāi)挖的主要影響范圍為隧道跨度的5倍直徑左右。隧道跨度約為4.0m,本次模型采用20m長(zhǎng)段落進(jìn)行模擬,中隔墻采用實(shí)體單元,如圖3和圖4所示。

圖3 分析模型

圖4 中隔墻實(shí)體模型

2.2 本構(gòu)模型及荷載邊界條件

模擬采用莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型,采用Midas NX內(nèi)置的混合網(wǎng)格生成器進(jìn)行單元生成;襯砌采用板單元進(jìn)行模擬,初期支護(hù)采用析取單元模擬,采用提高強(qiáng)度等效土層參數(shù)來(lái)模擬注漿小導(dǎo)管加固圈。幾何邊界條件為模型四周施加橫向的水平位移約束。模型底部施加固定約束,地表為自由。

2.3 隧道施工模擬

本次計(jì)算模型模擬連拱隧道開(kāi)挖的施工過(guò)程,其施工流程重點(diǎn)考慮內(nèi)容如下:

(1)隧道施工過(guò)程中,考慮先行洞與后行洞的互相影響。

(2)模擬時(shí)主洞均采用單側(cè)壁導(dǎo)洞開(kāi)挖方法,主洞開(kāi)挖前應(yīng)對(duì)中導(dǎo)洞一側(cè)區(qū)域回填反壓處理。

(3)為模擬中隔墻頂部注漿加固施工,采用改變單元參數(shù)的方式模擬加固區(qū)域效果。

(4)為模擬初期支護(hù)落底效果,將中導(dǎo)洞初期支護(hù)在主洞初支落底前斷開(kāi)處理。

2.4 參數(shù)取值

結(jié)合上述內(nèi)容及既有規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn),結(jié)構(gòu)材料參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

根據(jù)既有工程地質(zhì)勘探報(bào)告,土層參數(shù)取值如表2所示。

表2 地層物理力學(xué)參數(shù)

2.5 具體施工階段模擬步驟

黃土公路連拱隧道工程數(shù)值模擬步驟如圖5～圖8所示。

圖5 初始地應(yīng)力模擬分析(位移清零)

圖6 中導(dǎo)洞開(kāi)挖施作中隔墻

圖7 先行洞開(kāi)挖施工

圖8 后行洞開(kāi)挖施工

2.6 計(jì)算結(jié)果

為了得出中導(dǎo)洞拱腰及拱頂附近的初期支護(hù)沉降,在模型中設(shè)置了監(jiān)測(cè)點(diǎn),便于提取或示意各點(diǎn)處的沉降。

根據(jù)圖9的計(jì)算結(jié)果,隧道中導(dǎo)洞拱腰最大沉降值約為26cm,后行洞處最大沉降值約為61.5cm,均不滿(mǎn)足安全施工要求。從分布位置可以看出,先行洞和后行洞拱頂沉降均較大。如不及時(shí)施工先行洞二次襯砌,先行洞拱頂沉降也會(huì)受影響增大,后行隧道開(kāi)挖后,拱頂位移顯著增大,后行洞的拱頂沉降顯然超出了安全施工要求。

圖9 連拱隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處沉降值—Uz

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

本項(xiàng)目鑒于特殊的地形地質(zhì)條件,從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出,最大沉降超過(guò)50cm,遠(yuǎn)超過(guò)既往案例沉降允許變形值,可以說(shuō)明本項(xiàng)目采取連拱隧道形式,后期的投資規(guī)模和施工難度均較大。

(1)文中給出了黃土公路連拱隧道工程數(shù)值模擬步驟,列出了初期支護(hù)落底條件下施工階段的模擬思路。

(2)模擬結(jié)果顯示,中隔墻區(qū)域受到的圍巖壓力較大,中隔墻基底易沉降。中隔墻基底由于有效的加固與主洞地基存在剛度差,易發(fā)生不均勻沉降。

(3)綜合既有黃土隧道案例,推薦本項(xiàng)目采用小凈距或分離式隧道方案。

3.2 建議

由于數(shù)值模擬計(jì)算,無(wú)法考慮眾多的環(huán)境條件,只能作為參考,針對(duì)黃土區(qū)隧道,提出以下建議:

(1)位于地下水位線(xiàn)以下的黃土隧道,應(yīng)盡量避免采用連拱結(jié)構(gòu)。

(2)黃土連拱隧道需考慮地震影響,參照現(xiàn)行隧道抗震規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算。

(3)施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖實(shí)際情況對(duì)施工方案和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,確保施工過(guò)程及運(yùn)營(yíng)安全。