火鳳山隧道人行橫通道開挖進(jìn)尺研究

作者簡(jiǎn)介：

蒲國(guó)偉（1982—），高級(jí)工程師，主要從事工程建設(shè)管理工作。

摘要：文章以重慶火鳳山隧道為依托，采用FLAC 3D軟件模擬人行橫通道的開挖過程，并研究在無支護(hù)狀態(tài)下采用不同進(jìn)尺時(shí)隧道的位移變形、圍巖應(yīng)力和塑性區(qū)等特征，比選出適宜的開挖進(jìn)尺。結(jié)果表明：（1）隨著開挖進(jìn)尺的增加，隧道拱頂沉降有增加的趨勢(shì)，但隧道拱底隆起和隧道左右邊墻收斂均呈現(xiàn)出變小的趨勢(shì)，差值lt;0.1 mm；（2）隨著開挖進(jìn)尺的增加，隧道豎向應(yīng)力有微小的增大趨勢(shì)，圍巖應(yīng)力集中范圍有微弱的減小趨勢(shì)，人行橫通道的水平應(yīng)力整體而言較小；（3）不同開挖進(jìn)尺下，圍巖破壞類型和分布范圍相似，不同破壞類型塑性區(qū)體積差距l(xiāng)t;1%。

關(guān)鍵詞：公路工程；隧道；數(shù)值計(jì)算；橫通道；施工方法

中圖分類號(hào)：U455.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 31 105 3

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，各大城市的公路建設(shè)速度越來越快，由于西南地區(qū)地形起伏、山巒眾多，公路隧道十分常見。作為穿越山嶺地形的有利途徑，公路隧道可以很好地避免盤山公路所帶來的負(fù)面影響，但同時(shí)，由于隧道深埋地下和狹長(zhǎng)的特性，公路隧道內(nèi)交通事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)更高，危害更加嚴(yán)重，救援難度更大。故依據(jù)規(guī)范要求，每隔一段距離，就要用人行橫通道連接兩個(gè)鄰近的隧道，便于發(fā)生事故時(shí)的人員逃生和救援。但人行橫通道的開挖斷面較小，大型機(jī)械無法進(jìn)入，施工作業(yè)難度大，故人行橫通道施工的施工方法和施工參數(shù)與主洞隧道不同，需要特別設(shè)計(jì)，為此研究人員展開了大量的研究。

黃平［1］采取數(shù)值模擬和理論計(jì)算相結(jié)合的方法，對(duì)橫通道施工過程中的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析，并對(duì)安全系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算，認(rèn)為施作襯砌后能有效減少車行橫通道豎向變形，施工完成后結(jié)構(gòu)整體安全性較好，但薄弱環(huán)節(jié)需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)一步加強(qiáng)；廖博華［2］介紹了在隧道現(xiàn)場(chǎng)使用定型組合鋼模澆筑橫通道二次襯砌混凝土的施工技術(shù)和定型組合鋼模的使用；羅彥斌等［3］針對(duì)隧道斜交橫通道施工對(duì)主隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和三維有限元數(shù)值模擬的方法，對(duì)橫通道施工階段主隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律和受力特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明橫通道施工導(dǎo)致交叉口附近一定范圍內(nèi)的主隧道襯砌產(chǎn)生變形和應(yīng)力集中，其影響范圍在交叉口銳角一側(cè)為1.82D（D為主隧道洞跨），在交叉口鈍角一側(cè)為1.32D，橫通道的開挖破壞了主隧道原有的成拱效應(yīng)，使交叉口處的襯砌產(chǎn)生應(yīng)力集中；張志強(qiáng)等［4］通過數(shù)值模擬橫通道的施工過程，得出橫通道施工將導(dǎo)致交叉部開口一側(cè)結(jié)構(gòu)變形不對(duì)稱增加，圍巖拉應(yīng)力區(qū)顯著增大以及交叉連接部?jī)蓚?cè)應(yīng)力集中的施工受力特征；王彬［5］以廣清高速公路擴(kuò)建工程天坪嶺新老隧道拼接人行橫通道施工為例，對(duì)隧道工程開挖施工爆破地震波的振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法及控制技術(shù)進(jìn)行研究，通過對(duì)爆破振動(dòng)速度和襯砌受力聯(lián)合監(jiān)測(cè)及結(jié)果分析來綜合判斷老隧道性能，并根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)提出控爆措施；蔡亦來［6］利用Midas GTS軟件建立三維數(shù)值模型，系統(tǒng)開展了新建隧道橫通道鉆爆法施工工況下既有隧道的靜動(dòng)力分析和振動(dòng)響應(yīng)研究，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)對(duì)計(jì)算結(jié)果加以驗(yàn)證?？梢娽槍?duì)橫通道施工對(duì)主線隧道的影響、橫通道的設(shè)計(jì)等方面已有研究，但缺乏人行橫通道施工開挖進(jìn)尺的研究。王景春等［7］利用Midas GTS軟件對(duì)隧道連接處的施工方法及受力特征進(jìn)行模擬分析，著重對(duì)比大包法和小包法施工引起的圍巖位移、應(yīng)力分布及塑性區(qū)范圍，并進(jìn)一步對(duì)小包法施工全過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)行為研究；王蒙等［8］建立摩擦土層及黏性土層等多種工況下的三維數(shù)值模型，從主線隧道中心線上方土體位移、地表沉降及主線隧道襯砌內(nèi)力等方面，研究分析了橫通道開挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響作用；鄭賀斌等［9］采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、理論分析和數(shù)值模擬方法，對(duì)π型雙橫通道6導(dǎo)洞CRD工法開挖引起的地表沉降變形特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明：豎井左右兩側(cè)橫通道開挖引起的地表變形規(guī)律基本一致，橫通道由弧形段進(jìn)入直線段約4倍洞徑范圍為地表沉降最大區(qū)域，地層損失率也隨著開挖斷面的增加而近似成比例增大，隨著右中部導(dǎo)洞和右下部導(dǎo)洞的開挖，地層損失率也相應(yīng)減?。粠焷嘄埖龋?0］通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬的方法分析了橫通道施工時(shí)隧道正洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律和受力特性，認(rèn)為襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生變形和開裂的主要原因是橫通道開挖時(shí)造成襯砌附近產(chǎn)生較大應(yīng)力，應(yīng)力最大位置集中在橫通道同側(cè)的墻腳與拱腳附近。

本文依托重慶火鳳山公路隧道，通過三維數(shù)值計(jì)算模擬施工過程，研究人行橫通道不同開挖進(jìn)尺下隧道的位移變形、圍巖應(yīng)力和塑性區(qū)等因素，比選適宜的施工參數(shù)。

1 工程概況

火鳳山隧道位于重慶市曾家?guī)r北延伸通道項(xiàng)目二標(biāo)段，設(shè)計(jì)為雙線六車道公路隧道，隧道主線的建筑限界寬度為13.25 m，并設(shè)計(jì)為分岔隧道。隧道上覆巖土體主要為砂巖、泥巖。依據(jù)規(guī)范在左右主線間、主線與連接線間設(shè)置人行橫通道，橫通道的縱向間距為460～470 m?，F(xiàn)場(chǎng)人行橫通道采用水磨鉆開挖的方式進(jìn)行。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 三維模型

采用FLAC 3D軟件模擬人行橫通道的開挖過程，并研究在無支護(hù)狀態(tài)下采用不同進(jìn)尺時(shí)隧道的位移變形、圍巖應(yīng)力和塑性區(qū)等因素。

考慮到邊界效應(yīng)的影響，建立的人行橫通道模型長(zhǎng)×寬×高為22.84 m×40 m×45 m，橫洞寬為3.3 m，洞高為4.36 m，坡度為11.32%，模型頂部即為地表，如圖1所示。隧道圍巖應(yīng)力-應(yīng)變特性按照彈塑性材料處理，土體破壞模式采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，計(jì)算參數(shù)如表1所示。模型的邊界條件設(shè)置為左、右、前、后四個(gè)邊界面限制垂直于平面方向的位移，底面限制垂直于平面和平行于平面方向的位移。橫通道開挖采用全斷面法開挖，隨著縱坡由低到高依次開挖。計(jì)算工況為不同的開挖進(jìn)尺（如表2所示）。

3 結(jié)果分析

3.1 隧道圍巖位移變化對(duì)比分析

分別提取人行橫通道圍巖變形受開挖的變形值，綜合對(duì)比不同開挖進(jìn)尺下隧道的水平位移和豎向位移變化情況，如圖2所示。在FLAC 3D軟件中，位移的正值代表向右、向上的變形，位移的負(fù)值代表向左、向下的變形。

人行橫通道開挖的豎向位移分布如圖2（a）、圖2（c）和圖2（e）所示。整體而言，無支護(hù)情況下進(jìn)行人行橫通道開挖，均會(huì)使拱頂產(chǎn)生一定的沉降，拱底產(chǎn)生一定的隆起，而邊墻位置的豎向沉降則很小。在開挖進(jìn)尺為0.6 m情況下開挖人行橫通道，其最大豎向沉降處于拱頂處，達(dá)到4.20 mm，而拱底處隆起了2.38 mm。在開挖進(jìn)尺為0.8 m情況下開挖人行橫通道，其最大豎向沉降處于拱頂處，達(dá)到4.21 mm，而拱底處隆起了2.37 mm。在開挖進(jìn)尺為1.0 m情況下開挖人行橫通道，其最大豎向沉降處于拱頂處，達(dá)到4.25 mm，而拱底處隆起了2.35 mm。人行橫通道開挖的水平位移分布如圖2（b）、圖2（d）和圖2（f）所示。整體而言，無支護(hù)情況下進(jìn)行人行橫通道開挖，均會(huì)使邊墻產(chǎn)生一定的收斂，而拱頂拱低位置的水平位移均很小。在開挖進(jìn)尺為0.6 m情況下開挖人行橫通道，其最大水平位移處于右邊墻處，達(dá)到2.52 mm。在開挖進(jìn)尺為0.8 m情況下開挖人行橫通道，其最大水平位移處于右邊墻處，達(dá)到2.50 mm。在開挖進(jìn)尺為1.0 m情況下開挖人行橫通道，其最大水平位移處于右邊墻處，達(dá)到2.50 mm。

綜上可知，隨著開挖進(jìn)尺的增加，隧道拱頂沉降有增加的趨勢(shì)，但隧道拱底隆起值呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)，隧道邊墻收斂隨著開挖進(jìn)尺的增加也呈現(xiàn)出變小的趨勢(shì)。

3.2 圍巖應(yīng)力分析

提取不同工況下人行橫通道圍巖受力云圖，綜合對(duì)比3種工法下人行橫通道圍巖受力情況，如圖3所示。

人行橫通道開挖圍巖的豎向應(yīng)力分布如圖3（a）、圖3（c）、圖3（e）所示。整體而言，無支護(hù)情況下進(jìn)行人行橫通道開挖，均會(huì)使距離左右邊墻一定距離外產(chǎn)生應(yīng)力集中。在開挖進(jìn)尺為0.6 m情況下開挖人行橫通道，其最大豎向應(yīng)力處于距離左右邊墻1.6～3 m，達(dá)到-1.68 MPa，而拱頂和拱腳處還會(huì)產(chǎn)生小量值的拉應(yīng)力，達(dá)到71.38 kPa。在開挖進(jìn)尺為0.8 m情況下開挖人行橫通道，其最大豎向應(yīng)力處于距離左右邊墻1.5～2.8 m，達(dá)到-1.68 MPa，而拱頂和拱腳處還會(huì)產(chǎn)生小量值的拉應(yīng)力，達(dá)到65.83 kPa。在開挖進(jìn)尺為1.0 m情況下開挖人行橫通道，其最大豎向應(yīng)力處于距離左右邊墻1.4～2.7 m，達(dá)到-1.68 MPa，而拱頂和拱腳處還會(huì)產(chǎn)生小量值的拉應(yīng)力，達(dá)到62.25 kPa。

人行橫通道開挖圍巖的水平應(yīng)力分布如圖3（b）、圖3（d）和圖3（f）所示。整體而言，無支護(hù)情況下進(jìn)行人行橫通道開挖，均會(huì)使拱頂部位產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中，但整體量值很小。在開挖進(jìn)尺為0.6 m情況下開挖人行橫通道，其最大水平應(yīng)力達(dá)到-1.19 MPa，拱頂應(yīng)力集中范圍大約為5.9 m左右。在開挖進(jìn)尺為0.8 m情況下開挖人行橫通道，其最大水平應(yīng)力達(dá)到-1.18 MPa，拱頂應(yīng)力集中范圍大約為5.9 m左右。在開挖進(jìn)尺為1.0 m情況下開挖人行橫通道，其最大水平應(yīng)力達(dá)到-1.16 MPa，拱頂應(yīng)力集中范圍大約為6 m左右。

綜上可知，隨著開挖進(jìn)尺的增加，隧道豎向應(yīng)力有很微小的增大趨勢(shì)，整體量值在-1.68 MPa左右，但應(yīng)力集中范圍也有微小的減小趨勢(shì)，人行橫通道的水平應(yīng)力整體而言小，最大值僅為-1.19 MPa。

3.3 圍巖塑性區(qū)分析

提取人行橫通道中間斷面的圍巖塑性區(qū)分布狀態(tài)，如圖4所示。

由圖4可見，在不同的開挖進(jìn)尺下，位移塑性區(qū)的分布規(guī)律相似，圍巖破壞均主要分布在左右邊墻和拱底部位，且均為剪切破壞。

提取不同破壞類型的塑性區(qū)體積如表3所示。由表3可見，隨著開挖進(jìn)尺的增大，不同破壞類型的塑性區(qū)體積逐漸增大。

4 結(jié)語

本文通過數(shù)值模擬手段探究了水磨鉆開挖人行橫通道過程中（無支護(hù)狀態(tài)下）的應(yīng)力特征及圍巖變形特征。通過考慮不同開挖進(jìn)尺情況下圍巖應(yīng)力及變形特征，提出人行橫通道開挖參數(shù)優(yōu)化。主要結(jié)論如下：

（1）對(duì)于人行橫通道而言，隨著開挖進(jìn)尺的不斷增加，隧道拱頂沉降有增加的趨勢(shì)，但隧道拱底隆起和隧道左右邊墻收斂均呈現(xiàn)出變小的趨勢(shì)，整體而言三種工況位移差值lt;0.1 mm。

（2）通過分析圍巖受力特征可知，隨著開挖進(jìn)尺的增加，隧道豎向應(yīng)力有微小的增大趨勢(shì)，但增幅lt;0.1 MPa，整體量值在-1.68 MPa左右，圍巖應(yīng)力集中范圍有微弱的減小趨勢(shì)，人行橫通道的水平應(yīng)力整體而言較小，最大值僅為-1.19 MPa。

（3）通過分析圍巖塑性區(qū)分布特征可知，不同開挖進(jìn)尺下，圍巖破壞類型和分布范圍相似，不同破壞類型塑性區(qū)體積差距l(xiāng)t;1%。

綜合上述圍巖變形和受力特征和經(jīng)濟(jì)性考慮，推薦采用開挖進(jìn)尺為0.8 m進(jìn)行人行橫通道的開挖。

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