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基于臺階法開挖隧道圍巖變形的分析與預測

2020-07-17 03:55:00王福和王樹新
中國港灣建設 2020年7期
關鍵詞:下臺階邊墻拱頂

王福和,王樹新

(中交第一航務工程局有限公司,天津 300461)

0 引言

近年來,隨著國家對基礎建設投資的不斷加大,以及西部投資發(fā)展的需求[1],西部高速公路和鐵路發(fā)展迅速,受西部的自然地質(zhì)條件影響,隧道建設項目會越來越多,尤其復雜地質(zhì)情況下的長距離大跨徑隧道建設[2],其中有限元仿真計算以及監(jiān)測數(shù)據(jù)反演分析為施工的安全建設和運營期的安全運行提供大量的指導。

臺階法開挖適用于軟弱地層、第四紀沉積地層、巖層,施工過程中無論地層變好還是變壞,都能及時變換成其他方法,故而被大面積采用和推廣,為了保證進度的同時確保工程安全,施工前進行有限元模擬仿真具有重要的作用,從工程參數(shù)的選用到實際施工步驟的模擬,以及計算結(jié)果的真實性,都將影響工程質(zhì)量和安全。如何通過前期研究正確及時的對施工過程的安全性進行評價,從而及時消除施工過程的危險點,提出經(jīng)濟的支護建議,控制圍巖過大變形,是設計和施工前期必不可少的過程。

韋秉旭和唐輝湘[3]利用FLAC3D 分別模擬湖南某高速公路某隧道在CRD 法與上下臺階法開挖條件下的施工過程,分析隧道開挖過程中圍巖的應力、位移及塑性區(qū)發(fā)展情況,研究兩種施工方法對軟巖隧道開挖的穩(wěn)定性影響。于增義[4]依托福建省南平市棋盤石隧道設計與施工,結(jié)合當前國內(nèi)外對隧道施工方法的研究現(xiàn)狀,應用有限元軟件ANSYS,對棋盤石隧道的施工進行了數(shù)值模擬,分析研究了棋盤石隧道在不同圍巖類別、不同施工方式、不同施工階段隧道圍巖的穩(wěn)定性和支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移特征和變化規(guī)律。徐賓賓等[5]針對老鷹山超長破碎帶隧道施工,利用有限元軟件Plaxis3D 計算分析了開挖過程中隧道的變形情況,著重考慮了圍巖等級、開挖方式、雙線隧道等對隧道沉降和水平位移的影響。周剛[6]以甘肅省某隧道為例,應用ANSYS 有限元軟件,對采用上下臺階法開挖大斷面隧道的穩(wěn)定性進行了模擬分析。然而由于隧道圍巖種類多樣,施工方法也各不相同,數(shù)值計算方法可彌補現(xiàn)場圍巖應力測量困難大的問題。本文為分析蘭渝鐵路龍池山隧道開挖方式、圍巖情況對隧道圍巖受力及變形的影響開展有限元計算,并將其與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析,驗證模型的準確性,從而指導設計以及施工。

1 工程概況

蘭渝鐵路龍池山隧道工程中,開發(fā)隧道地質(zhì)均為II~III 類圍巖或節(jié)理發(fā)育的圍巖且圍巖開挖斷面最大跨度大于13 m,設計采用“臺階法”施工。選取龍池山隧道里程DK458+338—DK458+451 為典型分析區(qū)域。該段隧道為IV 級圍巖地段,隧道埋深約100 m,圍巖主要為千枚巖,隧道高12.9 m,最大跨度約14.7 m,埋深100 m?!芭_階法”施工方法,施工、支護順序見圖1。具體步驟為:施作上臺階;上臺階拱部初期支護;開挖下臺階中槽;邊墻開挖;邊墻初期支護,開挖仰拱,仰拱初支;二襯施作。初期襯砌為曲墻帶仰拱,初支采用長度3.5 m,間隔1.2 m(環(huán)向)×2 m(縱向)φ22 錨桿; 25 cm×25 cm φ6 鋼筋網(wǎng);厚度為23 cm 的C25 噴射混凝土。為減少臺階之間施工的相互影響,臺階間距60 m 以上,洞身開挖循環(huán)進尺按1.5 m 進行。本文將采用數(shù)值模擬的手段對圍巖變形進行分析,計算“臺階法”圍巖開挖施工每一開挖工況下詳細的圍巖變形情況,評價支護方案,掌握圍巖受力狀態(tài)及分布,提出施工中注意事項。

圖1 臺階法施工、支護斷面圖Fig.1 Bench construction and support section drawing

2 模型建立

采用專門用于計算隧道工程的PLAXIS 3D 有限元軟件進行建模分析。由于隧道開挖多采用“臺階法”施工,是典型的三維問題,所以建立三維隧道模型,圍巖的本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型。

為了便于計算收斂,將初支進行簡化,噴射混凝土和鋼筋網(wǎng)簡化為一層襯砌,錨桿區(qū)域則簡化為相應圍巖區(qū)局部加強,采用彈性模型。襯砌與圍巖剛性連接。無地下水作用。

施工步驟上只考慮圍巖開挖、初支變形情況,對于圍巖二襯施工,由于二襯施工時圍巖已基本穩(wěn)定,所以本次分析中不予考慮。數(shù)值模擬分析步驟為:根據(jù)隧道尺寸及圍巖,建立分析模型;參數(shù)賦值;定義邊界;劃分網(wǎng)格;設定初始條件;模擬隧道開挖和支護,分析圍巖變形及受力。

根據(jù)圍巖和襯砌的性質(zhì),選擇材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

根據(jù)隧道實際地層和工程情況建立三維模型,為消除邊界的影響,模型左右各向外延伸隧道最大跨度5 倍的距離,下邊界向下延伸20 m。上邊界為自由邊界,無約束,左右邊界約束側(cè)向位移,下邊界豎向和側(cè)向位移均約束,為固定邊界。采用實體單元,網(wǎng)格密度大,計算結(jié)果在精度上是可靠的。根據(jù)實際開挖的臺階間距和循環(huán)進尺,隧道段長度103 m。

3 開挖與支護模擬分析

根據(jù)施工順序,分為4 大步來進行分析計算,1)地應力平衡;2)上臺階開挖和初支;3)下臺階中槽、邊墻開挖和初支;4)仰拱開挖和初支。

3.1 上臺階開挖,初支

采用有限元計算,模擬了上臺階開挖、初支的情況。上臺階開挖后立即進行初期支護。

模型計算了上臺階開挖、初支后豎向位移,并由豎向位移可知拱頂沉降、開挖后圍巖的整體和斷面豎向位移。圖2 為加支護后圍巖的整體和斷面豎向位移圖。可以看出,圍巖開挖后產(chǎn)生了最大值為7.64 mm 的拱頂沉降,加支護后拱頂沉降速率減小,最終產(chǎn)生7.68 mm 的拱頂沉降。隧道里的圍巖由于開挖卸載的作用發(fā)生隆起,下部圍巖也受卸載作用有隆起的趨勢。

圖2 隧道支護后拱頂沉降Fig.2 Crown settlement after the tunnel support

數(shù)值分析中,空間的總位移值可認為與凈空收斂相對應。通過分析可知上臺階開挖、初支后空間總位移、未加支護圍巖總位移,最大總位移7.58 mm。圖3 為加支護后圍巖總位移的整體和斷面圖,最大總位移為7.62 mm。由圖3 可知,由于開挖卸載作用,隧道圍巖最大位移仍發(fā)生在拱頂位置,說明上臺階開挖拱頂以沉降變形為主,其他兩個方向變形很小。而且,圍巖變形由拱頂往兩側(cè)逐漸減小,隧道內(nèi)圍巖也發(fā)生了一定的隆起。初支施工后,圍巖發(fā)生0.04 mm 的位移,說明初支后圍巖逐漸穩(wěn)定,上臺階凈空基本收斂。

圖3 圍巖支護后總位移Fig.3 Total displacement after surrounding rock support

計算可得隧道圍巖在上臺階開挖、初支作用下的應力分布??芍淼篱_挖、支護改變了圍巖應力分布,在初支與圍巖相接處圍巖應力最大,且有應力集中現(xiàn)象,極易在此位置發(fā)生破壞或不穩(wěn)定現(xiàn)象,施工中應注意,并盡快實現(xiàn)圍巖支護閉合。

3.2 下臺階中槽開挖,邊墻開挖、初支

下臺階施工分為開挖隧道中槽,邊墻開挖和初支。上下臺階間距60 m。根據(jù)仿真模擬可知下臺階中槽開挖,邊墻開挖、初支后圍巖總位移。在該工況分析計算中,認為上臺階施工后圍巖已穩(wěn)定,故在凈空收斂計算時,將上臺階施工后圍巖的位移設為零,單獨研究下臺階施工時圍巖的凈空收斂變形。由邊墻開挖圍巖總位移仿真分析結(jié)果可知由于中槽開挖卸載后,卸載的圍巖表面發(fā)生最大1.84 mm 的變形。而當邊墻開挖、支護后總位移進一步增大,邊墻開挖后最大總位移增加到4.55 mm,說明邊墻開挖對圍巖變形影響較大,初支后為4.56 mm,最大位置在上臺階與下臺階相交的位置。往拱頂和邊墻底位置變形逐漸減小,隧道內(nèi)部的圍巖也由于卸載發(fā)生一定的隆起。初支后,圍巖發(fā)生0.01 mm 的位移,說明初支后圍巖逐漸穩(wěn)定,下臺階凈空基本收斂。

根據(jù)分析可知下臺階中槽開挖、邊墻開挖和支護后的圍巖應力分布。中槽開挖后,由于邊墻位置圍巖還未開挖,因此上臺階施工后產(chǎn)生的應力集中現(xiàn)象并未緩解,臺階交接處仍為不穩(wěn)定位置。而隨著邊墻的開挖,圍巖應力逐步沿邊墻向下擴散,應力集中現(xiàn)象緩解,到邊墻支護后,應力進一步擴散,已無應力集中。由上分析可知,上、下臺階施工間隔時間不宜過長。

3.3 仰拱開挖,初支

上、下臺階開挖后,即可進行仰拱的開挖和支護,形成支護閉合。

根據(jù)仿真模擬可以得到仰拱開挖、支護工況下圍巖總位移。同樣在該工況分析計算中,認為下臺階施工后圍巖已穩(wěn)定,在凈空收斂計算時,將下臺階施工后圍巖的位移設為0。由仰拱開挖圍巖總位移仿真分析結(jié)果可見,仰拱開挖施工對隧道圍巖影響較小,由于卸載,圍巖發(fā)生最大變形僅為0.85 mm,發(fā)生在仰拱的中間位置,主要為向上的隆起變形,工程影響較小。仰拱加支護后圍巖最大的變形為0.86 mm,相比開挖施工,支護后圍巖變形速率較小,圍巖只發(fā)生0.01 mm的變形。

根據(jù)仰拱開挖和支護后圍巖應力分布仿真結(jié)果可知,仰拱開挖、支護對圍巖應力影響不大。由于卸載作用,在隧道底部位置發(fā)生一定的應力釋放,底部圍巖應力減小。隧道兩側(cè)應力進一步向隧道底部擴散,使得隧道的應力分布更均勻,隧道支護閉合,圍巖已穩(wěn)定,未見應力集中現(xiàn)象的發(fā)生。

4 計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的比較

為了驗證模型及參數(shù)的合理性,選擇典型的斷面進行實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果的對比分析。將已形成閉合的斷面DK458+378 作為典型分析斷面,在該斷面數(shù)值計算模型上選擇與現(xiàn)場測點相對應的測點,給出各個測點在相應時間下的變形值,與現(xiàn)場實測值進行了對比分析,見圖4。

圖4(a)為圍巖拱頂沉降實測值與計算值的對比,可以看出,二者基本相同,前期基本吻合。實測數(shù)據(jù)在最后的幾天,要稍大于計算值,認為是現(xiàn)場復雜的施工環(huán)境與數(shù)值分析理想的狀態(tài)之間的差異而引起的誤差。由圖4(b)可知,上臺階凈空收斂的計算值稍大于實測值,二者趨勢相同,基本吻合。由圖4(c)可知,下臺階凈空收斂計算值要大于實測值,實測值下臺階收斂值為0.87 mm,計算值最大為1.1 mm,考慮模型的收斂問題,數(shù)值計算中做了一定簡化,造成了一定的誤差,由于下臺階凈空值只有1 mm 左右,所以實測值和數(shù)值計算結(jié)果之間的差異看上去比拱頂沉降和上臺階收斂的差異要大,實際上其差值僅0.24 mm,在合理范圍之內(nèi)。

圖4 實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果對比Fig.4 Comparison of measured data and calculation results

綜上,在不考慮現(xiàn)場復雜施工環(huán)境與數(shù)值分析理想狀態(tài)之間差異的影響,數(shù)值計算結(jié)果與實測值擬合較好,說明計算所采用的模型和參數(shù)是合理的,計算的結(jié)果也是可靠的。

5 結(jié)語

本文以蘭渝鐵路龍池山隧道為例,建立了3D有限元數(shù)值模型,對“臺階法”開挖隧道過程進行了模擬,得出結(jié)論如下:

1) 在模擬計算的里程為 DK458+338 —DK458+451 內(nèi),采用“臺階法”施工,上臺階開挖、支護后的隧道最大拱頂沉降為7.68 mm,最大的凈空收斂值為7.62 mm,下臺階施工完成后隧道最大凈空收斂值為4.56 mm,仰拱施工后隧道變形值為0.86 mm;變形均發(fā)生在圍巖開挖后,加入支護后圍巖變形速率減小,圍巖逐漸穩(wěn)定;

2)上臺階圍巖開挖、支護施工后,在臺階相接處有應力集中現(xiàn)象,圍巖容易發(fā)生破壞或不穩(wěn)定,而在下臺階施工后,圍巖應力逐步擴散,應力集中現(xiàn)象逐漸消失,因此,在滿足施工要求的條件下,上、下臺階施工間隔時間不宜過長,應盡早進行下臺階施工;

3)通過實測值與數(shù)值計算值的對比分析,計算模型及參數(shù)合理,結(jié)果可靠。相比現(xiàn)場監(jiān)測,數(shù)值分析方法可掌握隧道和周圍的圍巖整體的變形趨勢,更直觀全面地了解隧道施工過程中的圍巖狀態(tài),評價施工方法,提出施工應對措施。而且數(shù)值計算可對圍巖應力進行分析,彌補現(xiàn)場圍巖應力測量困難大的問題。因此,隧道施工中,可將數(shù)值分析方法與現(xiàn)場監(jiān)測方法相結(jié)合,達到對新奧法隧道施工更全面的監(jiān)控;

4) 對于與數(shù)值模擬類似的IV 級圍巖地段,采用“臺階法”施工是可行的。

綜上所述,有限元結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果比較吻合,可有效地指導現(xiàn)場安全施工,本文結(jié)果可為同類型施工提供參考。

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