韓 峰

(中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司 遼寧沈陽(yáng) 110136)

1 引言

隨著我國(guó)公路網(wǎng)建設(shè)的不斷完善，隧道建設(shè)數(shù)量和里程不斷增加，地質(zhì)條件復(fù)雜多變成為我國(guó)隧道建設(shè)最鮮明的特點(diǎn)。襯砌結(jié)構(gòu)作為防止圍巖變形或坍塌的永久性支護(hù)結(jié)構(gòu)，襯砌內(nèi)力計(jì)算的準(zhǔn)確性對(duì)于工程安全十分重要[1－3]。而針對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中可能發(fā)生的各種隧道病害，可通過(guò)數(shù)值模擬在極大程度上得以預(yù)測(cè)，做到提前防護(hù)。本文基于陽(yáng)宗隧道襯砌內(nèi)力計(jì)算和GTS NX驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，并針對(duì)CD工法單次開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺進(jìn)行數(shù)值模擬，以期對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支持。

2 工程概況及襯砌內(nèi)力分析

陽(yáng)宗隧道位于云南省昆明市澄江縣，隧道整體處于近似南北走向的脊?fàn)钌饺旱匦沃?，地形較陡，溝谷切割較深，隧道穿越8條斷層帶，圍巖主要為白云巖和泥巖夾雜交替，部分含礫粉質(zhì)黏土、角礫，局部段落出水量較大。本隧道為左右分離式雙洞特長(zhǎng)隧道，右線(xiàn)隧道起訖里程為K42＋313～K50＋026，全長(zhǎng)7 713 m，左線(xiàn)隧道起訖里程為ZK42＋250～ZK50＋023，全長(zhǎng)7 773 m，隧道最大埋深572.62 m。根據(jù)?公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范?(JTG D70—2—2014)[4]，隧道圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。

2.1 襯砌內(nèi)力計(jì)算

公路等級(jí)為山嶺一級(jí)公路，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，容重為21.2 kN/m3，彈性抗力系數(shù)為0.18×106kN/m。襯砌材料選用C30混凝土，材料容重23 kN/m3，彈性模量Eh＝3×107kPa，二襯厚度為d＝0.450 m。采用辛普森法對(duì)該隧道典型截面內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 襯砌總內(nèi)力計(jì)算

式中:rji為力Rj至接縫中心點(diǎn)ki的力臂。

彎矩、軸力按下式計(jì)算:

按內(nèi)力計(jì)算結(jié)果繪制彎矩圖及剪力圖，如圖1所示。

圖1 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力

2.2 荷載－結(jié)構(gòu)法計(jì)算內(nèi)力

2.2.1 計(jì)算模型

采用荷載－結(jié)構(gòu)法進(jìn)行襯砌內(nèi)力計(jì)算。計(jì)算選用MIDAS GTS NX結(jié)構(gòu)有限元分析軟件進(jìn)行。將襯砌簡(jiǎn)化為1D梁?jiǎn)卧?，梁軸線(xiàn)為二襯中線(xiàn)，圍巖抗力用曲面彈簧單元模擬，曲面彈簧鉸接在彈性抗力區(qū)襯砌梁?jiǎn)卧墓?jié)點(diǎn)上，因此該單元僅在受壓時(shí)承受軸力，而受拉時(shí)失效且不承受彎矩，荷載計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 有限元計(jì)算荷載簡(jiǎn)圖

2.2.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力結(jié)果

襯砌內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖3所示。根據(jù)圖3可知，軸力最大值出現(xiàn)在仰拱底部，軸力值為－633.475 6 kN；隧道拱頂正中軸力最小。拱頂內(nèi)側(cè)正彎矩最大值為116.435 6 kN˙m；仰拱內(nèi)側(cè)負(fù)彎矩最大值為－85.631 0 kN˙m。

圖3 隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力

3 隧道開(kāi)挖數(shù)值分析

3.1 模型建立

采用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行CD法施工方案模擬。由于隧道縱向尺寸較長(zhǎng)，橫斷面尺寸較小，故在研究過(guò)程中無(wú)需考慮開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)施工的影響[5－6]。取沿隧道縱深方向10 m長(zhǎng)的Ⅴ級(jí)深埋圍巖作為分析對(duì)象，隧道寬、高分別為11.2 m、8.8 m，模型橫向考慮10倍洞徑，豎向考慮6倍洞徑，模型尺寸為(100×10×60)m。上部為自由邊界，其余均為法向約束邊界。

建模采用zone單元，對(duì)模型進(jìn)行分組，選擇摩爾－庫(kù)倫本構(gòu)模型實(shí)體單元，按工程實(shí)際參數(shù)對(duì)圍巖進(jìn)行參數(shù)賦值，具體參數(shù)見(jiàn)表2。開(kāi)挖時(shí)采用null空殼模型，支護(hù)采用 shell殼體單元[7－8]。在隧道拱頂、拱底中點(diǎn)、兩側(cè)拱腰分別布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)[9]。模型如圖4所示。

圖4 計(jì)算模型

表2 圍巖物理指標(biāo)

3.2 隧道圍巖位移分析

在進(jìn)行隧道開(kāi)挖時(shí)，位移的變化往往能簡(jiǎn)單明了地體現(xiàn)隧道圍巖穩(wěn)定性。由于隧道的縱向尺寸比橫向斷面尺寸大，因此主要分析隧道開(kāi)挖過(guò)程前后隧道圍巖的豎直位移和水平位移[10]。

3.2.1 豎向位移分析

拱頂豎向位移最大，其次是拱底。隨著開(kāi)挖進(jìn)行，拱頂和拱底位移也隨之不斷變大，且拱頂位移增量比拱底位移增量大，施加初期支護(hù)后的圍巖位移有所減小，但不明顯。在截面2開(kāi)挖完成后下部土體位移有所減小，原因是截面2開(kāi)挖完成后左側(cè)孔道受力類(lèi)似于壓力拱，導(dǎo)致位移有所減小。開(kāi)挖完成后在拱底處出現(xiàn)了底鼓現(xiàn)象。由圖5可知，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移在開(kāi)挖階段變化較大，在支護(hù)階段趨于穩(wěn)定，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)1為負(fù)，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)為正，說(shuō)明拱頂豎向向下位移，而兩拱腰位置豎向向上位移，拱底豎向位移向上。由監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)可知，隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移在開(kāi)始開(kāi)挖后一直發(fā)生，直到4號(hào)截面的初期支護(hù)完成后才趨于穩(wěn)定，二襯施作后豎向位移增長(zhǎng)量較小，結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。

圖5 豎向位移監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

3.2.2 水平位移分析

最大水平位移在拱腰處，各以左右拱腰為起點(diǎn)，呈波紋狀向兩側(cè)擴(kuò)展，位移大小逐漸減小，其中左側(cè)位移為正(向右)，最大值為56.5 mm，右側(cè)位移為負(fù)(向左)，最大值為54.9 mm。當(dāng)隧道各截面均開(kāi)挖完成后，圍巖水平位移減小，分析原因?yàn)殚_(kāi)挖后圍巖滿(mǎn)足了壓力拱成拱條件，隧道可以看作一個(gè)拱形結(jié)構(gòu)，可將其受到的力轉(zhuǎn)化為推力，導(dǎo)致圍巖發(fā)生向外的位移。圍巖最終位移量為56.4 mm。由圖6可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的水平位移在開(kāi)挖截面1和截面2時(shí)發(fā)生了少量向左的水平位移，但隨著截面3和截面4開(kāi)挖完成，水平位移逐漸趨于0。兩拱腰處發(fā)生的水平位移較大，且方向相反，數(shù)值大致相等。

圖6 水平位移監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

3.3 隧道圍巖應(yīng)力分析

隨著隧道開(kāi)挖的進(jìn)行，隧道圍巖受到擾動(dòng)作用，原有的圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，圍巖應(yīng)力將重新分布，直至最后形成一個(gè)穩(wěn)定的應(yīng)力平衡狀態(tài)。該過(guò)程可能會(huì)導(dǎo)致圍巖局部應(yīng)力增大，圍巖被破壞導(dǎo)致工程事故的發(fā)生。因此，隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)也是隧道施工中要考慮的重要內(nèi)容[11－12]。

3.3.1 豎向應(yīng)力分析

時(shí)步1開(kāi)挖后在拱頂位置產(chǎn)生拉應(yīng)力，拱底位置產(chǎn)生壓應(yīng)力，但當(dāng)時(shí)步2開(kāi)挖完成后全部變?yōu)閴簯?yīng)力，這是因?yàn)樗淼雷髠?cè)孔道類(lèi)似壓力拱，致使隧道拱頂和拱底成為壓力拱的兩個(gè)拱腳。當(dāng)時(shí)步3開(kāi)挖后壓力拱被破壞，拱頂又出現(xiàn)拉應(yīng)力，當(dāng)時(shí)步4開(kāi)挖后壓力拱又重新出現(xiàn)，隧道圍巖豎向應(yīng)力全部變?yōu)閴簯?yīng)力。根據(jù)施作初期支護(hù)前后對(duì)比可知，初期支護(hù)對(duì)圍巖豎向應(yīng)力影響較小，前后變化不大。開(kāi)挖完成后最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱底，大小為1.256 3 MPa。

3.3.2 水平應(yīng)力分析

隧道在開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖水平方向應(yīng)力大部分為壓應(yīng)力，少部分存在拉應(yīng)力，這與土體本身性質(zhì)有關(guān)[13－15]。在拱頂、拱底和兩側(cè)拱腰處先后出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，為了防止因應(yīng)力集中而引起破壞，應(yīng)進(jìn)行圍巖加固。二襯施作后，二襯結(jié)構(gòu)承擔(dān)水平方向的壓應(yīng)力，最大值出現(xiàn)在拱頂和拱底，向兩側(cè)拱腰依次遞減。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

測(cè)點(diǎn)布設(shè)在代表性斷面關(guān)鍵部位(如拱頂、拱腰、拱腳、邊墻仰拱等)，并對(duì)各測(cè)點(diǎn)逐一進(jìn)行編號(hào)。埋設(shè)壓力盒時(shí)，要使壓力盒的受壓面朝向圍巖。在隧道壁面測(cè)量圍巖施加給噴砼層的徑向壓力時(shí)，先用水泥砂漿或石膏將壓力盒固定在巖面上，再施作噴砼層，避免噴砼與壓力盒之間留有間隙，保證圍巖與壓力盒受壓面貼緊。記下壓力盒編號(hào)，并將壓力盒編號(hào)用膠帶緊密粘貼在測(cè)量導(dǎo)線(xiàn)上。測(cè)點(diǎn)壓力盒布置如圖7所示。

圖7 圍巖測(cè)點(diǎn)壓力盒布置

在左上臺(tái)階完成初期支護(hù)后，拱頂位置壓力盒處于受壓狀態(tài)，圍巖接觸壓力達(dá)0.71 MPa，表明此時(shí)拱頂沉降處于急劇變化階段。而左右側(cè)邊墻壓力盒測(cè)量值基本為零，表明此時(shí)由于上臺(tái)階開(kāi)挖，兩側(cè)應(yīng)力基本釋放完畢。當(dāng)?shù)?～3天觀測(cè)時(shí)，左側(cè)土壓力盒的壓力發(fā)生急劇的變化，從0 MPa上升至0.83 MPa，然后再次上升至1.21 MPa左右，說(shuō)明左側(cè)土壓力盒出現(xiàn)了一個(gè)應(yīng)力調(diào)整的過(guò)程。右側(cè)土壓力盒數(shù)據(jù)出現(xiàn)負(fù)值，處于一種受拉狀態(tài)。通過(guò)對(duì)比可知，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果比較接近，體現(xiàn)出數(shù)值模擬結(jié)果可以為實(shí)際工程施工提供參考。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)辛普森法和MIDAS GTS NX計(jì)算結(jié)果分析，拱腳處二襯軸力分別為657.55 kN、633.48 kN，彎矩分別為55.90 kN˙m、46.97 kN˙m，對(duì)比計(jì)算結(jié)果可知軸力相差較小，彎矩相差稍大，分析原因?yàn)樾疗丈ㄓ?jì)算時(shí)拱頂存在位移而荷載結(jié)構(gòu)法拱頂不存在位移。

(2)通過(guò)FLAC3D模擬，圍巖拱頂豎向位移最大，其次為拱底；圍巖水平位移最終為56.4 mm，發(fā)生在拱腰。由于CD法施工開(kāi)挖次數(shù)過(guò)多，對(duì)圍巖擾動(dòng)增加，故在進(jìn)行開(kāi)挖之前，先對(duì)擬開(kāi)挖隧道的圍巖進(jìn)行超前小導(dǎo)管支護(hù)以增加圍巖強(qiáng)度。

(3)通過(guò)圍巖應(yīng)力變化規(guī)律可知，在開(kāi)挖過(guò)程中，隧道兩側(cè)拱腳、拱頂、拱底先后均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，這與實(shí)際開(kāi)挖情況相吻合。應(yīng)力集中現(xiàn)象對(duì)工程安全影響很大，容易造成巖體崩塌。所以，根據(jù)模擬結(jié)果，應(yīng)對(duì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位采取加強(qiáng)支護(hù)，以保證圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。