高原淺埋隧道不同施工方法力學行為分析

趙玉成,邊 兵

(1.石家莊鐵道大學土木工程學院,河北石家莊 050043;2.石家莊鐵道大學道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室,河北石家莊 050043;3.中鐵上海設計院集團有限公司,上海 200070)

高原淺埋隧道不同施工方法力學行為分析

趙玉成1,2,邊 兵3

(1.石家莊鐵道大學土木工程學院,河北石家莊 050043;2.石家莊鐵道大學道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室,河北石家莊 050043;3.中鐵上海設計院集團有限公司,上海 200070)

為了分析不同施工方法對高原淺埋隧道施工過程中穩定性的影響規律,以某隧道工程實例為背景,采用有限差分軟件FLAC3D對雙側壁導坑法和三臺階預留核心土法進行數值模擬,并分析對比高原淺埋隧道在2種施工方法中的圍巖變形、支護應力和圍巖塑性區分布規律.數值模擬結果表明:雙側壁導坑法在控制圍巖變形和地表沉降方面優于三臺階預留核心土法;支護拉壓應力更小,圍巖塑性區分布范圍也更加均勻合理.因此,對于高原淺埋隧道,采用雙側壁導坑法施工具有更大優勢.

淺埋隧道;三臺階;雙側壁導坑;FLAC3D

0 引 言

1 工程概況

雁口山隧道位于青海省玉樹州稱多縣歇武鎮東北方向,為分離式雙線隧道,左線長4 032 m,右線長4 000 m,隧道建筑限界凈寬10．5 m,凈高6 m,山體平均海拔高度在4 000 m以上.雁口山隧道進口為長達210 m的淺埋段,埋深最淺的地段只有2.19 m,開挖后的圍巖為全風化頁巖、粉質黏土夾碎石,穩定性極差,隧道在開挖工程中遭遇涌水、地表開裂、鋼架初支變形等問題,是目前國內隧道最長的淺埋段之一.模型有89 100個節點和92 350個單元,2種模型如圖1、2所示.

圖1 三臺階核心土法模型

圖2 雙側壁導坑法模型

2 不同施工方法的數值模擬

2．1 計算模型及地層參數選取

隧道模型洞徑尺寸按實際尺寸選取,考慮邊界條件具有約束效應,模型左右兩邊距隧道中心寬度取3～5倍洞徑,模型底部與隧道仰拱處的距離按2～3倍隧道高度選取,隧道埋深按實際埋深取25 m,隧道縱向開挖深度取60 m.整個模型尺寸為110 m×60 m×60 m,左右邊界約束水平方向位移,前后邊界約束水平方向位移,上部為自由面,底部約束豎向位移.2種不同開挖方式采用相同的模型尺寸,其中三臺階核心土開挖法的模型有51 000個節點和55 420個單元,雙側壁導坑法

隧道圍巖和支護采用六節點實體單元模擬,二次襯砌作為長期安全儲備[10-11],不作考慮.錨桿和鋼拱架采用剛度等效原則[12-13],將其彈性模量進行折算,加到初期支護彈性模量上來模擬.其中鋼拱架采用I20a全環設置,間距為0．5 m.彈性模量折算公式為

式中:E為折算后噴射混凝土彈性模量;E0為原混凝土的彈性模量;Sg為鋼拱架的截面積;Eg為鋼材的彈性模量;Sc為噴射混凝土的截面積.

地層和襯砌力學參數如表1所示.

表1 地層和襯砌力學參數

2．2 數值模擬開挖過程

三臺階模擬開挖每一步按開挖1 m、支護滯后1 m方式施作.第1步計算初始地應力,初始地應力平衡后進行隧道開挖,第2步到第61步開挖上臺階外環形土體,第3步到62步施作上臺階初期支護,第6步到第65步開挖核心土,第7步到第66步開挖中臺階土體,第8步到第67步施作中臺階初期支護,第11步到第70步開挖下臺階土體,第12步到第71步施作下臺階初期支護,第17步到第76步開挖仰拱部分,第18步到第77步施作仰拱支護.三臺階施工順序和剖面如圖3、4所示.

雙側壁導坑法開挖過程和三臺階法一樣,每一步開挖1 m,支護滯后1 m.第1步計算初始地應力,初始地應力平衡后進行隧道開挖;第2步到第61步開挖左側上導洞①,第3步到第62步施作左側上導洞支護;第7步到第66步開挖左側下導洞

在強度問題中，許可應力=極限應力/強度安全系數；同樣，在穩定性問題中，可以定義穩定許可應力=臨界應力/穩定安全系數。由此，強度計算和穩定計算有了統一的形式：軸向壓力/橫截面面積≤許可應力。

圖3 三臺階施工順序

圖4 三臺階施工剖面

圖5 雙側壁導坑法施工順序

圖6 雙側壁導坑法施工剖面

3 計算結果對比分析

3．1 位移對比分析

三臺階核心土法和雙側壁導坑法的隧道關鍵點位移隨開挖步的變化曲線如圖7～10所示.由圖可知,拱頂沉降、底部隆起和墻身收斂隨開挖步的變化趨勢相似.雙側壁導坑法拱頂沉降在第14開挖步時開始增大,三臺階核心土法拱頂沉降稍晚,出現在第20開挖步處[14-15];但雙側壁導坑法拱頂沉降很快就趨于穩定,最大值為23 mm,三臺階核心土法雖然沉降值穩定較慢,但最大值為38 mm,大于雙側壁導坑法.拱底隆起和墻身收斂的變化趨勢和拱頂沉降一致,只是最大值稍有差別[16].三臺階核心土法引起的地表沉降遠遠大于雙側壁導坑法,對地表的影響范圍也較大.

圖7 拱頂沉降隨開挖步的變化曲線

圖8 底部隆起隨開挖步的變化曲線

圖9 墻身收斂隨開挖步的變化曲線

圖10 地表沉降的變化曲線

隧道最大位移值如表2所示.

表2 關鍵點位移計算結果 mm

3．2 應力對比分析

2種工法隧道關鍵點應力如圖11～14所示,應力值如表3所示.

圖11 三臺階最大壓應力

圖12 三臺階最大拉應力

圖13 雙側壁導坑法最大壓應力

圖14 雙側壁導坑法最大拉應力

表3 關鍵點最大主應力 MPa

表3顯示三臺階核心土法的最大主壓應力和最大主拉應力均大于雙側壁導坑法.2種方法的最大主壓應力均出現在拱肩和拱腰處,最大主拉應力也出現在拱頂和拱肩處.三臺階法的最大主應力明顯大于雙側壁導坑法,主要原因是三臺階法一次開挖面積較大,土體卸荷大于雙側壁導坑法[17].同時,雙側壁導坑法有中隔壁進行支護,分擔了襯砌部分的壓應力,所以雙側壁導坑法能有效控制支護結構受力,工法更合理.

3．3 塑性區對比分析

隧道開挖完成后塑性區分布如圖15、16所示.

由圖可知:三臺階核心土法無論是開挖完還是開挖過程中的塑性區范圍均大于雙側壁導坑法.三臺階核心土法開挖面積大,土體卸荷作用大,因此拱肩、墻身和拱腳部位塑性區分布范圍明顯增大;拱肩塑性區深6 m,墻身塑性區深4 m,拱腳深5 m.雙側壁導坑法塑性區沿洞周分布比較均勻,范圍也較小,影響深度約2 m;這是由于雙側壁導坑法有多個開挖面,每次開挖面小,土體卸荷作用小,同時支護封閉成環時間短,因此塑性區發展范圍小.無論在施工過程中還是最終隧道貫通,雙側壁導坑法對塑性區的控制都優于三臺階核心土法.

圖15 三臺階核心土法塑性區

圖16 雙側壁導坑法塑性區

4 結 語

(1)采用不同開挖方式施工會對高原淺埋隧道的位移和應力控制產生不同影響.雙側壁導坑法在拱頂沉降、底部隆起、墻身收斂和地表沉降方面的控制比三臺階核心土法更具有優勢.

(2)采用雙側壁導坑法施工,地表沉降為6.5 mm,三臺階核心土法引起的地表沉降值約為前者的3倍,達18 mm.主要原因為:雙側壁導坑法每次開挖斷面面積小于三臺階核心土法,土體卸荷小,并且初期支護成環時間短,有效控制了地表沉降.

(3)雙側壁導坑法最大主壓應力值為3.4 MPa,三臺階核心土法最大主壓應力值為5.6 MPa,且均出現在拱肩和拱腰處.雙側壁導坑法的最大主拉應力值也比三臺階核心土法略小,出現在拱頂和拱肩處.

(4)采用雙側壁導坑法開挖,隧道開挖過程中以及隧道貫通后的塑性區范圍均小于三臺階核心土法.雙側壁導坑法塑性區沿洞周分布比較均勻,范圍也較小,影響深度約2 m.因此,雙側壁導坑法更能有效控制圍巖塑性區發展.

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[責任編輯:王玉玲]

Mechanical Behavior Analysis of Shallow Buried Tunnels in Plateau Constructed with Different Methods

ZHAO Yu-cheng1,2,BIAN Bing3
(1．School of Civil Engineering,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,Hebei,China; 2．Key Laboratory of Roads and Railway Engineering Safety Control of Ministry of Education, Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,Hebei,China;3．China Railway Shanghai Design Institute Group Co．,Ltd．,Shanghai 200070,China)

In order to analyze the influence of different construction methods on the stability of the construction process of the shallow buried tunnel in the plateau,the finite difference software FLAC3D was used to simulate the double-sided pilot tunnel method and the three-step method with reserved core soil based on a tunnel project,and the deformation of the surrounding rock, the supporting stress and the distribution law of the plastic zone of the surrounding rock were analyzed and compared between these construction methods．The numerical simulation results show that the double-sided pilot tunnel method is better than the three-step method with reserved core soil in controlling the deformation and surface subsidence of the surrounding rock;the stress of the support is smaller,and the distribution of the plastic zone is more uniform and reasonable．Therefore,for the shallow buried tunnel in plateau,the application of double-sided pilot tunnel method has a greater advantage．

shallow buried tunnel;three-step;double-sided pilot tunnel method;FLAC3D

U456．31

B

1000-033X(2017)05-0046-05

2016-12-12

趙玉成(1969-),男,河北昌黎人,教授,研究方向為城市地下空間開發與利用.