留村隧道軟巖施工技術

張沛杰

(中鐵十二局集團,山西太原 030024)

留村隧道軟巖施工技術

張沛杰

(中鐵十二局集團,山西太原 030024)

以留村隧道為工程背景,借助有限元軟件ANSYS建立留村1號隧道軟巖段施工過程的三維計算模型,對軟巖地層隧道圍巖變形、應力和塑性區做了分析研究。結果表明:隨著隧道的開挖,核心土部分由于沒有支護措施,產生了較大的塑性區;而隧道周圍存在較小塑性區的主要原因是由于初期支護以及錨桿和超前小導管的作用限制了圍巖塑性區的擴展。

隧道工程;軟弱圍巖;臺階法;有限元分析

0 引 言

隨著社會的不斷進步,地上空間的有限性和目前的交通現狀已滿足不了社會發展的需求,因而中國城市地鐵與隧道工程得到迅速的發展[1-4];但隨著隧道建設的增多,隧道設計和施工的問題也越來越多,其中比較突出的就是隧道軟弱圍巖大變形,這種問題在隧道工程中很常見并且具有較大危害[5-9]。本文以留村1號隧道為工程背景,主要對軟巖地層隧道圍巖變形、應力和塑性區做分析研究。

1 隧道計算模型的選取

1.1 模型選取

留村1號隧道起迄里程為DK400+240~DK401+ 386,Ⅴ級圍巖,全長1 146 m,線路所經路段均為頁巖、砂巖,其中DK400+240~DK400+255、DK401+ 386~DK401+371段設計為明洞。取DK400+300~ DK401+350段的隧道作為研究對象,依據以往的工程經驗以及隧道的影響范圍,左右兩側取3~5倍隧道總跨度,底部邊界距隧道底部的距離為2~3倍隧道高度,即整個計算模型在X方向取110 m、Y方向取90 m、Z方向取50 m。隧道頂部距地面的距離取40 m。模型左、右邊界約束橫向位移,前、后邊界約束縱向位移,下部邊界均施加豎向位移,模型的頂部為自由邊界。對于圍巖以及初支、超前支護均按照八節點六面體單元來模擬;隧道數值模擬主要分析拱頂沉降、凈空收斂、圍巖塑性區和支護結構應力等。隧道的三維計算模型見圖1。

圖1 隧道的三維計算模型

1.2 鋼拱架的模擬

鋼拱架采用I20b全環設置,間距為0.6 m,在計算模擬時根據面積等效原理將鋼拱架折算到混凝土里,提高混凝土的彈性模量。折算公式[10]為

式中:E為折算后混凝土的彈性模量;E0為原混凝土的彈性模量;Sg為鋼拱架截面積;Eg為鋼材彈性模量;Sc為混凝土截面積。

1.3 地層與支護參數的確定

隧道經過的地層主要有砂巖和頁巖,對于錨桿和管棚力學行為的數值模擬,主要是從錨桿加固作用的等效原則和錨桿的真實力學模型2方面考慮。其中等效原則就是依據相關的經驗公式,把已經施加錨桿或管棚的圍巖的彈性模量、黏聚力和內摩擦角等指標提高一定的比例[11-12]。隧道圍巖和初期支護的參數見表1。

表1 圍巖材料力學參數

1.4 隧道的開挖步驟

大拱腳臺階法施工順序如圖2所示。

圖2 大拱腳臺階法施工順序

2 數值模擬結果及分析

2.1 監測點布置

為最大限度減少邊界約束對計算結果的影響,選取里程為DK400+325的斷面(模型的中間斷面)為研究對象。在拱頂和拱底各設1個監測點,拱腳和邊墻處布置2條凈空收斂測線,監測點的布置見圖3。

圖3 監測點布置

2.2 圍巖位移分析

根據監測結果繪出隧道拱頂沉降和拱底隆起隨開挖步的變化曲線,如圖4所示。由圖可知:隧道剛開挖引起中間斷面的位移值很小,幾乎沒有影響;隨著隧道的進一步開挖,中間斷面處產生不同程度的沉降和隆起,說明隧道的開挖已影響到開挖面前方巖層;當隧道開挖到中間斷面時,隧道拱頂沉降和拱底隆起發生了突變;等到中間斷面全部開挖完之后,隧道拱頂沉降和拱底隆起均趨于穩定。

圖4 隧道拱底隆起和拱頂沉降隨開挖步的變化

根據拱腳收斂的監測結果繪出拱腳與邊墻的收斂曲線如圖5、6所示。由圖可知:隧道開挖到中間斷面之前,拱腳和邊墻的水平變形很小;當隧道開挖到中間斷面時,拱腳和邊墻的水平位移突然增大;等到中間斷面全部開挖完之后,隧道拱腳和邊墻的水平位移均趨于穩定;拱腳水平位移的最終收斂值為1.6 mm,邊墻水平位移的最終收斂值為4.5 mm。

圖5 隧道拱腳水平收斂值隨開挖步的變化

圖6 隧道邊墻收斂值隨開挖步的變化

2.3 圍巖應力分析

同樣選取里程為DK400+325的斷面(模型的中間斷面)為研究對象,分析隧道中間斷面每一部分開挖之后引起的隧道圍巖的應力變化。每一部分開挖之后隧道圍巖的最大第1主應力和最大第3主應力見表2。

由表2可知:開挖之前,隧道在自重的作用下保持著應力平衡狀態;隧道開挖后,其受力平衡被打破,使其應力進行重新分布,圍巖中的應力減小。隧道中間斷面第①部分開挖之后,隧道的拱腳位置產生了較大的壓應力,而隧道拱底和核心土表面產生了較大的拉應力;隨著其他部分的開挖,核心土、隧道的拱頂和拱底均出現拉應力,且應力值越來越小,而最大壓應力的位置也發生了改變,主要集中在邊墻位置,且應力值越來越大。中間斷面開挖完之后,拉應力主要集中在隧道的拱頂和拱底,其值很小,而最大的壓應力集中在兩側的邊墻位置,達2.12 MPa。這說明軟巖中邊墻承受著較大的水平壓力,設計時要特別注意這一點。

表2 圍巖的主應力和分布位置

2.4 圍巖塑性區分析

隧道中間斷面每一部分開挖之后引起的圍巖塑性區的計算云圖見圖7。

由圖7可知,隨著隧道的開挖,核心土部分由于沒有支護措施,產生了較大的塑性區,而隧道周圍只有較小的塑性區。這主要是由于初期支護以及錨桿和超前小導管有很好的支護作用,限制了圍巖塑性區的擴展。

圖7 各部分土體開挖支護后圍巖的塑性區分布

3 結 語

(1)隧道剛開挖時,中間斷面的位移值很小,幾乎不受影響;隨著隧道的進一步開挖,中間斷面處產生不同程度的沉降和隆起,說明隧道的開挖已影響到開挖面前方巖層;當隧道開挖到中間斷面時,隧道拱頂沉降和拱底隆起發生了突變;等到中間斷面全部開挖完之后,隧道拱頂沉降和拱底隆起均趨于穩定。隧道開挖到中間斷面之前,拱腳和邊墻的水平變形很小;當隧道開挖到中間斷面時,拱腳和邊墻的水平位移突然增大;等到中間斷面全部開挖完之后,隧道拱腳和邊墻的水平位移均趨于穩定。

(2)隧道中間斷面第①部分開挖之后,隧道的拱腳位置產生了較大的壓應力,而隧道拱底和核心土表面產生了較大的拉應力;隨著其他部分的開挖,核心土、隧道拱頂和隧道拱底均出現拉應力,且應力值越來越小,而最大壓應力的位置也發生了改變,主要集中在邊墻位置,且應力值越來越大。中間斷面開挖完之后,拉應力主要集中在隧道的拱頂和拱底,其值很小,而最大的壓應力集中在兩側的邊墻位置。

(3)隨著隧道的開挖,核心土部分由于沒有支護措施,產生了較大的塑性區;而隧道周圍只有較小的塑性區,這主要是由于初期支護以及錨桿和超前小導管對其有支護作用。

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[責任編輯:杜敏浩]

Construction Technology of Soft Rock in Liucun Tunnel

ZHANG Pei-jie
(China Railway 12th Bureau Group Co.,Ltd.,Taiyuan 030024,Shanxi,China)

The three-dimensional model for the construction process of the soft rock section of the No.1 Liucun tunnel was established by using the finite element software ANSYS based on the engineering background.The deformation,stress and plastic zone of the rocks surrounding the tunnel in the soft rock formation were analyzed.The results show that there is a large plastic zone showing up in the core part following the excavation of the tunnel due to the lack of support measures;the main reason for the existence of smaller plastic zones around the tunnel is that the expansion of the plastic zone of the surrounding rock is confined by the initial support and the support of the anchor and the advanced duct.

tunnel engineering;weak surrounding rock;bench method;finite element analysis

U455.4

B

1000-033X(2017)07-0088-04

2017-01-04

張沛杰(1988-),男,山西襄汾人,高級工程師,研究方向為土木工程施工技術與管理。