施工方法對大斷面淺埋暗挖隧道力學(xué)變化影響的分析

黃春暉/鄭州市軌道交通有限公司

施工方法對大斷面淺埋暗挖隧道力學(xué)變化影響的分析

黃春暉/鄭州市軌道交通有限公司

大斷面淺埋暗挖隧道具有跨度大、覆土淺、開挖變形量大等特點(diǎn)，不同的施工方法導(dǎo)致圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)變化顯著。本文建立有限元模型重點(diǎn)模擬CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法兩種施工方法，分析隧道變形和塑性區(qū)變化差異。兩種方法在施工期間引起的隧道變形、塑性區(qū)發(fā)展范圍相差較大，其中雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對隧道周邊圍巖控制變形和塑性區(qū)范圍更為有利。

大斷面；淺埋暗挖；施工方法；力學(xué)變化；有限元

引言

隨著交通量的劇增和高速公路的蓬勃發(fā)展，隧道建設(shè)越來越受到重視[1,2]。同發(fā)達(dá)國家相比，我國在公路隧道尤其是大斷面淺埋暗挖隧道的系統(tǒng)研究方面仍存在較大的差距。本文針對某高速公路大斷面淺埋暗挖隧道建立有限元模型，采用CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法兩種施工方法，對隧道的力學(xué)變化進(jìn)行深入的模擬分析。

1.大斷面淺埋暗挖隧道模型

1.1 工程概況

某高速公路小凈距隧道，單洞結(jié)構(gòu)幾何斷面：凈寬15.15m，凈高9.99m，內(nèi)凈空面積100.10m2。

初期支護(hù)參數(shù)為：

24cm×24cm格柵鋼架縱向間距0.5m；

φ8mm@20cm×20cm雙層鋼筋網(wǎng)；

30cm厚C25噴射混凝土；

鋼架設(shè)置Φ25mm縱向連接筋，環(huán)向間距0.5m。

圖1 隧道斷面圖（單位：cm）

1.2 有限元模型

計(jì)算采用的圍巖物理力學(xué)參數(shù)參照地質(zhì)資料，對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法等施工方法隧道支護(hù)參數(shù)均相同。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

計(jì)算采用有限元軟件midas GTS，建立隧道-圍巖耦合模型。圍巖選用平面四節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬，材料特性符合彈塑性模型和Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則；初期支護(hù)采用梁單元模擬，二次襯砌采用四節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元來模擬，材料符合線彈性材料特性。模型不設(shè)置錨桿，注漿加固作用采用提高圍巖力學(xué)參數(shù)的方法來模擬。

模型計(jì)算范圍：水平方向以隧道中線為中心向左、向右各取側(cè)取30m；豎直方向自隧道底部向下取50m為模型底部邊界，自隧道頂部向上取至地面。

圖2 計(jì)算模型

2.不同施工方法的受力分析

2.1 CD法計(jì)算結(jié)果

CD法施工左、右洞開挖完成后隧道圍巖結(jié)構(gòu)豎向位移和水平位移分布如圖3、圖4。

圖3 CD法施工左右洞圍巖豎向位移分布圖

圖4 CD法施工左右洞圍巖水平位移分布圖

由以上圖表可知：

1）左右洞開挖后，周邊圍巖的豎向沉降最大值出現(xiàn)在洞周拱肩位置，左、右洞最大沉降量分別10.0cm、10.5cm；最大隆起均發(fā)生在左側(cè)導(dǎo)坑隧底，分別為2.93cm、2.95cm。左右洞洞周水平位移分布規(guī)律基本相同，左右拱肩分別產(chǎn)生反向位移。說明左右導(dǎo)坑開挖時(shí)，開挖側(cè)由于土層開挖導(dǎo)致地層應(yīng)力重分布，開挖側(cè)土壓力對初期支護(hù)產(chǎn)生作用，使其產(chǎn)生變形。

2）左右洞開挖后，豎向變形基本呈現(xiàn)對稱分布。豎向位移最大點(diǎn)均出現(xiàn)在靠近中巖柱側(cè)的拱肩位置，右洞豎向位移要略大于左洞。左洞先施工對圍巖造成了擾動(dòng)，后開挖右洞之前需對中巖柱附近圍巖進(jìn)行加固，防止開挖出現(xiàn)變形過大。洞周最大水平位移均發(fā)生在各洞室的左拱肩位置，左右拱肩位移呈現(xiàn)非對稱分布。說明右側(cè)導(dǎo)坑后開挖會(huì)對左側(cè)先開挖導(dǎo)坑造成一定的影響，施工過程中應(yīng)做好臨時(shí)支護(hù)后再進(jìn)行后開挖導(dǎo)坑的施工。

3）隨著左洞開挖，左洞左右拱肩的豎向位移均不斷增加，且左右拱肩豎向變形均出現(xiàn)在各側(cè)的上部開挖過程。已左拱肩為例，左上、左中、左下三步開挖時(shí)，左拱肩豎向變形分別占左拱肩總共豎向位移的48.1%、26.4%、15.2%。可見，左右側(cè)上部導(dǎo)坑是整個(gè)隧道開挖過程中關(guān)鍵的施工步驟。

2.2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法計(jì)算結(jié)果

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工左右洞開挖后隧道圍巖結(jié)構(gòu)豎向位移和水平位移分布如圖5、圖6。由以上圖表可知：

圖5 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工圍巖豎向位移分布

圖6 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工圍巖水平位移分布

1）雙側(cè)壁導(dǎo)坑法左洞開挖后，洞周圍巖豎向位移基本呈現(xiàn)對稱分布形式，最大豎向沉降出現(xiàn)在拱頂和左右導(dǎo)坑的拱肩位置；右洞后開挖時(shí)，圍巖的豎向位移呈現(xiàn)不對稱分布，最大豎向沉降出現(xiàn)在左洞的右拱肩部位，說明后開挖洞室對先開挖洞室產(chǎn)生較大影響。

2）左右洞開挖后，圍巖豎向隆起最大均出現(xiàn)在仰拱中心部位，但是豎向隆起的分布并不像左洞開挖時(shí)那樣對稱分布，并且左洞（先開挖）拱底隆起量要明顯大于右洞（后開挖）拱底隆起量。說明新開挖洞室要及早的進(jìn)行拱底初期支護(hù)的封閉成環(huán)，控制拱底隆起位移。

3）左洞開挖過程中，洞室各特征點(diǎn)的豎向位移變化不相同。左上導(dǎo)坑、左中導(dǎo)坑開挖時(shí)，左拱肩豎向位移依次為 1.68cm、0.53cm，對于拱肩而言，該側(cè)上導(dǎo)坑、中導(dǎo)坑開挖是其豎向變形控制的關(guān)鍵施工步驟。對于拱底而言，中中導(dǎo)坑、中下導(dǎo)坑為其關(guān)鍵施工步驟。

3.CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的變形對比

3.1 變形

兩種施工方法下左右洞開挖圍巖各特征點(diǎn)豎向位移和水平位移見表3、表4。

表3 不同施工方法下洞周各點(diǎn)豎向位移（cm）

表4 不同施工方法下洞周各點(diǎn)水平位移（cm）

不同施工方法開挖左洞后，洞周豎向位移變形分布差異較大。CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，洞周最大位移均在左拱肩處。采用CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工時(shí)，臨時(shí)支護(hù)將隧道分為若干小洞室，每個(gè)洞室變形均呈現(xiàn)單洞室變形特征。

采用CD法施工，右洞拱肩處豎向變形產(chǎn)生突變，右洞左右拱肩豎向變形分別由-1.55cm、-0.92cm增加到-10.52cm、-8.54cm，易導(dǎo)致塌方危險(xiǎn)。故對于淺埋大斷面暗挖隧道宜采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法控制洞周變形。

3.2 塑性區(qū)

圖7 CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法圍巖塑性區(qū)對比圖

CD法施工左、右洞圍巖塑性區(qū)主要集中在拱肩和拱腳處；而當(dāng)右洞緊跟開挖后，圍巖塑性區(qū)主要分布在中巖柱，中巖柱底部塑性區(qū)已經(jīng)貫通，這是因?yàn)橛叶春箝_挖導(dǎo)致先開挖完成的左洞洞周圍巖產(chǎn)生應(yīng)力重分布，塑性區(qū)開始由左洞洞周轉(zhuǎn)向左右洞之間的中巖柱部位。施工過程中要注意對中巖柱范圍提前加固，防止發(fā)生塌落等危險(xiǎn)。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工左、右洞圍巖塑性區(qū)范圍非常小，主要分布在拱肩部位。左右洞洞周圍巖塑性區(qū)分布呈現(xiàn)非對稱分布，塑性區(qū)基本均出現(xiàn)在先行開挖左洞。說明雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工可以很好的控制洞周圍巖的變形，并且洞周主要塑性變形主要集中在先行開挖洞室一側(cè)。

4.結(jié)論

運(yùn)用MIDAS有限元軟件對大跨度淺埋暗挖隧道進(jìn)行了兩種施工方法的數(shù)值模擬，分析了在CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法兩種施工方法下隧道圍巖力學(xué)變化的特點(diǎn)，重點(diǎn)是受力和變形的情況。通過研究發(fā)現(xiàn)：CD法施工隧道豎向最大沉降量發(fā)生在左右拱肩位置，最大隆起發(fā)生在仰拱靠近拱腳側(cè)；而雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對應(yīng)的洞周最大豎向沉降發(fā)生在左右拱肩、拱頂三個(gè)位置，最大隆起發(fā)生在仰拱中心位置。得出如下結(jié)論：

（1）CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)左右拱肩向隧道內(nèi)側(cè)發(fā)生水平變形，左右邊墻發(fā)生水平變形，臨時(shí)支護(hù)將洞室分為若干小洞室，隧道受力近似為拱形受力狀態(tài)。所分小洞室越多、開挖步驟越精細(xì)、隧道變形量越小。

（2）采用CD法時(shí)，塑形區(qū)廣泛的分布在拱肩及拱腳處，中巖柱有塌方風(fēng)險(xiǎn)；采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)，洞周塑性區(qū)只分布在靠近中巖柱側(cè)的拱肩處且范圍較小，相對較安全。

（3）淺埋大跨度暗挖隧道施工采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法能夠較好的控制洞周圍巖塑形區(qū)發(fā)展、較嚴(yán)格的控制隧道施工期間變形量、支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力同時(shí)也相對較小。

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