長(zhǎng)大隧道不同工法襯砌結(jié)構(gòu)安全性模擬分析

吳占瑞

(中鐵十一局集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430061)

1 前言

目前，我國(guó)公路隧道在西南、西北等山嶺地區(qū)的建設(shè)長(zhǎng)度和數(shù)量在不斷攀升[1]，同時(shí)穿越地質(zhì)環(huán)境惡劣的斷層、破碎圍巖特長(zhǎng)隧道工程不斷涌現(xiàn)[2-3]，如我國(guó)包家山公路隧道、華鑒山公路隧道、格巧蒙姑隧道等[4]。 特長(zhǎng)公路隧道在開挖過(guò)程中，往往伴隨著圍巖破碎、地下涌水、隧道塌方、應(yīng)力釋放周期長(zhǎng)等問(wèn)題[5-6]。 對(duì)于上述問(wèn)題，不同施工方法的選擇尤其重要，由于各工法工序轉(zhuǎn)換、開挖形式等不同[7]，對(duì)隧道周邊圍巖的穩(wěn)定和安全及工期目標(biāo)等均會(huì)造成不同的影響。

本文依托西南地區(qū)格巧高速公路蒙姑隧道為工程背景，擬采取理論分析、數(shù)值計(jì)算等手段，重點(diǎn)對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖段的隧道進(jìn)行系統(tǒng)的施工安全模擬分析，提出隧道最佳的開挖方法，指導(dǎo)隧道安全、快速施工。

2 工程概況

蒙姑隧道為分離式隧道，隧道前2.0 km 呈直線型，終點(diǎn)端前段呈S 狀圓弧型。 左線總長(zhǎng)3 410 m，Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)1 348 m，占39. 53%。 Ⅳ級(jí)圍巖長(zhǎng)2 062 m，占60.47%；右線總長(zhǎng)3 463 m，Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)1 389 m，占40. 11%。 Ⅳ級(jí)圍巖長(zhǎng)2 074 m，占59.89%；最大埋深約372 m。

隧道中線高程819 ～1 309 m，山體自然坡度25° ～45°，地表植被發(fā)育。 隧道進(jìn)口位于山前陡坡地段，出口位于山前緣緩坡地帶，山坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

3 計(jì)算模型及相關(guān)參數(shù)

(1)計(jì)算模型

土體用平面應(yīng)變單元進(jìn)行模擬，初期支護(hù)、二次襯砌采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，錨桿采用植入式桁架單元[8]。 模型尺寸長(zhǎng)×高＝100 m ×88 m，隧道頂部埋深30 m，實(shí)際土體高度不足部分，以施加實(shí)際高度土體荷載替代[9]。 在Ⅴ級(jí)圍巖條件下，重點(diǎn)對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD 法、CD 法[10]進(jìn)行模擬比較。

(2)支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖參數(shù)

①支護(hù)結(jié)構(gòu)

支護(hù)結(jié)構(gòu)主要分為初期支護(hù)結(jié)構(gòu)和二次襯砌結(jié)構(gòu)，二者的力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 初支及二襯結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

②支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖物理力學(xué)參數(shù)

超期預(yù)加固的圍巖采用提高圍巖參數(shù)一個(gè)級(jí)別的方法研究，即采用Ⅳ級(jí)圍巖參數(shù)模擬超前預(yù)支護(hù)方法，臨時(shí)支護(hù)采用Beam 結(jié)構(gòu)單元模擬，土體、初支和二襯均以三維實(shí)體單元模擬[11]；表2 為圍巖的物理力學(xué)參數(shù)。

表2 圍巖的物理力學(xué)參數(shù)

4 安全系數(shù)法計(jì)算依據(jù)

根據(jù)有限元分析得到的襯砌結(jié)構(gòu)受力結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行安全校核。

(1)安全系數(shù)控制指標(biāo)

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定[12]，混凝土安全系數(shù)控制指標(biāo)如表3 所示。

表3 強(qiáng)度安全系數(shù)指標(biāo)

(2)大偏心構(gòu)件安全系數(shù)計(jì)算依據(jù)

依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，其截面強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算：

式中，K為安全系數(shù)，當(dāng)K≥2 時(shí)二襯滿足要求；N為軸向力；Rg為鋼筋的抗拉或抗壓強(qiáng)度；Rw為混凝土彎曲抗壓極限強(qiáng)度；x為混凝土受壓區(qū)高度；b為計(jì)算截面寬度，取單位長(zhǎng)度b＝1 m；h0為截面有效高度；A′g和Ag為混凝土受壓區(qū)和受拉區(qū)鋼筋的截面面積。

(3)小偏心構(gòu)件安全系數(shù)計(jì)算依據(jù)

按照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，其截面強(qiáng)度按下式計(jì)算：

式中，a′為A′g的重心至截面最近邊緣的距離；其余符號(hào)同上所述。

(4)素混凝土安全系數(shù)計(jì)算依據(jù)

依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，素混凝土安全系數(shù)應(yīng)按如下所述計(jì)算：

①混凝土和砌體矩形截面中心及偏心受壓構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算：

②從抗裂要求出發(fā)，混凝土矩形截面偏心受壓構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算：式中，Ra為混凝土的抗壓極限強(qiáng)度；K為安全系數(shù)；N為軸向力；b為計(jì)算截面寬度；h為截面的厚度；φ為構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)，對(duì)于隧道襯砌，可取1；a為軸向力的偏心影響系數(shù)；R1為混凝土的抗拉極限強(qiáng)度；e0為截面偏心距。

5 不同施工方法結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

5.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工

(1)初期支護(hù)受力分析

模擬在Ⅴ級(jí)圍巖條件下，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，各工序初期支護(hù)受力情況。 具體如圖1 和圖2 所示。

圖1 開挖軸力圖

圖2 開挖彎矩圖

通過(guò)上述模型計(jì)算，比較各施工階段初期支護(hù)所受壓力，初期支護(hù)所受壓力最大的階段是在左下側(cè)土體開挖支護(hù)完成之后，最大壓力為2 662 kN，等效壓應(yīng)力約為8.873 MPa，而初支混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為11.5 MPa，大于襯砌的承壓值滿足結(jié)構(gòu)安全需要。

再對(duì)各施工階段初支彎矩值進(jìn)行比較，初期支護(hù)所承受彎矩最大階段是在中部中間土體開挖初期支護(hù)完成后，最大值為316 kN·m，最大值發(fā)生在上部和兩個(gè)底腳臨時(shí)支撐的交點(diǎn)處，當(dāng)隧道左側(cè)下臺(tái)階開挖完成后最大彎矩值為303 kN·m。型鋼型號(hào)為22b，間距600 mm，初支截面拱部厚300 mm，仰拱厚300 mm 根據(jù)型鋼混凝土受彎構(gòu)件計(jì)算，初支最大彎矩設(shè)計(jì)值為568 kN·m，考慮最大值是發(fā)生在臨時(shí)支撐的奇點(diǎn)處，對(duì)隧道后期影響不大，且初支彎矩最大承受值大于施工過(guò)程中初支承受的最大彎矩，隧道施工過(guò)程中滿足安全要求。

(2)二襯安全系數(shù)計(jì)算

通過(guò)安全系數(shù)計(jì)算原理，從模型計(jì)算結(jié)果中提取相應(yīng)斷面數(shù)據(jù)可得二次襯砌的各個(gè)斷面安全系數(shù)。 從洞口沿軸向開挖方向，每隔5 m 取一個(gè)斷面，分別取6 個(gè)斷面進(jìn)行計(jì)算。 計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

表4 二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

(3)襯砌結(jié)構(gòu)變形

通過(guò)數(shù)值計(jì)算，Ⅴ級(jí)圍巖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法初期支護(hù)及二次襯砌均能滿足規(guī)范要求，且安全性有一定富余，隧道拱頂位移為16.9 mm，水平收斂值為10.59 mm，均符合規(guī)范要求，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在本隧道工程中是可行的施工工法。

5.2 CRD 法施工

(1)初期支護(hù)受力分析

模擬在Ⅴ級(jí)圍巖條件下，采用CRD 法施工，各工序初期支護(hù)受力情況。 具體如圖3 和圖4 所示。

圖3 開挖軸力圖

圖4 右下側(cè)開挖彎矩圖

通過(guò)上述模型計(jì)算，比較各施工階段初期支護(hù)所受軸力，初期支護(hù)所受壓力最大的階段是在左下側(cè)土體開挖支護(hù)完成之后，最大壓力為2 721 kN，等效壓應(yīng)力約為9.07 MPa，而初支混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為11.5 MPa，大于襯砌的承壓值滿足結(jié)構(gòu)安全需要。

對(duì)各施工階段初支彎矩值進(jìn)行比較，初期支護(hù)所承受彎矩最大階段是在右部中間土體開挖初期支護(hù)完成后，最大值為517 kN·m，最大值發(fā)生在中部交叉臨時(shí)支撐的交點(diǎn)處，當(dāng)隧道開挖完成后初支最大彎矩值為488 kN·m。型鋼型號(hào)為 22b，間距600 mm，初支截面拱部厚300 mm，仰拱厚300 mm。根據(jù)型鋼混凝土受彎構(gòu)件計(jì)算，初支最大彎矩設(shè)計(jì)值為568 kN·m，考慮最大值是發(fā)生在臨時(shí)支撐的奇點(diǎn)處，對(duì)隧道后期影響不大，且初支彎矩最大承受值大于施工過(guò)程中初支承受的最大彎矩，隧道施工過(guò)程中滿足安全要求。

(2)二襯安全系數(shù)計(jì)算

從模型計(jì)算結(jié)果中提取相應(yīng)斷面數(shù)據(jù)，計(jì)算可得二次襯砌的各個(gè)斷面安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

(3)襯砌結(jié)構(gòu)變形

通過(guò)數(shù)值計(jì)算，Ⅴ級(jí)圍巖采用CRD 施工工法初期支護(hù)及二次襯砌均能滿足規(guī)范要求，且安全性也有一定富余，隧道拱頂模擬位移為18.89 mm，水平收斂值為32.09 mm，也基本符合規(guī)范要求，CRD 施工工法在本隧道工程中是可行的施工工法。

5.3 CD 法施工

Ⅴ級(jí)圍巖采用CD 法施工，通過(guò)建立相同模型進(jìn)行計(jì)算可得初支受力如圖5 和圖6 所示。

圖5 開挖軸力圖

圖6 開挖彎矩圖

從模型計(jì)算過(guò)程來(lái)看，模型在計(jì)算到左側(cè)中部開挖時(shí)，就已經(jīng)無(wú)法計(jì)算收斂，此時(shí)，初期支護(hù)最大軸力為1 246.95 kN，初支底腳與圍巖接觸節(jié)點(diǎn)的壓力為698 kN，此時(shí)對(duì)于節(jié)點(diǎn)處巖體所產(chǎn)生的壓應(yīng)力為2.3 MPa，而勘查資料所提供的Ⅴ級(jí)圍巖的承載力容許值范圍為0.3 ～1.5 MPa，顯然，此時(shí)土體已經(jīng)發(fā)生破壞，初支腳部直接陷入土體中，導(dǎo)致模型計(jì)算無(wú)法收斂，此時(shí)，初支在圍巖壓力作用下，發(fā)生較大變形，而且極可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。 所以該工程在Ⅴ級(jí)圍巖條件下，不適合采用CD 法進(jìn)行開挖。

6 結(jié)論

依托格巧高速公路蒙姑隧道工程，針對(duì)Ⅴ級(jí)破碎圍巖條件下所采用的不同施工工法進(jìn)行模型計(jì)算分析，并得出以下結(jié)論：

(1)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，初期支護(hù)所受壓力最大的階段是在左下側(cè)土體開挖支護(hù)完成之后；初期支護(hù)所承受彎矩最大階段是在中部中間土體開挖初期支護(hù)完成后，最大值發(fā)生在上部和兩個(gè)底腳臨時(shí)支撐的交點(diǎn)處。

(2)采用CRD 工法施工，初期支護(hù)所受壓力最大的階段是在左下側(cè)土體開挖支護(hù)完成之后；初期支護(hù)所承受彎矩最大階段是在右部中間土體開挖初期支護(hù)完成后，最大值發(fā)生在中部交叉臨時(shí)支撐的交點(diǎn)處。

(3)Ⅴ級(jí)破碎圍巖條件下，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD 法均是可行的，能滿足安全施工要求，而CD 法不能滿足安全穩(wěn)定性要求，不能在該級(jí)圍巖條件下使用，鑒于CRD 法相對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法工藝簡(jiǎn)單，施工工期短，且臨時(shí)支護(hù)工程量大大減少，在圍巖條件相對(duì)較好的Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)段，建議采用CRD 法進(jìn)行開挖，而在圍巖條件很差或者淺埋偏壓區(qū)段建議采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行開挖。