半成巖隧道斜井結(jié)構(gòu)受力分析及參數(shù)優(yōu)化研究*

胡 強(qiáng) 楊 洪 楊春平 曹 琨

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550081)

圍巖軟弱破碎段中的隧道斜井一般采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu),其中初期支護(hù)是隧道開(kāi)挖階段抑制圍巖不利變形發(fā)展的主要受力結(jié)構(gòu),而二次襯砌則是隧道后期受力的主要承載結(jié)構(gòu),相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定要充分考慮圍巖的性質(zhì)及狀態(tài)、地下水情況、隧道凈空尺寸及其埋深等客觀條件,是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程。韓榮杰等[1]結(jié)合某鐵路隧道工程,對(duì)初期支護(hù)噴混厚度、錨桿長(zhǎng)度等參數(shù)對(duì)圍巖的穩(wěn)定性影響進(jìn)行系統(tǒng)分析,進(jìn)而總結(jié)出一定的參數(shù)設(shè)置規(guī)律。殷小亮等[2]依托青島地鐵6號(hào)線華山一路站,采用多種研究手段探究不同支護(hù)參數(shù)下的隧道施工力學(xué)特性。周建春等[3]以定量確定某公路隧道施工初期支護(hù)參數(shù)為研究對(duì)象,采用數(shù)值模擬手段驗(yàn)算了初期支護(hù)承載能力。姜高勇等[4]研究對(duì)比驗(yàn)證了多種隧道二次襯砌可靠度的計(jì)算方法,分析總結(jié)出相應(yīng)方法計(jì)算偏差的內(nèi)在原因。

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)選取及可靠度分析與隧道建設(shè)條件密貼相關(guān),不同圍巖情況下的支護(hù)結(jié)構(gòu)存在較大的差異性。本文以某隧道斜井工程為研究對(duì)象,通過(guò)數(shù)值模擬手段從鋼構(gòu)件受力、初支混凝土受力及二襯結(jié)構(gòu)受力三方面對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體受力進(jìn)行綜合驗(yàn)算,以計(jì)算分析該隧道斜井支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性。

1 工程概況

某隧道為分離式特長(zhǎng)隧道,左幅隧道起訖樁號(hào)ZK21+460-ZK29+470,全長(zhǎng)8 010 m,右幅隧道起訖樁號(hào)YK21+440-YK29+480,全長(zhǎng)8 040 m。考慮到后續(xù)運(yùn)營(yíng)通風(fēng)需要,該隧道設(shè)置有1座通風(fēng)斜井,斜井長(zhǎng)1 984.926 m,斜井縱坡為-11.14%,井口設(shè)計(jì)高程為1 924.98 m,井底設(shè)計(jì)高程為1 703.88 m,高差221.10 m。

該隧道斜井穿越一處斷層,其上盤(pán)圍巖以砂巖夾黏土巖為主,屬半成巖,巖質(zhì)極軟,結(jié)合差,呈碎裂結(jié)構(gòu);下盤(pán)圍巖為印支期二長(zhǎng)花崗巖,其節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,呈碎裂狀或裂隙塊狀結(jié)構(gòu)。因該隧道主洞進(jìn)口端半成巖段在施工過(guò)程中出現(xiàn)較多的初期支護(hù)開(kāi)裂變形問(wèn)題,為確保斜井支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性,特對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合驗(yàn)算。

該段落斜井的設(shè)計(jì)支護(hù)方案為:24 cm厚的C25噴射混凝土、縱向間距為80 cm的I18鋼拱架、長(zhǎng)度為3.5 m的直徑22 mm砂漿錨桿、長(zhǎng)度為3 m的直徑22 mm鎖腳錨桿、45 cm厚C30鋼筋混凝土二次襯砌、斜井中隔墻、仰拱填充和路面結(jié)構(gòu)等,其中斜井中隔墻在后期方才施作,故在施工階段時(shí)不作為承重結(jié)構(gòu)考慮。隧道斜井支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面見(jiàn)圖1。

圖1 某隧道斜井支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

2 建模分析

2.1 計(jì)算工況設(shè)置

結(jié)合斜井的工程建設(shè)條件,采用數(shù)值模擬手段對(duì)設(shè)計(jì)支護(hù)方案進(jìn)行綜合分析。考慮到淺埋情況下隧道所承受的圍巖壓力隨埋深增加而增大,故淺埋情況下的分析斷面選擇在深淺埋分界的界限深度,從而保證所計(jì)算工況的代表性。結(jié)合相關(guān)規(guī)范[5]及某隧道斜井的結(jié)構(gòu)參數(shù),計(jì)算深淺埋界限深度如下。

ω=1+i(Bt-5)=1.598 m

(1)

Hp=2.5hq=2.5×0.45×2s-1w≈29 m

(2)

式中:Bt為隧道最大開(kāi)挖跨度,取10.98 m;i為

圍巖壓力增減率,取0.1;w為寬度影響系數(shù);hq為荷載等效高度;s為圍巖級(jí)別,取值為5。

同時(shí),考慮到某隧道斜井?dāng)鄬酉卤P(pán)印支期二長(zhǎng)花崗巖的工程力學(xué)性質(zhì)相比上盤(pán)砂巖夾黏土巖而言相對(duì)較好,深埋情況下的分析斷面應(yīng)保證隧道整體處于砂巖夾黏土巖中,且上覆土體深度最大的最不利位置。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙可知,深埋分析斷面的埋深為65 m,具體深淺埋分析斷面示意見(jiàn)圖2。

圖2 某隧道斜井深淺埋分析斷面位置示意圖

基于上述分析,本次模型計(jì)算共設(shè)置2種分析工況,見(jiàn)表1。

表1 分析工況設(shè)置表

2.2 模型參數(shù)選取

根據(jù)隧道斜井的地勘報(bào)告及其他相關(guān)材料,選取圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)指標(biāo),見(jiàn)表2。

表2 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)指標(biāo)

3 有限元計(jì)算分析

采用midas GTS NX軟件構(gòu)建平面應(yīng)變計(jì)算模型,具體模型參數(shù)設(shè)置如下:根據(jù)圣維南原理,取模型寬度為110 m,模型底部深度30 m,模型上部高度根據(jù)分析工況調(diào)整;隧道初支混凝土采用板單元模擬,二襯采用梁?jiǎn)卧M,系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨桿、工字鋼均采用植入式梁?jiǎn)卧M;結(jié)合該斜井實(shí)際施工情況,模型開(kāi)挖方法采用環(huán)形開(kāi)挖留核心土法,同時(shí)在開(kāi)挖過(guò)程中圍巖應(yīng)力釋放比例按鈍化網(wǎng)格瞬間釋放40%的比例,其后每一循環(huán)步釋放10%的比例進(jìn)行,以最大限度地模擬某隧道斜井軟弱圍巖的受力特性。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行模型計(jì)算分析,下面以工況二為例,對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 鋼構(gòu)件受力分析

圖3為鋼構(gòu)件受力圖。

圖3 鋼構(gòu)件受力圖

由圖3a)可知,在圍巖壓力的作用下鋼構(gòu)件整體受壓,并呈現(xiàn)出上臺(tái)階壓應(yīng)力整體較大,中下臺(tái)階依次遞減的趨勢(shì)。分析其原因,上臺(tái)階初期支護(hù)施作時(shí)間最早,所承受的圍巖壓力占比最大,故而結(jié)構(gòu)所承受的應(yīng)力相對(duì)較大。同理,中下臺(tái)階的施作時(shí)間較晚,且二次襯砌緊跟著施作,故而初期支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的圍巖壓力占比較小,結(jié)構(gòu)受力也較小。

由圖3b)可知,鋼構(gòu)件的剪力主要集中于其接頭位置,其中拱腳位置處的剪力數(shù)值最大。分析其原因,鋼構(gòu)件的接頭位置即開(kāi)挖臺(tái)階的分界斷面,其存在一定的懸空階段,易發(fā)生側(cè)向擠壓變形的現(xiàn)象。實(shí)際施工中宜通過(guò)增設(shè)鎖腳管棚等措施,以保證隧道施工安全。由圖3c)可知,鋼構(gòu)件在拱部、邊墻和仰拱處內(nèi)側(cè)受拉,拱腰和拱腳處外側(cè)受拉,襯砌受力與實(shí)際相吻合。拱腳處剪力和彎矩突變現(xiàn)象是因?yàn)槌踔ЫY(jié)構(gòu)在拱腳處存在明顯的拐角,進(jìn)而引發(fā)應(yīng)力集中效應(yīng)。

在上述對(duì)鋼構(gòu)件內(nèi)力分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析其應(yīng)力分布情況,進(jìn)而判斷鋼構(gòu)件是否滿足設(shè)計(jì)要求。考慮到工字鋼為彈塑性材料,故而選用遵循材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論的范式等效應(yīng)力作為評(píng)價(jià)其整體受力的力學(xué)指標(biāo),見(jiàn)圖4。

圖4 鋼構(gòu)件的范式等效應(yīng)力

由圖4可知,在圍巖壓力的作用下,鋼構(gòu)件在仰拱、邊墻處范式等效應(yīng)力相對(duì)較小,拱頂、拱腰處數(shù)值大小居中,而拱腳處的范式等效應(yīng)力水平較高。拱腳處應(yīng)力水平較高的原因在于該位置為鋼構(gòu)件連接的拐點(diǎn),存在著一定的應(yīng)力集中效應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致范式等效應(yīng)力出現(xiàn)突變,施工過(guò)程可通過(guò)增設(shè)加勁肋等形式加強(qiáng)該位置的施工質(zhì)量,初支封閉成環(huán)后,應(yīng)盡快施作仰拱及仰拱回填,減小拱腳位置的應(yīng)力集中效應(yīng)。

3.2 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

在上述對(duì)初期支護(hù)鋼構(gòu)件分析的基礎(chǔ)上,對(duì)噴射混凝土的受力情況進(jìn)行分析,綜合判斷初期支護(hù)的結(jié)構(gòu)安全性。噴射混凝土主應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5,本計(jì)算模型中采用二維板單元來(lái)模擬噴射混凝土其可提取單元的最大及最小主應(yīng)力,采用容許應(yīng)力法分析噴射混凝土的結(jié)構(gòu)安全性。

圖5 噴射混凝土主應(yīng)力云圖

由圖5a)可知,噴射混凝土的壓應(yīng)力分布規(guī)律與鋼構(gòu)件的大體一致,呈現(xiàn)出隧道拱部位置壓應(yīng)力相對(duì)較大,隧道邊墻和仰拱位置相對(duì)較小的趨勢(shì)。噴射混凝土最小主應(yīng)力極值出現(xiàn)在隧道拱腰位置,數(shù)值為-10.13 MPa。

由圖5b)可知,噴射混凝土的拉應(yīng)力集中出現(xiàn)在鎖腳錨桿與初支結(jié)構(gòu)的搭接部位及左、右側(cè)拱腳位置,其中拱腳位置的拉應(yīng)力水平明顯高于其他區(qū)域,其極值達(dá)-2.91 MPa。

本隧道初期支護(hù)采用C25噴射混凝土,其軸心抗壓強(qiáng)度為12.5 MPa,彎曲抗壓強(qiáng)度為13.5 MPa,抗拉強(qiáng)度為1.3 MPa。結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果可知,噴射混凝土在拱腳位置存在一定的拉裂破壞,拉應(yīng)力超限區(qū)域約占截面總面積的1.8%。

3.3 二襯混凝土結(jié)構(gòu)受力分析

作為配筋結(jié)構(gòu),一般采用安全系數(shù)的指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)二次襯砌的受力狀態(tài)。本模型中采用可提取單元軸力值和彎矩值的梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬二襯結(jié)構(gòu),計(jì)算結(jié)構(gòu)的安全系數(shù),二次襯砌受力圖見(jiàn)圖6。

圖6 二次襯砌受力圖

由圖6可知,在圍巖壓力的作用下二次襯砌整體受壓,其中仰拱位置的壓應(yīng)力相對(duì)最小,拱頂、拱腰位置次之,拱腳位置則存在一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象,其最大值為-2 362.8 kN。與之類似,由于結(jié)構(gòu)自身拐角及采用梁?jiǎn)卧?jiǎn)化模擬的影響,二襯彎矩在拱腳位置呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中狀態(tài),其數(shù)值達(dá)-417.40 MPa,而其它區(qū)域的彎矩值均相對(duì)較小。

對(duì)二襯拱腳處應(yīng)力異常集中的現(xiàn)象進(jìn)行分析,其原因主要有兩方面:①圍巖應(yīng)力釋放是一個(gè)相對(duì)漫長(zhǎng)的過(guò)程,實(shí)際的受力荷載是仰拱與仰拱填充等結(jié)構(gòu)物共同承擔(dān)的,模型中圍巖壓力則全部由初支和二次襯砌承擔(dān),導(dǎo)致計(jì)算出來(lái)的結(jié)構(gòu)受力較實(shí)際情況大;②二襯拱腳處存在相對(duì)突兀的結(jié)構(gòu)拐點(diǎn),且本模型所采用的梁?jiǎn)卧獰o(wú)法模擬結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng),將結(jié)構(gòu)拐點(diǎn)極度簡(jiǎn)化為一個(gè)單元節(jié)點(diǎn),導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象異常嚴(yán)重。鑒于上述原因,后續(xù)分析過(guò)程中剔除二襯梁?jiǎn)卧诠澳_節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果,以相鄰節(jié)點(diǎn)作為結(jié)構(gòu)驗(yàn)算的控制點(diǎn),從而確保分析結(jié)論的可靠性。

3.4 工況計(jì)算結(jié)果對(duì)比

參照上述計(jì)算流程,再對(duì)工況一進(jìn)行計(jì)算分析,并將計(jì)算結(jié)果代表值匯總見(jiàn)表3。

表3 2種工況計(jì)算結(jié)果匯總表

對(duì)比分析工況一與工況二的計(jì)算結(jié)果可知,在支護(hù)參數(shù)相同的情況下,深埋工況下的襯砌結(jié)構(gòu)受力較淺埋工況大,后續(xù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算應(yīng)重點(diǎn)考慮埋深大的工況。

4 襯砌結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

4.1 鋼構(gòu)件驗(yàn)算

本隧道采用工字鋼為鋼材結(jié)構(gòu),其管壁容許應(yīng)力可按公式(3)計(jì)算。

fc=fb/n

(3)

式中:fc為管壁容許壓應(yīng)力,MPa;fb為管壁極限壓應(yīng)力,MPa;n為結(jié)構(gòu)安全系數(shù),取值1.5。

本隧道工字鋼采用Q235鋼材,其鋼材的容許壓應(yīng)力計(jì)算值為156.7 MPa,大于工況一和工況二下工字鋼的范式等效應(yīng)力極大值,故而認(rèn)為2種工況下鋼構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足要求。

4.2 噴射混凝土的強(qiáng)度驗(yàn)算

本斜井初期支護(hù)均采用C25噴射混凝土,其軸心抗壓強(qiáng)度為12.5 MPa,彎曲抗壓強(qiáng)度為13.5 MPa,抗拉強(qiáng)度為1.3 MPa。結(jié)合表3可知,工況一情況下噴射混凝土最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度,初期支護(hù)的結(jié)構(gòu)可靠性有所保障。

工況二情況下,噴射混凝土拱腳位置的最大主應(yīng)力數(shù)值局部超過(guò)其設(shè)計(jì)強(qiáng)度,需進(jìn)行進(jìn)一步分析。由圖5b)可知,拱腳外側(cè)的應(yīng)力水平最高,其極值達(dá)到了2.91 MPa,已超出C25噴射混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,而拱腳內(nèi)側(cè)的應(yīng)力水平相對(duì)較低,數(shù)值在0.65 MPa左右,尚在容許應(yīng)力水平以內(nèi)。分析數(shù)值模擬結(jié)果,認(rèn)為初支混凝土雖在拱腳處存在局部拉裂,但拉裂區(qū)僅存在于拱腳外側(cè)的端頭拐角區(qū)域,未沿初支截面貫通,初支結(jié)構(gòu)的整體可靠度尚有保障。

4.3 二襯混凝土的強(qiáng)度驗(yàn)算

該斜井二襯采用45 cm厚的C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其環(huán)向鋼筋采用直徑22 mm的HRB400鋼筋,縱向鋼筋采用直徑16 mm的HRB400鋼筋,箍筋采用直徑8 mm的HPB300鋼筋,二次襯砌配筋圖見(jiàn)圖7。

圖7 二次襯砌配筋圖

在明確二襯結(jié)構(gòu)尺寸及配筋情況的基礎(chǔ)上,結(jié)合模型計(jì)算結(jié)果,求解各工況下二襯結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)位置的安全系數(shù),具體見(jiàn)表4。

表4 2種工況下二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)匯總表

由圖6可知,二襯在拱頂、邊墻及拱底位置屬于內(nèi)側(cè)受拉區(qū),在拱腰和拱腳處屬于內(nèi)側(cè)受壓區(qū)。由表4的結(jié)果可知,2種工況下二襯結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)均滿足鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)混凝土達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度的安全系數(shù)2.4及混凝土達(dá)到抗壓或抗剪極限強(qiáng)度的安全系數(shù)2.0的要求,隧道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)及裂縫寬度均滿足規(guī)范要求,二襯結(jié)構(gòu)的安全性有所保障。

5 結(jié)論

采用數(shù)值模擬手段對(duì)半成巖隧道斜井支護(hù)結(jié)構(gòu)的初支鋼構(gòu)件受力、初支混凝土受力及二襯結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了系統(tǒng)分析,提出相關(guān)參數(shù)優(yōu)化的建議,主要結(jié)論如下。

1) 對(duì)比工況一與工況二的計(jì)算結(jié)果可知,在支護(hù)參數(shù)相同的情況下,深埋工況下的襯砌結(jié)構(gòu)受力較淺埋工況大,洞口軟弱圍巖段的成拱效應(yīng)較差。

2) 鋼構(gòu)件的剪力主要集中于其接頭位置,存在一定的側(cè)向擠壓變形風(fēng)險(xiǎn),實(shí)際施工中宜通過(guò)在工字鋼接頭位置增設(shè)鎖腳錨管等措施,以有效預(yù)防不利變形的發(fā)展。

3) 鋼構(gòu)件在仰拱、邊墻處范式等效應(yīng)力相對(duì)較小,拱頂、拱腰處數(shù)值大小居中,而拱腳處的范式等效應(yīng)力水平較高。施工過(guò)程應(yīng)采取增設(shè)加勁肋等形式加強(qiáng)工字鋼在拱腳位置的施工質(zhì)量,初支封閉成環(huán)后,應(yīng)盡快施作仰拱及仰拱回填,以減小拱腳位置的應(yīng)力集中效應(yīng)。

4) 通過(guò)計(jì)算分析噴射混凝土主應(yīng)力的數(shù)值情況及分布規(guī)律可知,拱腳外側(cè)的噴射混凝土拉應(yīng)力存在超出規(guī)范限制的可能性。考慮初支鋼構(gòu)件未發(fā)生屈服,且初支混凝土的拉裂區(qū)未沿初支截面貫通,初支結(jié)構(gòu)的整體可靠度尚有保障。

5) 通過(guò)綜合計(jì)算可知,隧道斜井的鋼構(gòu)件受力、初支混凝土受力及二襯結(jié)構(gòu)受力均滿足結(jié)構(gòu)承載力要求,隧道斜井的支護(hù)參數(shù)設(shè)置合理,結(jié)構(gòu)安全性有所保障。

6) 結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)受力分析可知,半成巖等軟弱圍巖中的初支鋼架接頭及拱腳位置的結(jié)構(gòu)受力相對(duì)集中,是整環(huán)初期支護(hù)中的相對(duì)薄弱位置,施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)周邊位移和拱腳下沉等項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)工作,必要時(shí)及時(shí)采取措施進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng),以確保施工期間支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。