大坡度隧道斜井施工力學的數值模擬研究

王玉鎖，唐建輝

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043;2.西南交通大學 峨眉校區，四川 峨眉 614202)

隨著我國高速和高等級公路設計標準的提高，隧道也越來越長，尤其是四川、重慶、云南、廣西等西部邊遠山區的高速公路更是如此。現有射流風機技術滿足不了高速公路長大隧道的運營通風需要，采用豎井、斜井等輔助運營通風的隧道越來越多。如大相嶺隧道斜井是雅瀘高速公路大相嶺特長隧道的運營專用通風巷道，工程位于雅安市漢源縣境內。斜井左線全長909.378 m，傾角17.28°，開挖斷面面積 55.86～72.13 m2;右線全長912.698 m，傾角16.49°，開挖斷面面積55.86 ～ 72.13 m2［1］。

本文根據斜井施工中所經過的Ⅳ級圍巖地質情況，結合所采用的Ⅳ型支護措施分別進行了三維數值模擬分析。研究了不同圍巖級別和不同支護措施條件下隧道初期支護、二次襯砌的安全系數和變形受開挖影響的規律。

1 模擬工程概況

Ⅳ級圍巖支護參數情況見圖1。隧道開挖的順序見圖2。

施工過程描述:① 開挖上臺階，并施設錨桿及初期支護;②在距離上臺階3 m后，開挖下臺階部分并施設錨桿、初期支護，進行仰供封閉;③施作二次襯砌。

在數值模擬中，開挖30 m范圍內，所涉及的開挖順序依次為:上臺階開挖3 m→上臺階開挖6 m→下臺階開挖3 m→上臺階開挖9 m→下臺階開挖6 m→上臺階開挖12 m→下臺階開挖9 m→上臺階開挖15 m→下臺階開挖12 m→上臺階開挖18 m→下臺階開挖15 m→上臺階開挖21 m→下臺階開挖18 m→上臺階開挖24 m→下臺階開挖21 m→上臺階開挖27 m→下臺階開挖24 m→上臺階開挖30 m→下臺階開挖27 m→下臺階開挖30 m→斜井開挖完成→二次襯砌完成。

圖2 施工工序

2 計算情況

2.1 力學參數的選取

各力學參數如表1所示。

2.2 建模情況

模型為三維模型，模型縱向長為30 m，坡度傾角30%(約17.28°)，兩側離隧道中心約為55 m，底部邊界距隧道下臺階開挖底面50 m，隧道上部覆土為50 m。共有201 780個8節點六面體單元，共有節點數213 497個。模型網格具體見圖3、圖4。

表1 力學參數表

2.3 計算過程

按施工工序，逐步開挖，施工過程數值模擬見圖5。

圖3 模型全貌圖

圖4 模型結構放大圖

圖5 施工過程數值模擬圖

3 計算結果及分析

通過三維有限元軟件進行模擬，為消除邊界影響，選取距離初始開挖斷面6 m處作為研究斷面。本次計算的主要目的是評價上下臺階法施工初期支護及二次襯砌的安全性。為了更形象地描述在開挖過程中研究斷面支護結構的軸力、彎矩、位移及安全系數的變化，本計算詳細地給出了在開挖各斷面上下臺階時，研究斷面支護結構各控制點的軸力、彎矩、位移及安全系數的大小。

3.1 初期支護位移分析

在開挖各斷面上下臺階時，研究斷面初期支護拱頂及仰拱變化趨勢見圖6，研究斷面初期支護各控制點具體位移見圖7。

圖6 Ⅳ級圍巖初期支護拱頂及仰拱變化趨勢

圖7 位移圖(單位:0.1 mm)

從圖6可以看出，研究斷面處初期支護及仰拱位移不大，初期支護拱頂最大下沉3.5 mm，仰拱中部向上位移最大4.6 mm，相對豎向位移最大8.1 mm，左右最大相對水平位移2 mm，滿足施工預留變形量;從拱頂與仰拱位移變化趨勢圖(圖6)可以看出，在距研究斷面12 m(上臺階開挖18 m)時，位移變化開始穩定。

3.2 結構內力分析

為分析結構內力，研究了斷面(開挖6 m時)初期支護施工中軸力、彎矩及安全系數的變化規律。

3.2.1 初期支護軸力

研究斷面初期支護軸力分布如圖8所示(受壓為正)。

從圖8可以看出，研究斷面上臺階初支拱腳所受軸力較大，在開挖后面3～12 m(上臺階開挖9 m至上臺階開挖18 m)范圍時，拱腳所受軸力減小，故應注意上臺階拱腳處的徑向加強措施;在開挖距研究斷面6 m(下臺階開挖12 m)時，仰拱中部開始出現拉力，最大為100 kN，說明對于Ⅳ級圍巖情況，仰拱緊跟掌子面時要承受底部圍巖上拱力，故應注意在仰拱施作時做好下部基礎回填及加固措施。

3.2.2 初期支護彎矩

研究斷面初支彎矩分布見圖9所示。從圖9可以看出，研究斷面初期支護所受彎矩總體較小，在邊墻墻腳處最大，最大為30 kN·m，仰拱所受彎矩較大，最大彎矩在仰拱與邊墻的交界處，最大為66 kN·m，故應在仰拱與邊墻交界處采取支護加強措施。

圖8 Ⅳ級圍巖初期支護軸力(單位:kN)

圖9 Ⅳ級圍巖初期支護彎矩(單位:kN·m)

圖10 Ⅳ級圍巖研究斷面初期支護安全系數

3.2.3 初期支護安全系數

研究斷面初期支護安全系數分布如圖10所示。研究斷面初期支護邊墻底及仰拱與邊墻交界變化趨勢見圖11。

從圖11可以看出，研究斷面處初期支護邊墻墻腳安全系數為1.0，其它部位均 ＞1.0;仰拱在與左右邊墻交界處部分的安全系數為1.8，受拉控制，不能滿足規范要求，說明這部分為應力集中處，應加強支護措施;從安全系數變化趨勢來看，當距研究斷面9 m(上臺階開挖15 m)時，結構安全系數變化趨于穩定。

3.2.4 二次襯砌計算結果

圖11 Ⅳ級圍巖研究斷面初期支護下臺階墻腳及邊墻與仰拱交界處安全系數變化趨勢圖

二次襯砌施作后，所受內力、位移及安全系數見圖12。

圖12 研究斷面二次襯砌軸力、彎矩、位移和安全系數

從圖12可以看出，二次襯砌受內力、位移極小，安全系數很大，均滿足規范要求。

4 結語

通過大相嶺隧道通風斜井上下臺階施工過程的數值計算分析，決定隧道斜井開挖采用二臺階法施工，根據開挖斷面情況將斷面縱向劃分為上下兩個臺階，上臺階與下臺階錯開3 m，且與上臺階平行作業。該開挖方法的優點是作業空間大，適合大型機械作業，同時該方法由于工序簡單，全環封閉時間短，施工速度快，而且能夠保證施工的安全性，是行之有效的施工方法。

［1］鄭捷，鄭焰，舒文軍，等.大傾角曲線斜井襯砌施工技術［J］.隧道建設，2009(2):109-111.

［2］中華人民共和國交通部.JTG D70—2004 公路隧道設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.