雙洞八車道小凈距公路隧道七步臺階法開挖數值模擬

張強鋒,張文婷

(西南交通大學峨眉校區,四川峨眉山 614202)

1 概述

三臺階七步開挖法是以弧形導坑預留核心土法為基本模式,分上、中、下3個臺階開挖面,各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開,平行推進的施工作業方法[1]。該方法適用于開挖斷面為100～180 m2,具有一定自穩能力的Ⅳ、Ⅴ級圍巖,由于其多方面的優點在鐵路大斷面隧道已經得到廣泛的應用[2-6]。而雙洞八車道公路隧道在Ⅳ級圍巖中,單洞開挖斷面達到220 m2,且小凈距使左右洞相互影響,使用七步臺階法開挖是否可行是一個很有意義的課題。因此,本文依托廣深沿江高速公路牛頭山隧道,利用有限差分軟件研究雙洞八車道小凈距公路隧道七步臺階法施工過程中初期支護結構位移、內力的動態特征,為七步臺階法在超大斷面公路隧道中的應用推廣打下基礎。

2 工程背景

牛頭山隧道為雙洞八車道小凈距公路隧道,全長373 m。圍巖主要是中、強、全風化混合片麻巖。隧道埋深30 m,左、右線隧道開挖跨度均為20 m,左、右線隧道間凈距為18 m,初期支護采用厚27 cm C25微纖維全環濕噴混凝土,φ25 mm中空注漿錨桿4.5 m@(縱×環)0.75 m×1 m,I20a型鋼間距0.75 m,中間巖柱加固采用φ25自進式錨桿6 m@(縱×環)0.75 m×1 m及φ43 mm注漿錨管4.5 m@(縱×環)0.75 m×1 m,采用七步臺階法施工,開挖步序見圖1。

圖1 開挖步序

3 計算模型

本次計算采用有限差分軟件Flac進行,模型水平方向為200 m,每邊100 m,約5倍跨徑,豎向為120 m,其中洞頂以上按埋深取30 m,洞底以下約55 m；隧道縱向方向取1 m,按照平面力學問題計算。總計劃分網格25 440個,節點數51 502個。模型中注漿加固區、初期支護、圍巖均采用實體單元。圍巖本構關系采用理想彈塑性模型,并服從Mohr-Coulomb屈服準則[7-8]。計算模型網格劃分如圖2所示。

圖2 計算模型

4 計算參數

根據現場的地質條件及《公路隧道設計規范》(JTJD07—2004)[9],選取Ⅳ級圍巖計算參數。錨桿的加固效果根據經驗通過提高圍巖的物理力學參數來模擬[10]。鋼拱架的作用采用抗彎剛度等效予以考慮,即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土。具體參數見表1。

表1 Ⅳ級圍巖計算參數

5 計算結果

5.1 初期支護應力

由于篇幅有限,僅列舉部分施工步序的最大和最小主應力云圖,見圖3。

由圖3可知：

(1)洞周邊最大主應力為拉應力,最小主應力為壓應力,但是應力的絕對值以最小應力最大,它們各自控制著巖體的拉伸破壞與壓縮破壞；

(2)隧道支護最大拉應力主要發生在拱頂和仰拱中部,最大壓應力主要發生在各部開挖后的拱腳或墻角,因此施工各部時應加強拱腳或墻角支護,設置鎖腳錨桿(管)、鋼架縱向連接鋼筋等。

(3)左洞各導坑步開挖完成后,初期支護最大壓應力為9.7 MPa,最大拉應力為0.104 MPa,當右洞開外完成時,最大壓應力為11.6 MPa,最大拉應力0.227 MPa,最大壓應力增加量為19.6%,最大拉應力增加量為118.3%。

(4)隧道初期支護結構最大主應力滿足規范[9]要求,初期支護處于安全狀態。

5.2 初期支護軸力

為了解初期支護內力隨施工步序變化情況,設置了以下內力監測點位,如圖4所示。

圖4 隧道支護結構內力監測點布置

隧道初期支護各測點軸力隨施工步序變化規律見圖5。

圖5 支護結構監測點軸力隨施工步序變化規律

由圖5可知：

(1)左右洞所有測點軸力均為壓力(負值),左洞先開挖且受右洞開挖影響,初期支護內力整體大于右洞。

(2)左洞初期支護最大軸力分布在右邊墻上部(測點5),左邊墻(測點7)、右邊墻中部(測點8)和右拱腳(測點4)軸力也較大,這是由于隧道扁平,左右邊墻承受拱部傳遞的荷載大,而右洞開挖對中巖柱擾動使左洞右邊墻及右拱腳軸力更大；最小軸力分布在仰拱中部(測點11)。右洞初期支護最大軸力分布在左邊墻中部(測點8),最小軸力分布在兩拱腰(測點4、6)和仰拱中部(測點11)。

(3)左洞部分測點(3、5、7)由于后續施工步序開挖對圍巖多次擾動,圍巖應力重分布導致支護結構軸力波動,隨著施工步不斷推進,支護結構軸力逐漸增加,當施工步序開挖至12步時,軸力逐漸趨于穩定。右洞部分測點(2、5、7)軸力亦有波動,后逐漸趨于穩定。

(4)左洞開挖完畢后,初期支護拱頂軸力約為-1 105.2 kN,右邊墻上部軸力量值約為-2 267.96 kN,左邊墻上部軸力量值約為-2 106.00 kN；當右洞開挖完畢后,拱頂軸力約為-1 271.93 kN,右邊墻上部軸力量值約為-2 710.63 kN,左邊墻上部量值約為-2 398.97 kN,左右邊墻軸力增加分別為19.5%和14%。

5.3 初期支護彎矩

隧道初期支護各監測點彎矩隨施工步序變化規律見圖6。

圖6 支護結構監測點彎矩隨施工步序變化規律

由圖6可知：

(1)除左洞兩拱腰(測點4、6)彎矩為正,其余彎矩為負(內側受拉,外側受壓),在彎矩值上,左右兩洞相差小。

(2)左洞負彎矩中最大彎矩分布在拱頂左側(測點2),左邊墻上部(測點7)、右邊墻中部(測點8)和仰拱右側(測點12)彎矩值也較大,最小彎矩分布在仰拱中部(測點11)。右洞最大彎矩分布在拱頂右側(測點3),拱頂左側(測點2)和左邊墻中部(測點8)彎矩值也較大,最小彎矩分布在仰拱中部(測點11)。

(3)左洞部分測點(2、3、5、7)和右洞部分測點(2、3、5、7)由于后續施工步序開挖對圍巖多次擾動,圍巖應力重分布導致支護結構彎矩波動,隨著施工步不斷推進,支護結構彎矩逐漸增加,并逐漸趨于穩定。

(4)左洞除測點8、10、12外,其他各點在左洞開挖完畢后,逐漸趨于穩定,右洞開挖對其影響較小。左洞右邊墻中部(測點8)、仰拱左側(測點10)和仰拱右側(測點12)在左洞開挖完成和右洞完成后的彎矩值分別是-10.08、-3.87、-4.06和-12.17、-5.9、-10.7 kN·m,增幅分別為20.7%、52.5%、163.5%,說明右洞開挖對左洞這些部位影響明顯。

5.4 初期支護位移

隧道周邊5個位移監測點見圖7。

隧道周邊位移的計算值見圖8。

注：1點為拱頂,2點為左拱腰,3點位右拱腰,4點為左拱腳,5點為右拱腳。

圖8 隧道監測點位移變化規律

由圖8可知：

(1)左右洞拱頂位移值均為最大,左洞右拱腳、右洞左拱腳位移值最小,這是因為小凈距使兩洞各自遠離中巖柱的一側變形較小；

(2)左洞開挖初期位移快速增加,第4步后趨于平穩,在右洞開挖(第7步)后有突然增大,后又趨于穩定；右線隧道開挖后位移有增加現象,在第11步后趨于穩定；

(3)左洞施工完畢后,其拱頂沉降量最大13.2 mm,當右洞施工完成,左洞拱頂沉降量增加至15.5 mm,增加17.4%。

6 結論

(1)隧道支護最大拉應力主要發生在拱頂和仰拱中部,最大壓應力主要發生在各部開挖后的拱腳或墻角,因此施工各部時應加強拱腳或墻角支護,設置鎖腳錨桿(管)、鋼架縱向連接鋼筋等。

(2)左右洞初期支護軸力均為壓力(負值),左洞軸力值整體大于右洞。彎矩主要為負(內側受拉,外側受壓),且彎矩值左右兩洞相差小。

(3)左右洞軸力、彎矩隨各部開挖有波動,但逐漸趨于穩定。左右洞最大軸力分布在兩洞靠近中間巖柱的邊墻和墻角,左洞軸力值更大；最大彎矩分布在拱頂,邊墻和仰拱彎矩值也較大。

(4)右洞開挖使左洞的右邊墻中部、仰拱左側和仰拱右側的彎矩明顯增大,表明右洞開挖對這些部位影響明顯。右洞開挖使左洞軸力的增加約20%,即對左洞軸力影響較小。

(5)左右洞拱頂位移最大,遠離中間巖柱的拱腳和拱腰相對于靠近中間巖柱的拱腳和拱腰位移值較小；各部位移初期快速增大,后趨于穩定；右洞開挖對左洞位移影響較小。

(6)根據初期支護施工位移和內力,七步臺階法在雙洞八車道小凈距公路隧道施工中是可行的。

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