淺埋偏壓連拱隧道施工數(shù)值模擬分析★

王舒

(貴州民族大學(xué)建筑工程學(xué)院，貴州貴陽 550025)

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高速公路建設(shè)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)，尤其是在我國(guó)西部得到了大規(guī)模的發(fā)展。在高速公路建設(shè)中，隧道如雨后春筍般出現(xiàn)。在山區(qū)修建隧道時(shí)，由于受到地形及路線等因素限制時(shí)，常設(shè)計(jì)成連拱隧道，特別是在隧道進(jìn)洞段及出洞段淺埋地層中，易形成淺埋偏壓連拱隧道，給設(shè)計(jì)和施工帶來了不少困難，所以開展淺埋偏壓連拱公路隧道設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)研究具有重要意義。

本文主要概述了隧道采用中導(dǎo)洞施工方法，并且進(jìn)行了兩種不同施工順序的數(shù)值模擬分析，分別從圍巖、初期支護(hù)、中墻這三個(gè)方面對(duì)不同施工順序進(jìn)行了對(duì)比以及分析，選出合理的施工順序。

1 有限元模型建立

以依托工程為原型，建立有限元模型。在建立模型時(shí)，取地面坡角30°，淺埋側(cè)隧道埋深10 m，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，襯砌混凝土采用C25，中墻采用C25鋼筋混凝土，錨桿所在區(qū)取為加固圈，加固區(qū)圍巖級(jí)別取為Ⅳ級(jí)。各計(jì)算參數(shù)見表1。本模型選取中墻兩邊各50 m，下部選至隧道底部35 m，上部選至地面，建立有限元模型(見圖1)。

表1 計(jì)算參數(shù)表

在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，進(jìn)行了一些計(jì)算假設(shè)和簡(jiǎn)化：

1)隧道及圍巖的受力及變形是平面問題;

2)計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng)時(shí)不考慮構(gòu)造應(yīng)力，僅僅考慮自重應(yīng)力的影響;

3)二次襯砌作為安全儲(chǔ)備，計(jì)算模擬時(shí)不考慮其作用。在上面假設(shè)及簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，其模擬施工工序主要為：

a.計(jì)算初始地應(yīng)力;

b.中導(dǎo)洞開挖、支護(hù)及中墻澆筑;

c.淺(深)側(cè)隧道上臺(tái)階開挖及支護(hù);

d.淺(深)側(cè)隧道下臺(tái)階和仰拱開挖及支護(hù); e.深(淺)側(cè)隧道上臺(tái)階開挖及支護(hù);

f.深(淺)側(cè)隧道下臺(tái)階和仰拱開挖及支護(hù)。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 圍巖位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分析

本文對(duì)圍巖位移進(jìn)行分析，主要是對(duì)地表測(cè)點(diǎn)位移進(jìn)行分析比較。地表測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖2所示。現(xiàn)將圖2所示測(cè)點(diǎn)的地表位移值列成表2。

圖1 有限元模型

圖2 地表測(cè)點(diǎn)布置示意圖

表2 地表測(cè)點(diǎn)在開挖時(shí)的位移值 mm

表2列出了地表各個(gè)測(cè)點(diǎn)在每步開挖時(shí)的位移值，從中可以看出X方向各點(diǎn)位移值兩種施工順序相差不大，但是從Y方向各測(cè)點(diǎn)沉降值看幾乎都是先淺后深施工順序小于先深后淺施工順序。從控制地表沉降觀點(diǎn)出發(fā)考慮施工順序，當(dāng)然是地表沉降值越小越好，經(jīng)綜合對(duì)比分析兩種不同施工所對(duì)應(yīng)的各測(cè)點(diǎn)沉降值發(fā)現(xiàn)先淺后深施工順序要優(yōu)于先深后淺施工順序。

下面分析圍巖在每步開挖時(shí)的應(yīng)力，現(xiàn)將圍巖在每步開挖時(shí)的應(yīng)力列為表格形式，如表3所示。

表3 圍巖在每步開挖時(shí)的應(yīng)力 MPa

從表3兩種施工順序圍巖應(yīng)力的對(duì)比中可以知道，在開挖完成后圍巖的最終應(yīng)力，除XY方向的剪應(yīng)力先深后淺稍小于先淺后深外，其X，Y向應(yīng)力，無論拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力在數(shù)值上均是先深后淺施工順序大于先淺后深施工順序。

由上面的分析對(duì)比中可以知道，不論是從圍巖位移還是從圍巖應(yīng)力來出發(fā)，先淺后深的施工順序較好，更有利于施工安全地進(jìn)行。

2.2 初期支護(hù)位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分析

初期支護(hù)位移分析時(shí)采用初支斷面上幾個(gè)典型的關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行位移分析。對(duì)于初期支護(hù)來說，拱頂下沉值是其判斷位移的重要指標(biāo)之一，下面對(duì)初期支護(hù)拱頂下沉值進(jìn)行對(duì)比分析，典型位移的關(guān)鍵點(diǎn)如圖3所示。表4是兩種不同施工順序每步開挖時(shí)各點(diǎn)的拱頂下沉值。

圖3 典型位置示意圖

表4 初期支護(hù)拱頂位移值 mm

表5 初期支護(hù)典型位置應(yīng)力表 MPa

從表4可以看出單從X方向位移看較難判斷兩種施工順序的優(yōu)劣。但從Y方向位移值看在step5時(shí)，先淺后深施工順序?qū)?yīng)各點(diǎn)的沉降值為0.42 mm～3.14 mm，而先深后淺施工順序?yàn)?.46 mm～4.11 mm，前者數(shù)值均小于后者;在開挖完成時(shí)(step6)，各點(diǎn)沉降值范圍：先淺后深為1.86 mm～5.47 mm，先深后淺為1.87 mm～6.86 mm，前者均小于后者，故兩種不同施工順序比較，先淺后深施工順序即先開挖淺埋側(cè)后開挖深埋側(cè)施工順序較優(yōu)。

表5是兩種不同施工順序初期支護(hù)典型位置的應(yīng)力表。

從表5可以知道，在step6開挖完成后，先淺后深施工順序壓應(yīng)力變化范圍為0.68 MPa～8.56 MPa，先深后淺施工順序壓應(yīng)力變化范圍為1.25 MPa～7.40 MPa，除a點(diǎn)外其他各點(diǎn)壓應(yīng)力均是先深后淺施工順序大于先淺后深施工順序。從初期支護(hù)應(yīng)力對(duì)兩種施工順序進(jìn)行對(duì)比分析可得出，先淺后深施工順序要優(yōu)于先深后淺施工順序。

2.3 中墻位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分析

為了分析不同施工順序?qū)χ袎ξ灰频挠绊?，取中墻的特征點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析，中墻特征點(diǎn)如圖4所示。

圖4 中墻特征點(diǎn)示意圖

如表6所示為中墻特征點(diǎn)在每步開挖時(shí)的位移。

從表6可知，在X方向上除4點(diǎn)外其他各點(diǎn)位移在數(shù)值上均是先淺后深小于先深后淺;在Y方向上除2點(diǎn)外其他幾個(gè)點(diǎn)位移在數(shù)值上均為先深后淺大于先淺后深。故綜合對(duì)比分析，先施工淺埋側(cè)要優(yōu)于先施工深埋側(cè)。

下面把中墻應(yīng)力在不同施工順序開挖下的應(yīng)力列成表格形式，如表7所示。

從表7中可以知道，在step6開挖完成后，中墻應(yīng)力在X方向上，無論壓應(yīng)力還是拉應(yīng)力先淺后深施工順序所對(duì)應(yīng)數(shù)值均稍小于先深后淺;在Y方向上兩種不同施工順序?qū)?yīng)的最小應(yīng)力都為-0.84 MPa，最大應(yīng)力是先淺后深稍小于先深后淺;在XY方向上兩種施工順序剪應(yīng)力相等都為0.18 MPa。雖然兩種施工順序中墻最終應(yīng)力值相差不大，但是綜合考慮中墻位移及應(yīng)力，還是先淺后深施工順序要優(yōu)于先深后淺施工順序。

表6 中墻特征點(diǎn)位移 mm

表7 中墻在各步開挖時(shí)的應(yīng)力 MPa

3 結(jié)語

本文分別從圍巖位移、應(yīng)力，初期支護(hù)位移、內(nèi)力及中墻位移、應(yīng)力對(duì)兩種不同施工順序進(jìn)行了分析對(duì)比，從而得出對(duì)于淺埋偏壓連拱隧道先開挖淺埋側(cè)再開挖深埋側(cè)要優(yōu)于先開挖深埋側(cè)再開挖淺埋側(cè)。

［1］ 姚振凱，黃運(yùn)平，彭立敏.公路連拱隧道工程技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［2］ 關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［3］ JTG D70-2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］ 胡興福.高速公路淺埋偏壓連拱隧道洞口段施工技術(shù)［J］.山西建筑，2010，36(12)：136-138.