硬巖條件下半噴混凝土快速支護(hù)施工的三維仿真分析

鄭欣（重慶交通大學(xué)，重慶　400074）

?

硬巖條件下半噴混凝土快速支護(hù)施工的三維仿真分析

鄭欣
（重慶交通大學(xué)，重慶400074）

摘要：本文依托粵湘高速公路博羅至深圳段水澗山隧道，全過程力學(xué)仿真模擬研究了半噴混凝土快速施工技術(shù)，通過對(duì)圍巖變形過程及大小、圍巖應(yīng)力與塑形區(qū)、兩次半噴混凝土的應(yīng)力分布與量值、系統(tǒng)錨桿的受力等力學(xué)指標(biāo)值的變化規(guī)律，分析隧道圍巖自穩(wěn)與自承性能、支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全度.為今后同類的工程提供了寶貴經(jīng)驗(yàn).

關(guān)鍵詞：半噴混凝土；快速施工；圍巖；力學(xué)指標(biāo)；安全度

1　依托工程

粵湘高速公路博羅至深圳段水澗山隧道是博深高速的控制性工程，隧道左線全長(zhǎng)2929m，右線全長(zhǎng)2906m，整個(gè)隧道穿越具有“小九寨”之稱的東莞市銀屏山自然風(fēng)景保護(hù)區(qū).水澗山隧道屬長(zhǎng)三車道大斷面公路隧道，由于銀瓶山自然保護(hù)區(qū)對(duì)環(huán)境保護(hù)嚴(yán)格要求，洞身段禁止開設(shè)斜井與橫向通道，只能從另一端洞口長(zhǎng)距離獨(dú)頭掘進(jìn)，頭掘進(jìn)距離高達(dá)2929m.隧址區(qū)地表巖性主要為破殘積土層及風(fēng)化層組成，洞身圍巖為白堊系下統(tǒng)白云嶂組熔結(jié)凝灰?guī)r，巖性單一，未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)存在，隧道場(chǎng)地屬較穩(wěn)定地塊，工程地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)洞身圍巖級(jí)別主要為III級(jí).

2　計(jì)算方案

III級(jí)圍巖按上下臺(tái)階法開挖，不設(shè)仰拱，開挖步序如圖1所示，臺(tái)階長(zhǎng)度與平面推進(jìn)圖如圖2所示，其開挖與支護(hù)順序?yàn)椋?/p>

（1）上臺(tái)階①開挖一個(gè)循環(huán)，長(zhǎng)度3.6m（相當(dāng)于3榀鋼架距離），初噴、掛鋼筋網(wǎng)、立格柵鋼架并半噴混凝土至10cm；

（2）待上臺(tái)階掌子面進(jìn)至25m后，開挖下臺(tái)階，初噴、掛鋼筋網(wǎng)、立格柵鋼架，敷設(shè)拱墻系統(tǒng)錨桿，并補(bǔ)噴10cm至設(shè)計(jì)厚度.

（3）待施工監(jiān)測(cè)穩(wěn)定后施做二次襯砌混凝土.

圖1　III級(jí)圍巖開挖步序圖

圖2　III級(jí)圍巖開挖平面布置圖

3　計(jì)算理論

采用國(guó)際先進(jìn)巖土工程軟件FLAC3D對(duì)半噴施工工藝過程進(jìn)行全過程仿真分析.該軟件是由美國(guó)明尼蘇達(dá)ITASCA軟件公司開發(fā)的顯式有限差分程序.目前該軟件已從二維平面分析拓展到三維空間分析，成為處理功能強(qiáng)大的新一代軟件—FLAC3D.

3.1FLAC程序中的彈塑性本構(gòu)模型

FLAC程序可以模擬彈性模型、Mohr－Coulomb準(zhǔn)則[1]、應(yīng)變強(qiáng)化和應(yīng)變軟化模型等6種材料，并且各種模式之間可以相互耦合，以用來模擬各種復(fù)雜的巖土工程問題,能更真實(shí)地模擬實(shí)際材料的力學(xué)行為.

Mohr－Coulomb的破壞準(zhǔn)則是張拉剪切的綜合組合.假設(shè)給三個(gè)主應(yīng)力編號(hào)，定義如下：

這個(gè)準(zhǔn)則可以用下圖3來解釋，用Mohrcoulomb破壞準(zhǔn)則描繪從點(diǎn)A到點(diǎn)B破壞包絡(luò)線. fs=0，即

圖3　Mohr－Coulomb破壞準(zhǔn)則

3.2計(jì)算模型及邊界條件

模型網(wǎng)格如圖4～6所示.仿真分析中，為實(shí)現(xiàn)兩次初期支護(hù)混凝土噴射，每層混凝土均采用實(shí)體單元模擬，其好處是可以直接獲得每層噴射混凝土單元的應(yīng)力值.

圖4　模型網(wǎng)格圖全貌

圖5　開挖隧道有限差分離散網(wǎng)格圖

兩層噴射混凝土差分物理網(wǎng)格圖如圖6所示.為方便建模與程序計(jì)算，本次計(jì)算將格柵處噴混凝土仍按半噴處理.

圖6　噴射混凝土物理網(wǎng)格圖

錨桿采用FLAC中專用的錨桿單元cable進(jìn)行模擬計(jì)算，間距按照設(shè)計(jì)間距1.2m×1.2m，梅花形布置.偏于保守估計(jì)，巖體力學(xué)參數(shù)按照公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D70- 2004）給出的III級(jí)圍巖各指標(biāo)值下限選取[2]，如表1所示.

表1　計(jì)算參數(shù)表

邊界的處理為：頂部距離拱頂埋深60m，自由表面；左右邊界距離隧道中心距離為3.5D，水平位移約束；底部邊界距離隧道底部3D，豎向位移約束；隧道縱向長(zhǎng)度取40m，縱向邊界面采用水平位移約束.（注：D為隧道開挖跨度，等于16.8m）

4　快速施工力學(xué)過程分析

4.1圍巖變形

為避免邊界效應(yīng)，取縱向Z=10.8m處為研究斷面，觀察該斷面的沉降與水平位移.最終豎向位移云圖如圖7所示，水平位移云圖如圖8所示.

圖7　圍巖豎向位移云圖（m）

圖8　圍巖水平位移云圖（m）

為觀察施工過程中圍巖的變形動(dòng)態(tài)，布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)位如圖9所示，其中A為拱頂沉降，B為水平收斂.計(jì)算結(jié)果如圖10～12所示.

圖9　監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置圖

圖10　拱頂沉降歷時(shí)曲線圖

從圖10可以看出，拱頂沉降最終值為5.1mm，小于隧道設(shè)計(jì)規(guī)范要求的最小值7.3mm，表明采用半噴混凝土快速施工時(shí)，圍巖穩(wěn)定.此外，掌子面開挖至研究斷面（z=10.8m）時(shí)，拱頂沉降為2.1mm，位移釋放率為0.40；復(fù)噴第二次半噴混凝土?xí)r，圍巖位移釋放率為0.87.這表明初次半噴混凝土所承擔(dān)的位移釋放率為0.47，即2.4mm.由于半噴混凝土的柔性，完全能夠承載這一部分位移，并允許圍巖應(yīng)力作相應(yīng)的調(diào)整與釋放，以便充分發(fā)揮其自承能力.

圖11　水平收斂歷時(shí)曲線圖

圖11表明水平位移很小，這與III級(jí)圍巖巖體強(qiáng)度較高、側(cè)壓力不大有顯著關(guān)系.因其量值太小，最大值0.8mm，不至引起圍巖不穩(wěn)定松弛，此處不作深入分析.

4.2圍巖應(yīng)力

以拉應(yīng)力為正，則最小主應(yīng)力代表了最大壓應(yīng)力.研究斷面圍巖的最大壓應(yīng)力云圖如圖12所示，最大拉應(yīng)力云圖如圖13所示.

據(jù)圖12分析，圍巖最大壓應(yīng)力在墻腳處產(chǎn)生應(yīng)力集中，但量值不大，僅為4.45MPa.III級(jí)圍巖多為堅(jiān)硬巖或較堅(jiān)硬巖，其單軸飽和抗壓強(qiáng)度>30MPa，因此，圍巖強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巖體中應(yīng)力，圍巖不會(huì)發(fā)生壓潰失穩(wěn).

據(jù)圖13分析，圍巖最大拉應(yīng)力僅出現(xiàn)在仰拱位置，但量值不大，為500kPa.拱頂仍然為壓應(yīng)力，不會(huì)發(fā)生抗拉失效破壞.

4.3圍巖塑形區(qū)

如圖14所示，III級(jí)圍巖局部存在塑性區(qū)[3]，出現(xiàn)部位為仰拱接近墻腳處以及邊墻局部.由于塑形區(qū)分散于局部，未構(gòu)成連通面，對(duì)隧道整體穩(wěn)定性不構(gòu)成影響.

圖12　圍巖最大壓應(yīng)力云圖（Pa）

圖14　圍巖塑形區(qū)圖

4.4噴射混凝土應(yīng)力

研究斷面第一次半噴混凝土應(yīng)力分布如圖15～16所示，第二次半噴混凝土應(yīng)力分布如圖17～18所示.

圖17　第二次半噴混凝土最大主應(yīng)力云圖（Pa）

由圖15、圖16分析可知，內(nèi)外兩次半噴混凝土受到一定大小的拉應(yīng)力，一般發(fā)生在拱頂，局部發(fā)生在邊墻拱墻想接部位，但量值不大，最大為0.6MPa，小于C20噴射混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.13MPa，受拉安全系數(shù)1.88，處于安全范圍.

由圖17、圖18分析可知，內(nèi)外兩次半噴混凝土最大壓應(yīng)力為3.59MPa，遠(yuǎn)小于C20噴射混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值11MPa，處于安全范圍.

4.5系統(tǒng)錨桿受力

系統(tǒng)錨桿采用cable單元模擬[4- 5]，如圖19所示.

系統(tǒng)錨桿在上臺(tái)階推進(jìn)25m后與下臺(tái)階噴射混凝土一起施做，其計(jì)算結(jié)果如圖20所示.計(jì)算表明，錨桿主要承受拉力，拱部錨桿受拉很小，邊墻錨桿受拉力較大，最大拉力為11.3kN.墻腳部位錨桿局部受壓，作用不大.

通過錨桿的受力分析，建議在實(shí)際施工過程中，在第二次半噴混凝土?xí)r，通過觀察拱部圍巖裂隙情況以及監(jiān)控量測(cè)穩(wěn)定狀況，酌情減去拱部錨桿，只在邊墻敷設(shè)系統(tǒng)錨桿.這樣做可以獲得四大好處：（1）減少拱部錨桿作業(yè)的難度；（2）減少作業(yè)量；（3）節(jié)省材料與人工費(fèi)用；（4）加快施工進(jìn)度.

5　結(jié)論

結(jié)果表明，半噴混凝土快速施工方案切實(shí)可行，而且預(yù)設(shè)計(jì)中系統(tǒng)錨桿支護(hù)參數(shù)也存在進(jìn)一步優(yōu)化的余地，建議實(shí)際施工時(shí)依據(jù)拱部圍巖節(jié)理裂隙以及監(jiān)控量測(cè)信息反饋，優(yōu)化系統(tǒng)錨桿的施作與否、敷設(shè)部分，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)與快速施工的和諧統(tǒng)一.

參考文獻(xiàn)：

〔1〕賈善坡，陳衛(wèi)忠，楊建平，陳培帥.基于修正Mohr -Cou1omb準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型及其數(shù)值實(shí)施[J].巖土力學(xué)，2010（07）:2051-2058.

〔2〕中華人民共和國(guó)交通部.JTG D70-2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2004.

〔3〕劉貴，韓邦華，邢峰，郭文印，杜克輝.條帶開采煤柱塑性區(qū)寬度的數(shù)值模擬與計(jì)算[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009（03）:4-6+37.

〔4〕鮑生才.深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2014（S2）:1941-1945.

〔5〕陳力華，林志，李星平.公路隧道中系統(tǒng)錨桿的功效研究[J].巖土力學(xué)，2011（06）:1843-1848.

中圖分類號(hào)：TU755.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673- 260X（2015）03- 0124- 04