公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析

譚 濤

(江西東通交通科技股份有限公司，江西 南昌 330013)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟及基礎(chǔ)建設(shè)的高速發(fā)展，隧道建設(shè)數(shù)量越來越多，遇到的巖土地質(zhì)情況也愈加復(fù)雜。在隧道開挖時，隧道周圍巖體在應(yīng)力重分布的影響下會導(dǎo)致多方面且不同程度的損傷，故在進行隧道開挖施工時，需及時采取支護措施以確保隧道開挖掌子面及周圍巖體的穩(wěn)定[1-3]。

1 隧道工程概況

雪落寨隧道為湖北省宣恩縣內(nèi)一座單向公路隧道，設(shè)計時速40 km/h，按二級標(biāo)準設(shè)計、修筑而成。隧道起訖里程樁號：K37+225～K38+350，全長約1 125 m，屬于中長隧道。隧道路線處于直線段，其路面橫坡為雙向坡2%，隧道內(nèi)縱坡為±3%。據(jù)雪落寨隧道工程勘察報告顯示，該區(qū)巖層主要為泥質(zhì)灰?guī)r，中風(fēng)化，可見大量的灰色泥質(zhì)條紋，局部夾有白云質(zhì)灰?guī)r及炭質(zhì)灰?guī)r。隧道出口附近為粉質(zhì)黏土，局部夾2～4 cm灰質(zhì)碎塊，圍巖等級為Ⅳ～Ⅴ級。

隧道采用臺階法開挖，采用復(fù)合式襯砌進行支護。初期支護由錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土以及工字鋼鋼架等組合而成，二次襯砌采用素混凝土進行模筑。

2 有限元計算分析

2.1 模型建立

為研究支護結(jié)構(gòu)對隧道圍巖應(yīng)力及變形的影響，本文選取隧道Ⅴ級圍巖段K37+230處典型斷面，利用Flac3D有限差分軟件建立數(shù)值模型。該段隧道埋深45 m，最大開挖洞徑11.38 m，最大開挖高度9.79 m?？紤]到圍巖應(yīng)力重分布影響范圍一般為隧道半徑的3～5倍，為了減少邊界效應(yīng)的不利影響，本文模型尺寸設(shè)置為100 m×80 m，如圖1所示。在計算過程中，對實際工程條件進行了簡化，具體為：將圍巖視為理想的彈塑性介質(zhì)，僅考慮圍巖自重應(yīng)力的影響，不考慮地下水及構(gòu)造應(yīng)力等因素，且?guī)r體力學(xué)特性遵循摩爾-庫倫破壞準則。

圖1 數(shù)值計算模型

2.2 計算參數(shù)

根據(jù)依托工程地質(zhì)勘查報告和隧道支護設(shè)計規(guī)范[4-5]，同時類比其他相似工程，本文選用材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖及支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

3 圍巖應(yīng)力及變形分析

隧道周圍巖體在每次受到開挖擾動時，其內(nèi)部的應(yīng)力會重新分布以達再次穩(wěn)定，圍巖的位移也隨之發(fā)生變化。當(dāng)開挖后進行支護時，支護結(jié)構(gòu)與圍巖形成的整體共同承擔(dān)圍巖的變形，其應(yīng)力和位移變化情況與未進行支護時不同。

3.1 圍巖應(yīng)力分析

隧道開挖后圍巖最大主應(yīng)力分布云圖如圖2所示。由圖2(a)可知，在無支護開挖的條件下，隧道周圍應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，尤其在拱頂和仰拱部位，其應(yīng)力值達到2.95 kPa，表現(xiàn)為拉應(yīng)力，而拱腳處最大主應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力；由圖2(b)可知，當(dāng)隧道開挖進行支護后，應(yīng)力集中部位主要位于隧道邊墻處，應(yīng)力值僅為717.8 kPa，表現(xiàn)為拉應(yīng)力，仰拱處最大主應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力。綜合對比圖2(a)和圖2(b)，可知，支護結(jié)構(gòu)明顯改善了開挖后隧道周圍應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖2 最大主應(yīng)力分布云圖

3.2 圍巖變形分析

隧道開挖后圍巖的水平位移和豎直位移分布云圖如圖3和圖4所示。由圖3(a)可知，在無支護開挖條件下，隧道拱腰至邊墻的水平位移最大，左側(cè)最大值為5.10 mm，表現(xiàn)為向右擠壓，右側(cè)最大值為5.11 mm，表現(xiàn)為向左擠壓；由圖3(b)可知，隧道開挖進行支護后，隧道發(fā)生最大水平位移的位置由邊墻轉(zhuǎn)移至仰拱兩側(cè)底部，且最大水平位移值為2.70 mm左右。綜合對比圖3(a)和圖3(b)可知，隧道周邊的水平位移大致呈對稱趨勢，由于支護結(jié)構(gòu)的存在，發(fā)生最大水平位移的位置發(fā)生轉(zhuǎn)變，且最大水平位移值減小了超過50%。

圖3 水平位移分布云圖

由圖4可知，無論有無支護結(jié)構(gòu)，圍巖豎向位移最大處始終發(fā)生在拱頂和仰拱底部，拱頂處表現(xiàn)為向下沉降，仰拱底部表現(xiàn)為向上隆起。在無支護開挖條件下，拱頂最大沉降值為16.7 mm，仰拱底部最大隆起值為16.3 mm，而在隧道開挖進行支護后，拱頂最大沉降值為11.6 mm，相比無支護時減小了30%以上，仰拱底部最大隆起值為15.2 mm。由此可見，支護結(jié)構(gòu)可以明顯減小隧道拱頂?shù)某两滴灰啤?/p>

由圖3和圖4可知，支護結(jié)構(gòu)的存在可以明顯減小隧道圍巖的位移情況。因此，在級別較低的圍巖中開挖隧道時，要及時進行支護，避免隧道因發(fā)生過大位移而引起工程事故。

4 影響襯砌結(jié)構(gòu)支護效果的因素分析

襯砌是一種永久性支護結(jié)構(gòu)，也可稱之為一種支護體系，它的作用是阻止圍巖發(fā)生大的變形或者坍塌，主要由混凝土、鋼筋等材料構(gòu)成。實際工程中，隧道所處地質(zhì)條件各有不同，巖石產(chǎn)狀、走向也頗為復(fù)雜，故而對支護結(jié)構(gòu)的要求也不盡相同，因此有必要對襯砌的厚度及襯砌結(jié)構(gòu)形式等影響支護效果的因素進行分析。

圖4 豎直位移分布云圖

4.1 襯砌厚度的影響

為了研究襯砌厚度對圍巖支護效果的影響，本文在保證模型其他因素不變的情況下，取襯砌厚度分別為25 cm、30 cm、35 cm進行隧道開挖模擬計算，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，隧道開挖過程中拱頂及拱底處變形量最大，而拱肩、邊墻及拱腳處變形較小，通過與無支護條件下隧道各關(guān)鍵部位的變形相比可知，在施作襯砌后，圍巖的變形均明顯減小。以拱頂處變形為例，在無支護條件下，拱頂變形為16.67 mm，襯砌厚度為0.25 mm、0.30 mm和0.35 mm時，拱頂變形分別為11.5 mm、11.18 mm和10.92 mm，因此支護結(jié)構(gòu)能夠有效減小隧道的變形，從而提升施工的安全性。對比三種厚度襯砌支護作用下的結(jié)果可知，襯砌厚度越厚，其支護效果越好。但隨著厚度越來越大，其支護效果的增益逐漸減少。因此，在實際施工過程中，要選擇合適的襯砌厚度，從而兼顧施工質(zhì)量和經(jīng)濟效益。

表2 三種襯砌厚度下圍巖關(guān)鍵部位變形比較

4.2 襯砌結(jié)構(gòu)形式的影響

為了研究襯砌結(jié)構(gòu)形式對圍巖支護效果的影響，在保證模型其他因素不變的條件下，本文采用三種形式的襯砌結(jié)構(gòu)進行隧道開挖模擬計算，采用的襯砌結(jié)構(gòu)形式包括噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土+錨桿和噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)+錨桿，結(jié)果如表3所示。為了便于表達，本文分別用A、B和C代表以上三種襯砌結(jié)構(gòu)形式。

對比支護方式A和B下所得結(jié)果與無支護下的結(jié)果可知，A支護方式的支護效果比B支護方式要好近50%，這是由于錨桿的主要作用是錨固隧道周圍較大范圍的巖體，而鋼筋網(wǎng)則是針對隧道輪廓進行支撐的結(jié)構(gòu)，因此對隧道圍巖變形的控制效果更好；對比A、B、C三種支護方式可知，在混凝土、鋼筋網(wǎng)和錨桿三種結(jié)構(gòu)組成的支護體系下，隧道周邊圍巖的變形得到了最佳的控制。

表3 不同支護形式下圍巖關(guān)鍵部位變形比較

5 結(jié) 論

(1)支護結(jié)構(gòu)可以明顯改善圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象，在開挖進行支護后，隧道周圍發(fā)生應(yīng)力集中的范圍明顯減少，且最大主應(yīng)力值明顯減??；

(2)支護結(jié)構(gòu)可以有效降低圍巖的位移值，在開挖進行支護后，最大水平位移和最大豎向位移分別減小了50%和30%以上；

(3)隨著襯砌厚度的增加，隧道周圍變形量明顯減小，但支護效果的增益也逐漸減小，因此要根據(jù)實際工程確定合理的襯砌厚度；

(4)噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)和錨桿的聯(lián)合支護系統(tǒng)可以有效控制隧道周邊圍巖的變形。