彭雪峰 張航 錢志豪 王宗學(xué)
摘要:雙側(cè)壁導(dǎo)坑法常用于散巖堆積體隧道的施工中。為研究雙側(cè)壁導(dǎo)坑法合理開挖順序,文章以火鳳山隧道(雙線隧道)為工程背景,采用拉格朗日有限差分軟件FLAC3D建立土體三維計(jì)算模型,對(duì)兩種不同開挖順序進(jìn)行數(shù)值模擬,分析不同施工順序下圍巖位移、圍巖應(yīng)力及初期支護(hù)應(yīng)力情況,最終得出合理的開挖順序。
關(guān)鍵詞:散巖堆積體;公路隧道;雙側(cè)壁導(dǎo)坑法;數(shù)值模擬
0 引言
雙側(cè)壁導(dǎo)坑法又稱為“眼鏡法”,該開挖技術(shù)對(duì)圍巖初期支護(hù)采用鋼拱架、混凝土柔性支護(hù)。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法將大斷面隧道分為幾個(gè)小斷面進(jìn)行施工,能夠充分發(fā)揮圍巖的自承作用,在大斷面隧道施工中,有極大優(yōu)勢(shì)[1]。但由于其施工復(fù)雜,成本較高[2],且有時(shí)需在洞外采用相應(yīng)加固措施[3],故只在圍巖條件較差的情況下使用。目前學(xué)者也對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行了很多研究。
安寧[4]對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在V級(jí)圍巖的運(yùn)用進(jìn)行了介紹,包括施工工藝流程和初期支護(hù)施工步驟。郭洪濤[5]以西安地鐵六號(hào)線為例,對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法修建的淺埋暗挖大斷面隧道二襯的施工方案進(jìn)行優(yōu)化,為解決雙側(cè)壁導(dǎo)坑法臨時(shí)支撐體系受力復(fù)雜等問題提供了參考。李進(jìn)[6]以廣州地鐵暗挖隧道施工作為案例,為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在地鐵工程施工中的運(yùn)用提供了參考。曾帥[7]以某地鐵項(xiàng)目為例,通過建模分析,結(jié)合工程特點(diǎn),對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序進(jìn)行了優(yōu)化,以達(dá)到更加安全施工的目標(biāo)。史智超[8]以九峰隧道為例,分析雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在大跨距隧道中的施工要點(diǎn),為類似隧道施工提供了參考。王振學(xué)[9]指出了雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工工程中勞動(dòng)力、機(jī)械設(shè)備的配置,使雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工細(xì)節(jié)不斷完善。
通過大量學(xué)者的研究,可以看出雙側(cè)壁導(dǎo)坑法具有很好的利用前景,但目前對(duì)于雙層壁導(dǎo)坑法的研究大多為施工要點(diǎn),如檢測(cè)項(xiàng)目、二次襯砌的施工等,而對(duì)于其施工順序的研究,國(guó)內(nèi)還較少。同時(shí)在大斷面隧道開挖計(jì)算中,需要對(duì)實(shí)際的開挖方案進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。為減小計(jì)算量,并減小誤差,合適的計(jì)算軟件可以對(duì)實(shí)際施工進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)高效施工[10]。故本文基于重慶曾家?guī)r火鳳山隧道(因其具有小凈距、超淺埋、偏壓等特性,且圍巖級(jí)別較差,適宜采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法),運(yùn)用FLAC3D軟件進(jìn)行建模計(jì)算,分析雙側(cè)壁導(dǎo)坑法合理施工順序。
1 工程概述
本項(xiàng)目所依托工程火鳳山隧道場(chǎng)地內(nèi)地形地貌較復(fù)雜,水文地質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單。區(qū)內(nèi)上覆第四系松散堆積層塊石,厚5~20 m,松散至中密,現(xiàn)狀穩(wěn)定。場(chǎng)地地震烈度為Ⅷ度,地震動(dòng)峰值加速度為0.30 g,地震反應(yīng)譜特征周期為0.40 s,區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,地殼抬升明顯,屬抗震不利地段,有地震引起巖堆局部失穩(wěn)或表層松動(dòng)可能,同時(shí)對(duì)危巖的穩(wěn)定性也存在不利影響。隧道進(jìn)口大面積覆蓋第四系崩坡積層塊石,厚度變化大,自然坡度約為38°~45°,坡面植被較發(fā)育,多為灌木和雜草組成,石質(zhì)成分為花崗巖,局部粉粘粒和砂土富集,大多呈松散至稍密狀,骨架多具架空現(xiàn)象。坡面總體向喇嘛嘴溝溝體方向傾斜,傾向約348°~355°,該巖堆目前處于穩(wěn)定狀態(tài),不存在變形破壞跡象。但該區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度,地震活動(dòng)頻繁,隧道開挖后,拱部圍巖自穩(wěn)能力差,自穩(wěn)時(shí)間短,無支護(hù)或支護(hù)不到位時(shí),易產(chǎn)生掉塊或較大的坍塌等,局部段易冒頂,且易造成巖堆失穩(wěn)。在實(shí)際工程中ZK2+500.000~ZK2+590.000段、YK1+930~YK2+343段、ZK2+967.000~ZK3+095.876段及YK2+520~YK2+660段因地質(zhì)條件較差,采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法,為了施工順利進(jìn)行,有必要對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法正確施工順序進(jìn)行研究。
2 模型建立
本文針對(duì)火鳳山隧道,提出采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行開挖,有兩種不同的開挖順序方案,兩種雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的開挖順序如圖1所示。
方案一開挖順序:異側(cè)導(dǎo)坑開挖支護(hù),先開挖上臺(tái)階,再開挖下臺(tái)階,最后開挖中導(dǎo)坑臺(tái)階仰拱模筑混凝土。
方案二開挖順序:先開挖同側(cè)導(dǎo)坑上下臺(tái)階,最后開挖中部導(dǎo)坑。
以采用兩種不同開挖順序的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行隧道開挖,研究隧道圍巖和初期支護(hù)的受力及位移特征,分析兩個(gè)開挖階段下隧道洞口段圍巖應(yīng)力特征以及各開挖階段圍巖與初期支護(hù)的受力特點(diǎn),并討論進(jìn)洞30 m、60 m兩個(gè)斷面拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和拱底的位移變化情況。
本文根據(jù)火鳳山隧道縱斷面地質(zhì)資料,利用FLAC3D軟件建立三維網(wǎng)格模型,山體范圍沿隧道縱向取60 m,橫向?qū)挾葹樗淼乐行木€向邊側(cè)取70 m,底部取到隧道底部以下35 m處,頂部至自然坡面。隧道圍巖特性按彈塑性材料考慮,采用Mohr—Coulomb準(zhǔn)則,圍巖采用實(shí)體單元,錨桿使用cable單元,噴射混凝土層和鋼筋網(wǎng)根據(jù)抗壓強(qiáng)度等效準(zhǔn)則合并使用shell單元,鋼拱架使用beam單元。計(jì)算模型如圖2所示。
隧道圍巖按照彈塑性體考慮,地層設(shè)計(jì)參數(shù)參考火鳳山隧道地層資料。對(duì)于設(shè)計(jì)中的超前加固手段,如管棚法及小導(dǎo)管錨桿,擬對(duì)加固區(qū)采用提高圍巖材料參數(shù)的方法來進(jìn)行模擬。具體計(jì)算參數(shù)如表1所示。
3 計(jì)算結(jié)果及分析
3.1 圍巖位移分析
按照不同開挖順序方案,運(yùn)用有限元軟件對(duì)該隧道開挖與支護(hù)進(jìn)行模擬計(jì)算,主要研究隧道圍巖的受力及位移特征,以得到各種工法位移場(chǎng)的相關(guān)模擬結(jié)果,并討論了進(jìn)洞60 m的目標(biāo)斷面位移變化情況。選取各工法在監(jiān)測(cè)斷面60 m處的隧道各點(diǎn)的豎向位移(見圖3~4),在FLAC3D軟件中位移的正值代表向右、向上的變形,位移的負(fù)值代表向左、向下的變形。運(yùn)用Origin軟件,對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,繪制拱頂豎向位移變形曲線圖,并且在隧道開挖時(shí)對(duì)掌子面周圍處圍巖的變形特征以及周圍圍巖的受力特征進(jìn)行了分析。
從圖3~4可知,隨著圍巖的不斷開挖,隧道埋深逐漸增大,隧道各特征點(diǎn)的最大位移值也不斷增大。在掌子面前方一定范圍內(nèi),即開挖斷面還未達(dá)到監(jiān)測(cè)斷面的部分區(qū)域已經(jīng)產(chǎn)生了一定的變形,但是變形較小。當(dāng)開挖斷面推進(jìn)到監(jiān)測(cè)斷面時(shí),隨著開挖面的推進(jìn),拱頂下沉不斷增大。其特點(diǎn)是初期下沉速率很大,后期速度逐漸減緩,并趨于穩(wěn)定。方案一與方案二趨勢(shì)類似。
雙側(cè)壁導(dǎo)坑方案一,從隧道豎向位移來看:隧道沉降最大位移位于拱頂,隆起最大位移位于隧道拱底。左線隧道30 m、60 m斷面拱頂沉降最大值分別達(dá)到7.07 cm和14.41 cm;30 m和60 m斷面底部隆起最大值分別達(dá)到7.07 cm和11.51 cm;拱肩與拱腰也存在一定的豎向位移,30 m和60 m斷面拱肩沉降最大值分別達(dá)到5.11 cm和10.25 cm,不同斷面拱腰沉降最大值分別達(dá)到2.78 cm和5.73 cm。右線隧道30 m和60 m斷面拱頂沉降最大值分別達(dá)到4.74 cm和12.26 cm;30 m和60 m斷面底部隆起最大值分別達(dá)到5.19 cm和6.26 cm;拱肩與拱腰也存在一定的豎向位移,30 m和60 m斷面拱肩沉降最大值分別達(dá)到4.90 cm和12.62 cm,不同斷面拱腰沉降最大值分別達(dá)到3.46 cm和9.68 cm。
雙側(cè)壁導(dǎo)坑方案二,從隧道豎向位移來看:隧道沉降最大位移位于拱頂,隆起最大位移位于隧道拱底。左線隧道30 m、60 m斷面拱頂沉降最大值分別達(dá)到4.37 cm和11.85 cm; 30 m和60 m斷面底部隆起最大值分別達(dá)到7.47 cm和10.42 cm;拱肩與拱腰也存在一定的豎向位移,30 m和60 m斷面拱肩沉降最大值分別達(dá)到2.83 cm和8.44 cm,不同斷面拱腰沉降最大值分別達(dá)到0.86 cm和4.43 cm。右線隧道30 m和60 m斷面拱頂沉降最大值分別達(dá)到4.20 cm和10.05 cm;30 m和60 m斷面底部隆起最大值分別達(dá)到5.52 cm和5.82 cm;拱肩與拱腰也存在一定的豎向位移,30 m和60 m斷面拱肩沉降最大值分別達(dá)到4.41 cm和10.63 cm,不同斷面拱腰沉降最大值分別達(dá)到2.91 cm和7.91 cm。
為了結(jié)果更直觀,選取隧道左右線60 m斷面在不同工況下的幾處特征位移如表2~3所示。
3.2 圍巖的應(yīng)力特征
圍巖應(yīng)力的分析選取開挖完成30 m、60 m時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行研究。由于隧道開挖過程中圍巖應(yīng)力狀態(tài)以受壓為主,故只選取圍巖第三主應(yīng)力進(jìn)行分析。
(1)方案一
左線隧道:對(duì)于已經(jīng)開挖完成的部分,圍巖應(yīng)力分布為底部應(yīng)力最大,其次為拱肩至墻腳應(yīng)力,頂部的應(yīng)力最小。開挖已完成的部分最大值出現(xiàn)位置與掌子面周邊圍巖應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置不同,最大值出現(xiàn)在底部位置。開挖完成30 m時(shí),對(duì)于距離掌子面最近的成環(huán)初期支護(hù)周圍的圍巖應(yīng)力,拱肩處為0.73 MPa,墻腳處為0.78 MPa,拱頂為0.65 MPa,底部為1.12 MPa。在開挖完成60 m時(shí),圍巖應(yīng)力的最大值為2.58 MPa。這說明該工法開挖對(duì)已完成開挖的部分圍巖應(yīng)力仍有一定影響。
右線隧道:對(duì)于已經(jīng)開挖完成的部分,為底部應(yīng)力最大,其次為拱肩至墻腳應(yīng)力,頂部的應(yīng)力最小。開挖已完成的部分最大值出現(xiàn)位置與掌子面周邊圍巖應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置不同,最大值出現(xiàn)在底部位置。開挖完成30 m時(shí),對(duì)于距離掌子面最近的成環(huán)初期支護(hù)周圍的圍巖應(yīng)力,拱肩處為0.66 MPa,墻腳處為0.73 MPa,拱頂為0.50 MPa,底部為1.16 MPa。在開挖完成60 m時(shí),圍巖應(yīng)力的最大值為2.54 MPa。這說明該工法開挖對(duì)已完成開挖的部分圍巖應(yīng)力仍有一定影響。
(2)方案二
左線隧道:對(duì)于已經(jīng)開挖完成的部分,圍巖應(yīng)力分布為拱肩至墻腳應(yīng)力最大,其次為拱頂,底部的應(yīng)力最小。開挖已完成的部分最大值出現(xiàn)位置與掌子面周邊圍巖應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置不同,最大值出現(xiàn)在墻腳位置。開挖完成30 m時(shí),對(duì)于距離掌子面最近的成環(huán)初期支護(hù)周圍的圍巖應(yīng)力,拱肩處為1.20 MPa,墻腳處為0.34 MPa,拱頂為1.30 MPa,底部為0.30 MPa。在開挖完成60 m時(shí),圍巖應(yīng)力的最大值為2.04 MPa。這說明該工法開挖對(duì)已完成開挖的部分圍巖應(yīng)力仍有一定影響。
右線隧道:對(duì)于已經(jīng)開挖完成的部分,圍巖應(yīng)力分布為拱肩至墻腳應(yīng)力最大,其次為拱頂,底部的應(yīng)力最小。開挖已完成的部分最大值出現(xiàn)位置與掌子面周邊圍巖應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置不同,最大值出現(xiàn)在墻腳位置。開挖完成30 m時(shí),對(duì)于距離掌子面最近的成環(huán)初期支護(hù)周圍的圍巖應(yīng)力,拱肩處為0.93 MPa,墻腳處為0.58 MPa,拱頂為1.13 MPa,底部為0.50 MPa。在開挖完成60 m時(shí),圍巖應(yīng)力的最大值為2.51 MPa。這說明該工法開挖對(duì)已完成開挖的部分圍巖應(yīng)力仍有一定影響。
隧道各特征點(diǎn)圍巖應(yīng)力狀態(tài)如表4~5所示。
3.3 初期支護(hù)的受力特征
初期支護(hù)的受力分析選取了開挖完成30 m、60 m的狀態(tài)下,對(duì)兩種開挖順序下的第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力進(jìn)行分析(見表6)。
初期支護(hù)分為兩層,綜合來看,兩種方案隨著開挖進(jìn)度的增加,隧道埋深也不斷增加,初期支護(hù)受力也相應(yīng)地增加,且第一層初期支護(hù)最大主應(yīng)力明顯小于第二層最大主應(yīng)力隧道各個(gè)位置所受的拉應(yīng)力,故選用第二層初期支護(hù)應(yīng)力。方案一當(dāng)開挖進(jìn)度為60 m時(shí),初期支護(hù)第一主應(yīng)力,即拉應(yīng)力,左線最大可達(dá)7.44 MPa,右線隧道可達(dá)5.42 MPa。隧道出現(xiàn)的拉應(yīng)力分布情況應(yīng)為隧道襯砌縱向發(fā)生不均勻位移導(dǎo)致的初期支護(hù)翹曲而產(chǎn)生的,計(jì)算值已超過混凝土的抗拉強(qiáng)度。在實(shí)際施工中隧道拱頂少數(shù)位置可能會(huì)產(chǎn)生環(huán)向裂縫。第一層初期支護(hù)最大主應(yīng)力明顯小于第二層最大主應(yīng)力隧道各個(gè)位置所受的壓應(yīng)力,當(dāng)開挖進(jìn)度為60 m時(shí),第二層初期支護(hù)第二主應(yīng)力,即壓應(yīng)力,左線可達(dá)11.40 MPa,右線隧道可達(dá)10.44 MPa。
方案二當(dāng)開挖進(jìn)度為60 m時(shí),第一主應(yīng)力,左線可達(dá)2.27 MPa,右線隧道可達(dá)6.71 MPa。第二主應(yīng)力,左線可達(dá)13.11 MPa,右線隧道可達(dá)11.22 MPa。根據(jù)最大切應(yīng)力理論:σ=σ1-σ3,方案一左線最大剪應(yīng)力為18.84 MPa,右線最大剪應(yīng)力為15.38 MPa;方案二左線最大剪應(yīng)力為18.36 MPa,右線最大剪應(yīng)力為16.62 MPa。