不同開挖順序?qū)Υ笃珘盒艟嗨淼腊踩杂绊?/h1>
2021-06-07 10:14:50王明明孟相昆
湖南城市學院學報(自然科學版) 2021年3期
鄧 俊，劉 科，王明明，孟相昆
(中國建筑第五工程局有限公司，長沙 410000)
在山區(qū)或者城區(qū)修建公路隧道，往往受地形條件、線路選型、走向等條件限制，在長隧道洞口段或者短隧道會采取小凈距隧道形式，且遇到越來越多的大偏壓小凈距隧道.在我國西南部山區(qū)，修公路時往往會遇到自然坡度30°～60°的嚴重偏壓地形，與常規(guī)小凈距隧道相比，大偏壓小凈距隧道施工引起的圍巖擾動更大，極易引起圍巖發(fā)生失穩(wěn)破壞，施工風險更高.對于大偏壓小凈距隧道，由于兩側(cè)圍巖埋深相差較大，存在嚴重的偏壓效應，不同的深淺埋施工順序?qū)λ淼朗┕r圍巖穩(wěn)定性影響較大[1-7].因此，確定不同施工順序?qū)Υ笃珘盒艟嗨淼朗┕ぐ踩缘挠绊懼陵P重要.本文依托某大偏壓小凈距隧道工程，基于有限元強度折減法，研究不同偏壓角度及開挖順序?qū)λ淼篱_挖安全性與圍巖破壞模式的影響.
1 工程概況
某隧道為我國西南部山區(qū)高速公路雙向4車道小凈距隧道，最小凈距為7.5 m，隧道長度為260 m，開挖高度為10.54 m，單洞開挖寬度為13.61 m，采用0.5 m厚C30鋼筋混凝土二次襯砌，初期支護為：0.26 m厚C25噴射混凝土，直徑25 mm中空注漿錨桿，長度4.5 m，I20a鋼拱架，間距0.5 m，具體支護斷面如圖1所示.
圖1 小凈距隧道支護斷面
隧道所處圍巖等級為IV級，地面橫向偏壓角度為40°，左洞較右洞埋深淺，存在明顯的地形偏壓，左側(cè)隧道拱肩覆土最小厚度為10 m，右側(cè)隧道拱肩覆土厚度為38 m.現(xiàn)場隧道施工采用上下臺階法，由于雙洞覆土厚度相差較大，存在較大偏壓效應，確定好2洞的施工先后順序?qū)λ淼朗┕し€(wěn)定性控制至關重要.
2 有限元模型建立
本文基于Abaqus建立二維數(shù)值分析模型，如圖2所示，模型寬度為100 m，高度為100 m，圍巖選取選取CPE4R單元模擬，共劃分3.57萬個單元，定義模型的上邊界為自由邊界，對模型左右邊界單元節(jié)點的水平位移進行約束，同時對模型底部單元節(jié)點的豎向位移進行約束.
圖2 小凈距隧道有限元計算模型
為分析不同開挖順序及地形偏壓程度對隧道開挖穩(wěn)定性的影響，基于強度折減法理論，將有限元與強度折減法相結(jié)合的方法應用于隧道穩(wěn)定性分析，并對圍巖抗剪強度參數(shù)進行折減，得到隧道極限狀態(tài)下的安全系數(shù)，以此對隧道施工穩(wěn)定性進行安全評價[8-9].在強度折減法求解過程中，本文以拱頂下沉發(fā)生突變作為失穩(wěn)依據(jù)[10].
其中，0c為圍巖初始粘聚力；cF為圍巖極限狀態(tài)下的粘聚力；0φ為圍巖初始內(nèi)摩擦角；Fφ為圍巖極限狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角；K為圍巖安全系數(shù).
圍巖材料初始參數(shù)見表1[11].
表1 圍巖材料初始參數(shù)
工況設計主要考慮施工順序與偏壓角度變化這2個因素對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，見表2.
表2 工況設計
3 隧道開挖安全性結(jié)果分析
本文在強度折減法求解過程中以拱頂下沉發(fā)生突變作為隧道失穩(wěn)依據(jù)，將拱頂沉降的突變點用豎向小線段標出，得到不同開挖順序下突變點的圍巖安全系數(shù)與拱頂沉降值見圖3和圖4.
由圖3和圖4可知，偏壓角度變化對隧道開挖整體安全系數(shù)影響較大，且在不同施工順序下隧道整體安全系數(shù)差異較大.當偏壓角度在30°～40°之間增大時，隧道圍巖整體安全系數(shù)減小最為明顯；先開挖深埋洞時隧道整體安全系數(shù)明顯低于先開挖淺埋洞時，先開挖淺埋洞的拱頂沉降明顯小于先開挖深埋洞.因此，對于大偏壓小凈距隧道施工時應選擇先開挖淺埋洞，再施工深埋洞.
圖3 不同開挖順序下的拱頂沉降
圖4 不同偏壓角度下的圍巖安全系數(shù)與拱頂沉降
為了進一步分析不同偏壓角度及開挖順序?qū)λ淼腊踩缘挠绊?，分別提取先開挖淺埋洞、先開挖深埋洞及2洞同時開挖時不同偏壓角度下小凈距隧道圍巖極限狀態(tài)時塑性區(qū)分布，見圖5.
基于隧道圍巖塑性區(qū)分布特征，將隧道圍巖的潛在破裂面形態(tài)匯總，見圖6.通過塑性應變的大小及塑性區(qū)是否貫通來區(qū)分主要與次要破壞區(qū)(實線為主要破壞區(qū)，虛線為次要破壞區(qū)).
由圖5和圖6可知，先開挖淺埋洞或先開挖深埋洞時，會引起隧道淺埋側(cè)產(chǎn)生豎向剪切裂縫，并貫穿至地表.隨著偏壓角度的增大，豎向剪切破裂面發(fā)生大幅度偏轉(zhuǎn)，當偏壓角度＞45°后，淺埋側(cè)拱腳處產(chǎn)生較大的滑裂縫，并貫通到外側(cè)地表.雙洞同時開挖時，在不同偏壓角度下剪切破裂縫主要分布于中夾巖柱區(qū)域，破裂面呈現(xiàn)“X”型分布，中夾巖柱最易發(fā)生破壞，施工時應注意對中夾巖柱進行保護，同時加強位移監(jiān)測.
圖5 不同偏壓角度下小凈距隧道圍巖塑性區(qū)分布
圖6 不同偏壓角度下隧道圍巖破壞模式
4 結(jié)論
1)偏壓角度的增大能極大地降低隧道安全系數(shù)，當偏壓角度在30°～40°之間增大時，安全系數(shù)減小最為明顯；先開挖深埋洞時隧道整體安全性明顯低于先開挖淺埋洞時.
2)先開挖淺埋洞或先開挖深埋洞時，隧道淺埋側(cè)圍巖會出現(xiàn)豎向剪切破裂面，當偏壓角度＞45°時，隨著開挖的進行破裂面會出現(xiàn)大幅度偏轉(zhuǎn)，且最終在淺埋側(cè)拱腳處產(chǎn)生較大的滑裂縫，并貫通到外側(cè)地表；雙洞同時開挖時，中夾巖柱區(qū)域均呈“X”型的破裂面分布.
3)大偏壓小凈距隧道施工時，選擇先開挖淺埋洞，再施工深埋洞.因中夾巖柱最易發(fā)生破壞，施工時應注意對中夾巖柱進行保護，同時加強位移監(jiān)測.
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1 工程概況
某隧道為我國西南部山區(qū)高速公路雙向4車道小凈距隧道，最小凈距為7.5 m，隧道長度為260 m，開挖高度為10.54 m，單洞開挖寬度為13.61 m，采用0.5 m厚C30鋼筋混凝土二次襯砌，初期支護為：0.26 m厚C25噴射混凝土，直徑25 mm中空注漿錨桿，長度4.5 m，I20a鋼拱架，間距0.5 m，具體支護斷面如圖1所示.
圖1 小凈距隧道支護斷面
隧道所處圍巖等級為IV級，地面橫向偏壓角度為40°，左洞較右洞埋深淺，存在明顯的地形偏壓，左側(cè)隧道拱肩覆土最小厚度為10 m，右側(cè)隧道拱肩覆土厚度為38 m.現(xiàn)場隧道施工采用上下臺階法，由于雙洞覆土厚度相差較大，存在較大偏壓效應，確定好2洞的施工先后順序?qū)λ淼朗┕し€(wěn)定性控制至關重要.
2 有限元模型建立
本文基于Abaqus建立二維數(shù)值分析模型，如圖2所示，模型寬度為100 m，高度為100 m，圍巖選取選取CPE4R單元模擬，共劃分3.57萬個單元，定義模型的上邊界為自由邊界，對模型左右邊界單元節(jié)點的水平位移進行約束，同時對模型底部單元節(jié)點的豎向位移進行約束.
圖2 小凈距隧道有限元計算模型
為分析不同開挖順序及地形偏壓程度對隧道開挖穩(wěn)定性的影響，基于強度折減法理論，將有限元與強度折減法相結(jié)合的方法應用于隧道穩(wěn)定性分析，并對圍巖抗剪強度參數(shù)進行折減，得到隧道極限狀態(tài)下的安全系數(shù)，以此對隧道施工穩(wěn)定性進行安全評價[8-9].在強度折減法求解過程中，本文以拱頂下沉發(fā)生突變作為失穩(wěn)依據(jù)[10].
其中，0c為圍巖初始粘聚力；cF為圍巖極限狀態(tài)下的粘聚力；0φ為圍巖初始內(nèi)摩擦角；Fφ為圍巖極限狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角；K為圍巖安全系數(shù).
圍巖材料初始參數(shù)見表1[11].
表1 圍巖材料初始參數(shù)
工況設計主要考慮施工順序與偏壓角度變化這2個因素對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，見表2.
表2 工況設計
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本文在強度折減法求解過程中以拱頂下沉發(fā)生突變作為隧道失穩(wěn)依據(jù)，將拱頂沉降的突變點用豎向小線段標出，得到不同開挖順序下突變點的圍巖安全系數(shù)與拱頂沉降值見圖3和圖4.
由圖3和圖4可知，偏壓角度變化對隧道開挖整體安全系數(shù)影響較大，且在不同施工順序下隧道整體安全系數(shù)差異較大.當偏壓角度在30°～40°之間增大時，隧道圍巖整體安全系數(shù)減小最為明顯；先開挖深埋洞時隧道整體安全系數(shù)明顯低于先開挖淺埋洞時，先開挖淺埋洞的拱頂沉降明顯小于先開挖深埋洞.因此，對于大偏壓小凈距隧道施工時應選擇先開挖淺埋洞，再施工深埋洞.
圖3 不同開挖順序下的拱頂沉降
圖4 不同偏壓角度下的圍巖安全系數(shù)與拱頂沉降
為了進一步分析不同偏壓角度及開挖順序?qū)λ淼腊踩缘挠绊?，分別提取先開挖淺埋洞、先開挖深埋洞及2洞同時開挖時不同偏壓角度下小凈距隧道圍巖極限狀態(tài)時塑性區(qū)分布，見圖5.
基于隧道圍巖塑性區(qū)分布特征，將隧道圍巖的潛在破裂面形態(tài)匯總，見圖6.通過塑性應變的大小及塑性區(qū)是否貫通來區(qū)分主要與次要破壞區(qū)(實線為主要破壞區(qū)，虛線為次要破壞區(qū)).
由圖5和圖6可知，先開挖淺埋洞或先開挖深埋洞時，會引起隧道淺埋側(cè)產(chǎn)生豎向剪切裂縫，并貫穿至地表.隨著偏壓角度的增大，豎向剪切破裂面發(fā)生大幅度偏轉(zhuǎn)，當偏壓角度＞45°后，淺埋側(cè)拱腳處產(chǎn)生較大的滑裂縫，并貫通到外側(cè)地表.雙洞同時開挖時，在不同偏壓角度下剪切破裂縫主要分布于中夾巖柱區(qū)域，破裂面呈現(xiàn)“X”型分布，中夾巖柱最易發(fā)生破壞，施工時應注意對中夾巖柱進行保護，同時加強位移監(jiān)測.
圖5 不同偏壓角度下小凈距隧道圍巖塑性區(qū)分布
圖6 不同偏壓角度下隧道圍巖破壞模式
4 結(jié)論
1)偏壓角度的增大能極大地降低隧道安全系數(shù)，當偏壓角度在30°～40°之間增大時，安全系數(shù)減小最為明顯；先開挖深埋洞時隧道整體安全性明顯低于先開挖淺埋洞時.
2)先開挖淺埋洞或先開挖深埋洞時，隧道淺埋側(cè)圍巖會出現(xiàn)豎向剪切破裂面，當偏壓角度＞45°時，隨著開挖的進行破裂面會出現(xiàn)大幅度偏轉(zhuǎn)，且最終在淺埋側(cè)拱腳處產(chǎn)生較大的滑裂縫，并貫通到外側(cè)地表；雙洞同時開挖時，中夾巖柱區(qū)域均呈“X”型的破裂面分布.
3)大偏壓小凈距隧道施工時，選擇先開挖淺埋洞，再施工深埋洞.因中夾巖柱最易發(fā)生破壞，施工時應注意對中夾巖柱進行保護，同時加強位移監(jiān)測.
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