基于數(shù)值模擬的連拱隧道位移和支護(hù)所受軸力分析

楊 定

(廣西桂通工程管理集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

連拱隧道在國(guó)內(nèi)外研究廣泛,對(duì)此學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究。張妞等[1]對(duì)湖北某連拱隧道進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明:中隔墻越厚,隧道整體的偏轉(zhuǎn)幅度越小。茶增云等[2]通過數(shù)值模擬對(duì)連拱隧道動(dòng)態(tài)施工過程進(jìn)行了還原,研究結(jié)果表明:開挖面合理間距應(yīng)當(dāng)控制在32 m以內(nèi)。李波等[3]通過數(shù)值模擬對(duì)不同爆破施工方案進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:上臺(tái)階爆破效果明顯高于下臺(tái)階爆破。李智等[4]對(duì)風(fēng)化千枚巖隧道進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:千枚巖區(qū)域應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制隧道的開挖,嚴(yán)禁超挖。張國(guó)浩等[5]通過數(shù)值模擬對(duì)新意法隧道施工進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:新意法開挖隧道沉降控制得更優(yōu)。李波等[6]對(duì)無中墻連拱隧道的施工進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:CD法施工較臺(tái)階預(yù)留核心土法,更利于結(jié)構(gòu)安全。李海云[7]利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)連拱隧道開挖進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:連拱隧道最大位移位于中隔墻頂部。胡長(zhǎng)明等[8]利用數(shù)值模擬對(duì)連拱隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:開挖進(jìn)尺對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響較大。林立華[9]通過數(shù)值模擬對(duì)雙拱隧道的位移進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:雙拱隧道的位移明顯較單拱隧道大。左雙英等[10]對(duì)雙拱隧道的噴錨支護(hù)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:重力式中隔墻在隧道支護(hù)中效果最佳。

然而以上的研究沒有從連拱隧道位移和支護(hù)措施所受軸力角度進(jìn)行分析,對(duì)此本文結(jié)合某實(shí)際連拱隧道開挖工程,利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)隧道進(jìn)行全過程模擬。

1 工程概況

該連拱隧道位于廣西柳州市,長(zhǎng)×寬×高為90 m×22 m×54 m,單洞隧道直徑為9.0 m,隧道間距為14 m。隧道區(qū)域巖土體主要由風(fēng)化土、風(fēng)化巖和軟巖組成,物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

2 數(shù)值模擬

2.1 模型參數(shù)

圖1所示為雙洞連拱隧道數(shù)值模擬云圖。風(fēng)化土、風(fēng)化巖和軟巖均選擇三維實(shí)體單元,材料均符合mohr模型;隧道混凝土選擇C50混凝土,材料滿足彈性變形規(guī)律,彈性模量為36.1×107kN·m-3,泊松比為0.20,容重為28.3 kN·m-3;盾構(gòu)鋼選擇彈性模型,彈性模量為6.25×1011kN·m-3,泊松比為0.21,容重為57.9 kN·m-3;錨桿選擇彈性模型,彈性模量為5.36×1011kN·m-3,泊松比為0.23,容重為52.3 kN·m-3。

圖1 雙洞連拱隧道數(shù)值模擬云圖

2.2 隧道及周圍巖土體的位移

數(shù)值模擬計(jì)算完成后,隧道的位移如下頁(yè)圖2所示。

(a)豎向位移

如圖2(a)所示,隨著深度的不斷增加,隧道的豎向位移整體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),最大豎向位移為29 mm,位于隧道正下方,方向豎直向下;隧道正上方巖土體出現(xiàn)隆起,最大隆起量為19 mm;隧道正上方地面處出現(xiàn)隆起變形,最大隆起量為13 mm;隧道開挖后周圍巖土體豎向位移均≤30 mm,地面處最大豎向隆起量為13 mm,最大沉降為11 mm,地面豎向位移均≤20 mm,滿足規(guī)范要求,可認(rèn)為隧道開挖的豎向位移控制在合理的范圍內(nèi)。

如圖2(b)所示,隨著深度的不斷增加,除了隧道正上方巖土體以外,隧道的整體位移呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),最大總體位移為32 mm,位于隧道正下方12 m處;隧道正上方巖土體出現(xiàn)隆起,最大隆起量為21 mm;隧道正上方地面處出現(xiàn)隆起變形,最大整體隆起量為14 mm;隧道開挖后周圍巖土體整體位移均≤30 mm,地面處最大整體隆起量為14 mm,最大總體位移為12 mm,地面整體位移均≤20 mm,滿足規(guī)范要求,可認(rèn)為隧道開挖的整體位移控制在合理的范圍內(nèi)。

由圖2可知,數(shù)值模擬建立以后,隧道的豎向位移和整體位移均隨著深度的不斷增加,位移數(shù)值不斷增大,離隧道越近影響越大,數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)際工程相符合;豎向位移和整體位移地面處最大位移均≤20 mm,說明數(shù)值模擬的結(jié)果控制在合理的范圍內(nèi),進(jìn)一步說明隧道開挖在位移方面是滿足工程要求的。

2.3 隧道受力分析

隧道襯砌和錨桿的受力情況如圖3所示。

(a)襯砌所受的軸力

如圖3(a)所示,上層襯砌的受力大于下層,因?yàn)樯蠈右r砌承受隧道周圍巖土體的應(yīng)力明顯大于下層襯砌;隨著掘進(jìn)深度的增加,深層襯砌的受力大于隧道口襯砌。數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)際的施工情況相符。

如圖3(b)所示,上層錨桿的受力明顯大于下層錨桿,最大錨桿的受力為12.7 kN。因上層錨桿受到隧道周圍巖土體的應(yīng)力較下層錨桿大,錨桿的受力與實(shí)際工況相符。左側(cè)錨桿右側(cè)部分的受力較右側(cè)錨桿左側(cè)部分大,因首先開挖的是左側(cè)隧道,然后施加左側(cè)錨桿,因此左側(cè)錨桿的受力會(huì)大于右側(cè)錨桿。

由圖3可知,襯砌的最大受力為78.6 kN,錨桿的最大受力為12.7 kN,以上數(shù)值明顯小于材料允許的極限值,因此可認(rèn)為隧道的開挖在所受軸力方面是滿足工程要求的。同時(shí),襯砌和錨桿的上層受力均大于下層的受力,若從節(jié)約工程造價(jià)的角度上考慮,可以適當(dāng)增加上層襯砌和錨桿的剛度,減小下層襯砌和錨桿下層的材料剛度,在滿足工程要求的同時(shí),也可以達(dá)到節(jié)約工程造價(jià)的目的。

3 結(jié)語

本文結(jié)合某連拱隧道開挖工程,利用數(shù)值模擬軟件,對(duì)支護(hù)措施的位移和受力進(jìn)行了分析,總結(jié)如下:

(1)隧道開挖完成后,豎向位移和整體位移均≤20 mm,從位移角度上分析可知,隧道開挖是滿足工程要求的,隧道正上方會(huì)出現(xiàn)隆起現(xiàn)象,此現(xiàn)象與工程實(shí)際相符。

(2)隧道襯砌和錨桿所受軸力數(shù)值均不超過材料的極限受力,說明襯砌和錨桿的受力是滿足工程要求的。同時(shí),上層襯砌和錨桿的受力明顯大于下層,說明支護(hù)防護(hù)的重點(diǎn)在于隧道上層,下層支護(hù)措施可適當(dāng)減小剛度,以達(dá)到節(jié)省工程造價(jià)的目的。

(3)本文對(duì)連拱隧道開挖支護(hù)下支護(hù)措施的受力和位移進(jìn)行了分析,但沒有分析支護(hù)措施的剪切受力和塑性區(qū),此方面有待進(jìn)一步研究。