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摘要:控制隧道应力及变形是特大跨度隧道施工中的关键技术问题,如何在施工中把应力及变形控制在规范允许范围内,已成为特大跨度隧道施工工法选择的首要前提,签于此,本文拟对围岩等级为Ⅳ级和Ⅴ级的特大跨度隧道,采用双侧壁导坑施工工法,应用Ansys及Flac3d建立数值模型,观测隧道分部开挖过程中,隧道围岩指定点的应力及位移变化,通过对观测数据的分析及计算,了解隧道在双侧壁导坑法开挖过程中,围岩应力与变形变化趋势,对保障施工安全及加快施工进度均具有十分重要的意义。
关键词:特大跨度隧道,双侧壁导坑法,有限元数值分析,应力,位移
0.前言
由于特大跨度隧道与普通隧道相比,具有跨度大、扁平率低的特点,致使隧道围岩受力及变形更加复杂,如何在施工中把围岩应力及应变控制在有效范围内,已成为隧道开挖工法[1]选择的首要前提,随着数值模拟在隧道开挖中的应用,现已在含水疏松砂岩地层使用冻结法施工[2],通过工艺、技术、设备等创新,解决衬砌混凝土温度及体型控制,表观质量及大坡度大型台车运行安全等技术难题[3],如何建立隧道数值模型,通过对隧道围岩位移场的分析,选择合适的施工工法[4],如何把隧道施工工法与衬砌方法有效的结合[5],保证水利隧道施工安全等方面都取得了有效的应用,本文结合某特大跨度隧道,采用双侧壁导坑施工工法,进行数值模拟分部开挖中,在混凝土衬砌条件下,研究应力与应变的变化规律,望对特大跨度隧道施工具有一定的参考价值。
1.工程概况
某隧道净宽约为17.75m,净高约为5.0m,内部轮廓最大跨度为约为19m,按公路隧道标准,属于超大跨度隧道。隧道所处区域地震活动频率较弱,以微、小震为主,中、强震极少。围岩岩性主要由粉质粘土、碎石、长石组成,同时结合现场区域地层岩性的划分,综合各相关参数判定该围岩级别主要为Ⅳ级和Ⅴ级。
2.数值模拟分析
2.1结构建模
考虑到ansys与flac3d数值模型各自的特点,前处理采用ansys10.0对围岩进行有限元网格划分,后处理采取flac3d进行受力变形分析。根据本工程地质特性,建立有限元数值分析模型,断面宽度取18.3m,高度取12.0m,有限元单元网格采用二维等参四边形单元,屈服条件依据摩尔-库伦破坏准则。隧道左右两侧围岩岩体的宽度均选用3倍洞径的距离,以作为有限元分析的范围。拟定模型的长度选取25m,约束其前后、左右水平位移,围岩顶端为自由面,模型底部进行竖向约束。鉴于我国已建成隧道的相关经验,如表1所示,本文采用双侧壁导坑法进行数值模拟分析。
2.2结构开挖及其支护
双侧壁导坑法开挖顺序如图1所示,在每分区开挖完成后,再进行衬砌与支护。具体施工过程如下所示:(1)围岩初始应力状态计算,(2)开挖1分区,再进行衬砌和支护,(3)开挖2分区,再进行衬砌和支护,(4)开挖3分区,再进行衬砌和支护,(5)开挖4分区,再进行衬砌和支护,(6)开挖5分区,再进行衬砌和支护,(7)开挖6分区,(8)开挖7分区。
图1双侧壁导坑法分区开挖施工顺序
为了更精准的分析围岩关键控制点的位移状态,只采用壳体外加混凝土进行简单的支护,以减少对原围岩变形的影响。其壳体弹性模量10.5e9N/L2,泊松比为0.25,密度2500m/L3,厚度0.5m。
2.3数值模拟分析
选取6分区开挖到6m、12m、15m作为观测截面,选取观测点的截面在0m、9m、18m三个位置。其观测点坐标如表2所示。其中1、2、3点位于拱顶,4、5、6位于拱底,7、8、9、10、11、12位于拱腰,13到18位于拱脚。
图2双侧壁导坑法在ansys中模型图图3双侧壁导坑法在flac3d中模型
从图4中可观察出,拱顶位移范围在1.2333×10-3m-1.0000×10-3m之间,拱底位移范围在1.25×10-3m-1.4346×10-3m之间,方向沿z轴向上。根据《公路隧道施工规范》,对于Ⅳ级围岩,隧道允许相对位移在0.1%到0.3%之间,满足规范要求。
从图5中可观察出,应力沿z轴有明显的分层,从上到下依次减少。在隧道的拱顶及拱底,沿z轴主应力变化明显,数值在2.5×105N/m2-1.1698×104N/m2之间,而在拱腰及拱角的应力在2.2471×10N/m2-2.0×106N/m2之间。
从图6中可观察出,受隧道开挖的影响,隧道拱顶与拱底位移区域与图4比有所增大,拱顶区域位移范围在1.6784×10-3m-1.500×10-3m之间,位移方向向下。拱底位移变化区间在2.0×10-3m-2.0356×10-3m之间,位移方向向上。在围岩的其他区域,位移没有明显的变化。
与图5相比,图7有明显变化,在隧道拱顶与拱底出现了两个z轴向拉应力区,其数值范围在0N/m2-5.8060×104N/m2之间,z轴主应力影响区域范围在图5的基础上有所扩大。拱腰与拱脚z向主应力范围也有所增大,其范围在2.2932×106N/-2.2500×106N/m2之间。
图8开挖18m时z向位移网格图图9开挖18m时z向主应力网格图
图8在图6的基础上,其拱顶与拱底的位移区域在进一步扩大,其位移变化范围在1.8371×10-3m-1.500×10-3m之间,位移方向仍然沿着z轴的负向。其拱底的位移也有所增大,其数值在2.000×10-3m-2.1824×10-3m之间。而在隧道周围其他区域,位移值始终都保持在5.000×10-4m,方向沿着z轴负向。
图9在图7的基础上,拱顶与拱底的拉应力区域进一步扩大,拱顶拉应力数值在0N/m2-6.1580×104N/m2之间,拱底拉应力数值在0N/m2-6.1580×104N/m2之间,在图9中出现压应力最大值在拱腰与拱角,其数值范围在2.3929×106N/m2-2.2500×106N/m2之间。
图10为观测点1、2、3随时间步位移变化图,1×104时步之内为初始地应力的释放过程,其中位移最大值出现在0.5×104时步,3个观测点位移都为1.22×10-2m,方向竖直向下。在随后隧道开挖及支护过程中,观测点1、2、3都是在时间步8×104出现了位移最大值,其值分别为0.23×10-2m、0.19×10-2m、0.05×10-2m,方向均为竖直向下。
图11观测点4、5、6随时间步位移变化图
3.结论
通过上述分析得到如下结论:
(1)通过数值模拟分析,围岩应力最大区域主要集中于隧道的拱腰及拱脚,应变主要集中于拱顶,在围岩开挖前或开挖过程中,应加强对该区域的支护;
(2)完成初期支护后,随着隧道的继续开挖,初期支护在围岩压力作用下,支护效果有所下降,为保障隧道整体稳定及安全性,必须对隧道围岩进行二次衬砌;
(3)通过对该隧道开挖过程进行数值模拟,分析应力及应变在开挖过程中变化规律,对隧道实际施工提供理论依据;
(4)建议进一步论证二次衬砌的形式、强度、时间点等,为实际实施提供理论依据;
(5)数值模拟的相关参数过于理想化,实际地层变化复杂,需要结合工程实际优化相关数值模拟参数,才能获得更准确的理论依据。
参考文献
[1]黄龙湘,杨元洪,贺威,阳军生.浅埋大跨度隧道施工方法的比选与应用
[2]赵琨,许健,任伯锋,靳聪聪.流固耦合作用下引洮7#隧洞开挖过程中的数值模拟分析
[3]荣耀久,覃壮恩,孙峰,周燚.溪洛渡水电站右岸泄洪洞混凝土施工技术
[4]杜鑫,刘小兵,张吉,赵文敬.大型水电站隧洞开挖施工的三维数值模拟研究
[5]祁成恩.隧道工程洞身开挖与衬砌施工方法的应用
[6]严宗雪,张少锦,谢军,谭忠盛.龙头山双洞八车道公路隧道浅埋段施工技术探讨[J].施工技术,2008,37(4):114-117.
[7]陈耕野,刘斌,万明富,郝哲,李伟.韩家岭大跨度公路隧道应力监测分析[J].岩石力学与工程学报,2005,24(2);5509-5515.
[8]黄伦海,秦峰,龚世强.雅宝双洞八车道公路隧道设计[J].现代隧道技术,2005,42(4);5-8.
[9]唐颖.大帽山大跨度扩建隧道设计要点[J].公路,2009.10(10);263-266.
[10]刘春,易俊,姜德义,郑航太.大断面隧道施工力学响应数值模拟研究[J].中国矿业,2008,17(2);90-93.
[11]林进坤.单洞四车道公路隧道双侧壁导坑法施工[J].桥梁工程,2010(7);268-270.
[12]陈励扬,官建安.金鸡山隧道工程设计[J].福州大学学报,1997.12(25);100-104.