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复杂地质条件下隧道开挖方式的选择和优化

2020-12-28俞斌

价值工程 2020年32期
关键词:公路隧道有限元分析围岩

俞斌

摘要:公路隧道施工中,复杂工程地质条件下隧道开挖方式的选择对隧道围岩稳定性、施工安全及保证施工进度起到确定性作用。为了优化梅花隧道开挖方式,本文采用MIDAS/GTS有限元软件对隧道开挖过程进行模拟计算,分析不同开挖方式下隧道围岩应力应变特征,结果表明:单侧壁导坑法对应的围岩应力最大,全断面开挖方法次之,上下台阶分步开挖方法对应的拱顶围岩应力最小;采用全断面开挖法、单侧壁导坑开挖法时,隧道拱顶区域会产生拉应力;采用全断面开挖法对应的高应力区位于与拱腰围岩开挖边界处,而采用上下台阶分步开挖法对应的拱腰围岩高应力区则离开挖边界有一定距离。

Abstract: In the construction of highway tunnels, the selection of tunnel excavation methods under complex engineering geological conditions plays a deterministic role in the stability of the tunnel surrounding rock, construction safety and ensuring the construction progress. In order to optimize the excavation method of the Meihua tunnel, this paper uses MIDAS/GTS finite element software to simulate the tunnel excavation process and analyze the stress and strain characteristics of the tunnel surrounding rock under different excavation methods. The results show that the surrounding rock stress corresponding to the single-side pilot tunnel method is the largest, followed by the full-section excavation method, and the vault surrounding rock stress corresponding to the stepwise excavation method of the upper and lower steps is the smallest; when the full-face excavation method and the single-side pilot pit excavation method are used, tensile stress will be generated in the tunnel vault area; the high-stress area corresponding to the full-face excavation method is located at the boundary of the excavation of the arch waist surrounding rock, while the high-stress area of the arch waist surrounding rock corresponding to the stepwise excavation of the upper and lower benches is a certain distance away from the excavation boundary.

关键词:公路隧道;开挖方式;围岩;应力应变;有限元分析

Key words: highway tunnel;excavation method;surrounding rock;stress and strain;finite element analysis

中图分类号:U455.4                                      文献标识码:A                                  文章编号:1006-4311(2020)32-0141-03

0  引言

近十来年,随着福建省对公路建设投资规模的不断加大,公路网的建设得到了长足的发展。福建位于中国东南沿海地区,境内丘陵连绵,为了缩短交通时间,修建了大量的隧道。由于丘陵地区地质条件复杂多变,同一座隧道可能穿越不同地层,隧道的开挖方式和支护形式需要根据相应地质条件的不断变化而调整。本文针对梅花隧道复杂工程地质条件,分析不同開挖方式对隧道围岩的应力和位移的影响,并对梅花隧道开挖方式的选择进行探讨。

1  工程概况

省道纵七线将乐县梅花至玉华段公路建设工程设置隧道1座,起止桩号为K1+240~K2+370,隧道全长1130m。本隧道为单洞双车道,坡度/坡长:2.25%/896.38m、-1.2%/243.62m,最大埋深88m。进口K1+245,洞顶覆盖层2.7m,出口K2+356,洞顶覆盖层2.3m。根据钻孔揭示,隧道所在范围地层较复杂,主要为二叠系栖霞组(P1q);岩性以深灰、灰黑色薄层-巨厚层微晶灰岩为主,顶部为硅质岩,二叠系下统文笔山组(P1w):岩性以灰、灰黑色薄-中厚层泥岩、粉砂岩为主、震旦系下统丁屋岭组下段(Z1dn1):岩性为石英云母片岩。表层零星分布有第四系冲积和坡残积层。此外,隧道范围存在一条F2构造带(中风化粉砂岩夹泥岩、石英云母片岩):灰色,岩石较为破碎,具硅化、绿泥石化、见构造角砾,构造上盘为二叠系文笔山组粉砂岩(夹泥岩),下盘为震旦系下统丁屋岭组下段石英云母片岩,构造带穿过线路K1+780,属于燕山晚期张性断层。隧道区地下水主要孔隙-裂隙水和基岩裂隙水。风化基岩中的孔隙-裂隙水赋存于碎块状强风化岩层中,接受大气降水的补给,厚度较小,水量较贫乏。隧道围岩分级如表1。

2  数值模型的建立

2.1 计算模型

为了分析不同开挖方式对隧道围岩稳定性及变形的影响,文中利用MIDAS/GTS有限元软件,采用弹塑性模型和Mohr-Coulomb屈服准则对隧道施工全过程进行模拟计算[1],分析隧道施工过程中隧道围岩应力、位移变,隧道计算模型网格划分如图1所示。

计算中只考虑自重应力,不考虑构造应力场。除上部边界面自由外,其它边界面均具有法向约束。计算中围岩采用四面体实体单元。在分析隧道最终变形及围岩应力分布时,采用二维平面应变模型,围岩采用平面四边形单元,各参数设置与三维模型一致。模型中,z方向为竖向坐标轴,x方向为隧道横向坐标轴,y方向为隧道沿隧道走向坐标轴[2]。

在应力分析中,用σzz、σxx分别表示z方向和x方向的正应力,用σ1、σ3分别表示最大主应力和最小主应力。由于MIDAS软件默认拉应力为正,压应力为负,在进行云图分析时,采用软件默认的符号标记方式;而将数据导出绘制相关曲线时,對应力值乘以负号对其进行符号调整。在变形分析中,竖直方向以向上为正,对于侧向变形,以朝向隧道轴线方向记正。

2.2 参数的选取

为分析开挖方法对隧道应力及变形的影响,计算中按照Ⅳ级围岩地质条件,分别采用全断面开挖、单侧壁导坑开挖、双侧壁导坑开挖、上下台阶开挖法进行三维模拟计算[3],隧道埋深为88m,隧道宽为11.7m,高为8.0m,隧道围岩及支护结构物理力学参数参见表2。

为简化计算,分析中不考虑二衬的作用,主要考虑隧道掌子面开挖、初衬的影响,初衬采用喷射混凝土加锚杆方式支护,衬砌厚度为0.2m,锚杆长3.5m,间距2m×2m。

3  计算结果分析

3.1 开挖方式对隧道应力的影响

通过有限元软件模拟全断面开挖、单侧壁导坑开挖、上下台阶开挖法,分析隧道开挖卸荷对拱顶围岩的影响,围岩拱顶竖向应力σzz和水平应力σxx如图2所示。单侧壁导坑开挖法对应的围岩应力最大,全断面开挖方法次之,上下台阶开挖方法对应的拱顶围岩应力最小。这是由于单侧壁导坑开挖时,横断面高度较高而宽度小,呈扁平狭长型断面,易导致拱顶应力集中,拱顶围岩应力大于全断面开挖围岩应力;对于全断面开挖方法,由于单步施工卸荷大,其引起围岩应力的增量较大,围岩为达到新的变形协调,需要产生较大的卸荷变形,即拱顶沉降,当围岩软弱时,过大的变形导致隧道失稳破坏。

采用平面应变模型,分析不同开挖方法对隧道开挖结束后围岩应力σ1、σ3的影响,如图3所示,为上下台阶法开挖后围岩应力分布云图,以负号表压应力、正号表拉应力。

通过对全断面开挖法、单侧壁导坑开挖法、上下台阶开挖法等不同开挖方式进行模拟计算,分析计算结果发现:

①采用全断面开挖、单侧壁导坑开挖时,隧道拱顶区域会产生拉应力。因此,对于实际工程应结合工程地质条件及时支护,对于围岩条件差,应采取超前支护措施对拱顶围岩进行加固,防止围岩出现拉裂破坏。

②采用全断面开挖对应的高应力区位于拱腰围岩开挖边界处,而采用上下台阶分步开挖对应的拱腰围岩高应力区与开挖边界有一定距离。因此,对于工程地质条件较差或地质复杂的隧道,应尽量采用上下台阶法或CRD法进行隧道开挖,避免围岩因应力过大而失稳破坏。

3.2 开挖方式对隧道变形的影响

前面分析了不同开挖方式时围岩应力变化特征,下面对不同开挖方式下隧道变形特性进行分析,如图4为各开挖方法中施工步骤拱顶位移随施工步骤关系曲线。采用上下台阶开挖法施工时,由于分多步施工,一次性开挖范围小,拱顶变形是逐步发展的,单步施工引起的位移变化较小,而采用全断面开挖法开挖时,断面一次性开挖施工引起较大的位移。由于全断面开挖较另外两种方法变形速率大,单步施工引起位移增量大,所以地质条件较差时,不能选择全断面方法进行隧道开挖,宜根据地质情况、隧道结构特征及施工需要等选择单侧壁导坑法或双侧壁导坑或CRD法等开挖方式。

4  隧道开挖方式的选择

由于梅花隧道工程地质条件较复杂,一座隧道内存在不同的围岩等级,且同一围岩等级,其地质条件也存在差异,隧道开挖时,需要根据隧道围岩类别、地质构造特征、地下水条件及周边环境等选择相应的施工方法。下面从洞口段和洞身段分别进行分析。

4.1 洞口段

洞口段覆盖层薄,围岩地质条件差,且围岩地质变化强烈,周边环境复杂,为保证施工安全,是整个隧道施工地质条件最差的段落,按照设计文件属IV~V级围岩,进洞前需要采取超前支护措施,洞口边坡需采用喷射混凝土护坡,洞内采用CRD法开挖法。

4.2 洞身段

隧道内主要为IV~V级围岩,可根据掌子面揭示地质情况采用台阶法、CRD法、双侧壁导坑法施工,具体选择和优化如表3。在地质及水文条件较好且能保证施工安全的情况下,结合隧道实际情况也可采用其他可靠的施工工艺进行施工。

在隧道开挖过程中,需要加强监控量测,做到勤量测,并及时反馈监测成果,施工中根据监测数据及时调整开挖参数,必要时需结合隧道地质条件变化调整开挖方式,保证施工安全。

5  结论

①隧道开挖方式对隧道围岩的应力分布和变形影响较大,需要根据隧道围岩类别、地质构造特征、地下水条件及周边环境等选择相应的施工方法。

②单侧壁导坑开挖法对应的围岩应力最大,全断面开挖方法次之,上下台阶开挖方法对应的拱顶围岩应力最小。但全断面开挖方法单步施工卸荷大,当围岩软弱时,过大的变形导致隧道失稳破坏。

③采用全断面开挖法、单侧壁导坑开挖法时,隧道拱顶区域会产生拉应力。因此,对于实际工程应结合工程地质条件及时支护,对于围岩条件差,应采取超前支护措施对拱顶围岩进行加固,防止围岩出现拉裂破坏。

④采用全断面开挖对应的高应力区位于拱腰围岩开挖边界处,而采用台阶开挖法,对应的拱腰围岩高应力区与开挖边界有一定距离。因此,对于隧道工程地质条件差、地质构造复杂或异型断面时,应尽量采用上下台阶法或CRD法进行隧道开挖,避免围岩因应力过大而失稳破坏。

参考文献:

[1]廖军,杨万霞.公路隧道开挖围岩稳定性数值模拟研究[J].公路交通科技(应用技术版),2010(011):173-176.

[2]管新邦.不同开挖方法对公路隧道围岩稳定影响分析[J].公路工程,2018,43(06):193-197.

[3]张燕清.开挖方法对隧道围岩应力的影响分析[J].南京工程学院学报(自然科学版),2017(01):72-77.

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