大斷面高速鐵路隧道施工方法的三維數(shù)值研究

黃 阜, 何 瀚

(1. 長沙理工大學 土木與建筑學院, 長沙 410114; 2. 長沙理工大學 橋梁工程安全控制省部共建教育部重點實驗室, 長沙 410114)

大斷面高速鐵路隧道施工方法的三維數(shù)值研究

黃 阜1,2, 何 瀚1

(1. 長沙理工大學 土木與建筑學院, 長沙 410114; 2. 長沙理工大學 橋梁工程安全控制省部共建教育部重點實驗室, 長沙 410114)

針對大斷面高速鐵路隧道施工過程中出現(xiàn)的復(fù)雜施工力學問題, 以花甲山高速鐵路隧道為依托工程, 采用三維數(shù)值軟件對花甲山隧道的施工動態(tài)過程進行數(shù)值模擬, 得到了隧道圍巖的應(yīng)力、位移分布特征和地表變形規(guī)律, 通過與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比, 總結(jié)出大斷面高速鐵路隧道的動態(tài)施工力學特征, 為大斷面高速鐵路隧道施工方案優(yōu)化提供依據(jù).

大斷面鐵路隧道; 數(shù)值模擬; 監(jiān)控量測; 力學特征; 施工方法

引言

隨著我國高速鐵路建設(shè)進入高峰期, 越來越多的高速鐵路隧道出現(xiàn)在工程實踐中, 尤其是在我國西南部的山地丘陵地帶, 隧道工程更為常見. 高速鐵路隧道由于要克服高速列車在通過隧道時產(chǎn)生的空氣動力學問題, 一般都采用單洞雙線的斷面型式. 這樣的單洞雙線鐵路隧道具有跨度大、斷面扁平的特點,而且在爆破過程中對圍巖進行多次擾動以及施工期間諸多工序的相互影響, 導(dǎo)致施工過程中的動態(tài)施工力學極為復(fù)雜, 易發(fā)生失穩(wěn)或者坍塌事故. 因此, 有必要對大斷面高速鐵路隧道的施工力學行為開展研究,為其施工方案優(yōu)化提供理論依據(jù).

目前, 廣泛應(yīng)用于大斷面隧道中的施工方法主要有: 全斷面法、CRD 法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、上下短臺階法等. 國內(nèi)已經(jīng)有一些學者對大斷面隧道的施工力學進行過研究, 并取得了一些研究成果[1～3]. 基于數(shù)值模擬技術(shù), 高峰和尹小寶[4]分析了關(guān)子嶺隧道在不同施工方法下圍巖的應(yīng)力和位移分布特征, 為該隧道最優(yōu)施工方案的確定奠定了基礎(chǔ). 劉光唯和丁志亮[5]針對哈大客運專線筆架山隧道的施工特點, 優(yōu)化了該隧道施工中采用的交叉中隔墻法, 保障了該隧道施工的順利進行. 孫兆遠等[6]采用數(shù)值模擬方法對客運專線鐵路大斷面隧道的力學特征進行了對比分析, 總結(jié)了不同施工方法的技術(shù)特點, 為大斷面隧道的安全施工提供了參考. 黃嘉億[7]通過建立三維數(shù)值計算模型, 綜合分析多種圍巖條件下臺階法不同參數(shù)對高速鐵路隧道穩(wěn)定性的影響, 為采用臺階法施工的高速鐵路隧道參數(shù)選擇提供了理論依據(jù). 模型試驗是研究隧道穩(wěn)定性的有效方法之一, 吳夢軍和黃倫海[8]利用這一方法研究了四車道公路隧道的施工力學特征, 并提出了最有利于該隧道圍巖穩(wěn)定的施工方案.

花甲山隧道屬于高速雙線鐵路隧道, 具有跨度大、斷面大的特點, 且因地形、地質(zhì)條件復(fù)雜多變, 同一條隧道內(nèi)軟弱圍巖和不良地質(zhì)種類繁多, 造成施工難度大、安全風險高. 為了能使隧道施工在保證安全的前提下滿足工期要求, 利用數(shù)值模擬技術(shù), 對該隧道的動態(tài)施工過程進行了模擬, 得到了隧道圍巖的變形規(guī)律和應(yīng)力分布特征. 通過對數(shù)值模擬結(jié)果進行分析, 提出有利于花甲山隧道圍巖穩(wěn)定的施工方案, 為工程的順利實施提供了有效保障.

1 工程概況

花甲山隧道淺埋段圍巖風化較為嚴重, V級圍巖段原設(shè)計采用大拱腳臺階法和CRD法施工. 結(jié)合花甲山地質(zhì)情況, 為了在保證施工安全的前提下加快施工進度, 大拱腳臺階法變更為三臺階七步施工法. 在圍巖松散破碎或土質(zhì)地段, 為了減少工序轉(zhuǎn)換次數(shù), 同時保證支護強度, CRD法在實際施工中變更為三臺階預(yù)留核心土法. 三臺階七步法開挖法的具體施工工序如圖1所示.

圖1 V級圍巖地段三臺階七步施工工序橫斷面圖

2 數(shù)值模擬計算過程

2.1 數(shù)值模型的建立過程

基于巖體和支護結(jié)構(gòu)的力學特征, 隧道圍巖及注漿加固圈都采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型進行模擬;砂漿錨桿采用錨桿單元模擬; 鋼拱架和噴射混凝土采用殼單元模擬; 二次襯砌采用實體單元. 各材料參數(shù)根據(jù)花甲山地質(zhì)勘探報告以及相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范進行取值, 具體數(shù)值如表1～4所示. 隧道模型左右邊界為4倍洞徑, 上下邊界為3.5倍洞徑, 由于實際工程中采用了三臺階七步法, 模擬過程中開挖面也分為7個部分進行開挖, 每循環(huán)開挖進尺定為0.6m, 各臺階之間開挖不同步. 圖2顯示了具體計算模型和開挖步驟.

表1 實體單元力學參數(shù)

表2 拱墻砂漿錨桿cable結(jié)構(gòu)單元力學參數(shù)

表3 鋼拱架+網(wǎng)噴初支shell結(jié)構(gòu)單元力學參數(shù)

表4 臨時鋼支撐beam結(jié)構(gòu)單元力學參數(shù)

圖2 隧道模型及開挖過程

2.2 三臺階法開挖數(shù)值模擬結(jié)果

1) 圍巖塑性區(qū)分析

第一輪開挖完成后的隧道縱向塑性區(qū)分布, 如圖3所示. 從圖中可以看出, 洞室臺階面與圍巖交界區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)小范圍的剪切破壞區(qū)域; 由于采用小斷面開挖, 上部環(huán)形掌子面處于較為穩(wěn)定的狀態(tài), 拱頂位置出現(xiàn)小范圍的受拉破壞; 臺階核心土受到開挖的影響, 出現(xiàn)大范圍的塑性區(qū)域. 完整開挖完成后, 隧道塑性區(qū)分布如圖4所示. 從圖中可以看出, 洞門位置出現(xiàn)較大區(qū)域的塑性破壞, 在拱腳位置出現(xiàn)小范圍的剪切塑性區(qū).

從以上分析可知, 隨著隧道臺階的開挖, 隧道拱頂和仰拱處的塑性區(qū)得到了控制. 雖然噴錨支護阻止了圍巖發(fā)生大面積的屈服破壞, 但是由于噴錨支護屬于柔性支護, 不能完全限制圍巖的變形, 部分圍巖出現(xiàn)了少量的塑性變形. 因此, 圍巖在噴錨支護的保護下, 變形達到穩(wěn)定后應(yīng)立即施做二次襯砌, 確保圍巖不發(fā)生過大的變形.

圖3 第一輪開挖完成后隧道縱向塑性區(qū)分布

圖4 完全開挖后隧道縱向塑性區(qū)分布

2) 圍巖應(yīng)力特征分析

圖5～8為第一輪和最后一輪開挖完成后圍巖最大和最小的主應(yīng)力圖. 從這些圖中可以看出, 在隧道開挖后, 圍巖應(yīng)力呈對稱分布, 最大和最小主應(yīng)力在隧道周邊區(qū)域的變化較大, 而在遠離隧道的區(qū)域變化較小.

圖5 第一輪開挖完成后的最大主應(yīng)力圖

圖6 第一輪開挖完成后的最小主應(yīng)力圖

圖7 開挖完成后的最大主應(yīng)力圖

圖8 開挖完成后的最小主應(yīng)力圖

從最大主應(yīng)力等值線圖可以看出, 隧道周邊區(qū)域基本以壓應(yīng)力為主. 此外, 圍巖最大主應(yīng)力在隧道斷面形狀發(fā)生變化的位置變化比較顯著. 在隧道的拱頂和拱底的局部位置出現(xiàn)了拉應(yīng)力. 最小主應(yīng)力等值線的分布特征與最大主應(yīng)力等值線分布特征相似, 在隧道拱腳處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象.

3) 圍巖位移特征分析

由于隧道的開挖采用了鉆爆施工, 隧道周邊圍巖被擾動, 從而導(dǎo)致巖體的初始應(yīng)力場和位移場發(fā)生變化, 為了分析隧道開挖對圍巖初始位移場的影響, 繪制了不同開挖狀態(tài)下圍巖位移場的分布圖, 如圖9～12所示.

圖9 第一輪開挖完成后圍巖豎向位移分布云圖

圖10 第一輪開挖后圍巖水平位移分布云圖

圖11 開挖完成后圍巖豎向位移分布圖

圖12 開挖完成后圍巖水平位移分布

圖9和圖10為第一輪開挖完成后, 隧道周邊圍巖豎向和水平位移分布圖. 從圖中可以看出, 隧道豎向位移從上臺階掌子面向后發(fā)展, 掌子面處拱頂沉降值為6.88mm, 而拱底隆起值為22.8mm. 由于隧道在施工過程中采用了超前小導(dǎo)管注漿對圍巖進行加固, 圍巖的最大水平位移為28mm, 出現(xiàn)在拱腰處. 開挖完成后, 隧道拱頂?shù)淖畲蟪两禐?2.1mm, 拱底隆起值為25mm. 從以上數(shù)據(jù)可知, 采用三臺階七步開挖方法,能較好地控制隧道周邊圍巖位移的發(fā)展.

4) 隧道初期支護內(nèi)力分析

隧道的初期支護由錨桿和噴射混凝土組成, 錨桿和噴射混凝土施做到開挖后的圍巖中, 與圍巖形成了共同受力體系. 在錨噴支護的限制下圍巖能夠產(chǎn)生適量的變形, 從而釋放掉原始巖體中儲存的巨大原始應(yīng)力, 對維持隧道圍巖的穩(wěn)定性起到重要作用. 隧道施工的進行對初期支護結(jié)構(gòu)受力影響很大, 通過分析施工過程中初期支護的受力情況, 可以為初期支護的優(yōu)化設(shè)計提供有效參考.

圖13～15為隧道完全開挖之后, 噴射混凝土及錨桿的受力情況. 從噴射混凝土受力圖中可以看出, 噴射混凝土所受到的剪切應(yīng)力值在隧道縱向分布一致, 而軸力值受臺階法開挖方法的影響在隧道縱向有所變化. 噴射混凝土內(nèi)力的最大值出現(xiàn)在拱腰位置, 因此, 拱腰位置的附近圍巖受到更為明顯的擠壓作用.從圖15可以看出, 錨桿受壓區(qū)和受拉區(qū)基本一致, 受壓區(qū)基本分布在隧道起拱線附近, 其他部分位置的錨桿均受到拉應(yīng)力.

圖13 噴射混凝土軸力圖

圖14 噴射混凝土剪力圖

圖15 錨桿軸力分布情況

3 基于數(shù)值模擬結(jié)果的花甲山隧道施工方案優(yōu)化

現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù), 真實地反映了實際施工過程中圍巖變形的發(fā)展情況, 對隧道施工安全的監(jiān)控起到了至關(guān)重要的作用. 根據(jù)監(jiān)控量測采集數(shù)據(jù)結(jié)果并整理出斷面監(jiān)測點的位移變化情況, 與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比, 可以驗證數(shù)值模擬結(jié)果的有效性. 圖16為現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬得到的拱頂沉降曲線對比圖.

圖16 現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬拱頂沉降曲線對比圖

從圖中可以看出, 隨著隧道開挖的進行, 基于數(shù)值模擬得到的拱頂位移變形曲線與根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)繪制的拱頂位移變形曲線變化趨于一致. 這說明, 基于數(shù)值模擬得到的隧道拱頂位移變化特征與現(xiàn)場實測結(jié)果是基本吻合的. 且數(shù)值模擬得到的拱頂位移最終值為32.2mm, 而實測得到的拱頂位移最終值為36.6mm, 數(shù)值計算結(jié)果略小于監(jiān)測值, 證明了本文的數(shù)值模擬是可靠和有效的.

花甲山隧道監(jiān)測的最大拱頂沉降量在鐵路隧道施工規(guī)范(TB 10204-2002)的許可范圍之內(nèi). 這說明三臺階七步開挖法, 有效限制了圍巖變形的發(fā)展, 并且最大化地發(fā)揮了圍巖的自身承載能力, 為花甲山隧道的安全施工提供了有效保障.

4 結(jié)論

基于數(shù)值模擬技術(shù), 模擬了大斷面高速鐵路隧道的動態(tài)施工過程, 通過分析圍巖應(yīng)力、位移分布和支護結(jié)構(gòu)受力等施工力學特征, 得到了以下結(jié)論:

(1) 三臺階七步開挖法將大斷面隧道分成了7個部分分步開挖, 充分發(fā)揮了圍巖的自身承載能力, 限制了圍巖變形的發(fā)展, 為隧道施工的安全進行提供了有效保障;

(2) 為了驗證數(shù)值模擬的正確性, 將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行了對比. 對比分析結(jié)果表明, 基于數(shù)值模擬的拱頂位移變形曲線與根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)繪制的拱頂位移變形曲線基本一致, 證明了本文的數(shù)值模擬是可靠和有效的.

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[3] 孫雪蓮, 金美海. 高速鐵路隧道穿越富水大斷層施工監(jiān)控分析研究[J]. 鐵道建筑, 2008, (12): 43~47

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Study of Construction Method for Large Cross Section High Speed Railway Tunnel Using Three-dimensional Numerical Simulation

HUANG Fu1,2, HE Han1
(1.School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China; 2. Key Laboratory for Safety Control of Bridge Engineering, Ministry of Education and Hunan Province, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

As the construction mechanics characteristics of large cross section high speed railway tunnel is complex, the dynamic construction process of Hua jia shan tunnel is simulated by using three-dimensional numerical software. The stress and displacement characteristics of rock mass and surface deformation law are obtained. By comparing with field measured data, the dynamic construction mechanical characteristics of large cross section high speed railway tunnel are concluded which provides support for construction scheme optimization of this project.

large cross section railway tunnel; numerical simulation; monitoring measurement; mechanical characteristics, construction method

U45

A

1672-5298(2014)03-0070-06

2014-07-20

國家自然科學基金青年科學基金(51308072); 長沙理工大學橋梁工程安全控制省部共建教育部重點實驗室開放基金(13KC04)

黃 阜(1983 ? ), 男, 湖南岳陽人, 博士, 長沙理工大學土木與建筑學院講師. 主要研究方向: 隧道與地下工程