淺埋輸水隧洞穿越高速公路施工仿真模擬研究

李文富

(遼寧省水利廳，遼寧沈陽(yáng) 110003)

1 工程概況

某重點(diǎn)輸水工程穿越高速公路段位于某河谷淺埋段，洞室長(zhǎng)215m。穿越部位洞頂埋深10.8～15.8m，第四系沖洪積物厚約3.0～5.4m，其中粉質(zhì)粘土層厚約 0.3～3.0m，圓礫層厚約1.9～3.4m，上覆巖體厚度6.2～8.2m。洞室圍巖為凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r，弱風(fēng)化為主，局部強(qiáng)風(fēng)化，巖石強(qiáng)度低，為較軟巖。該段洞室圍巖類別以Ⅴ類為主。

該段隧洞屬于典型的淺埋段，設(shè)計(jì)上采用淺埋暗挖法施工。為了更全面地了解和分析該新建隧洞開(kāi)挖對(duì)原有高速公路穩(wěn)定性的影響，本文運(yùn)用Midas GTS軟件對(duì)隧洞施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，通過(guò)路面沉降量判斷施工過(guò)程對(duì)公路產(chǎn)生的影響情況。該次數(shù)值模擬分析計(jì)算采用地層結(jié)構(gòu)法，未考慮地下水等因素。

2 設(shè)計(jì)主要參數(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

隧洞穿越Ⅴ級(jí)圍巖地區(qū)，對(duì)已有設(shè)計(jì)成果采用有限元程序分析驗(yàn)算，確保結(jié)構(gòu)安全經(jīng)濟(jì)。隧洞開(kāi)挖采用微震控制爆破技術(shù)，初期支護(hù)采用錨噴支護(hù)和鋼拱架支護(hù)聯(lián)合的方式，二襯采用模筑混凝土及時(shí)襯砌，混凝土襯砌與初期支護(hù)共同抵抗圍巖的變形。隧洞支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1，隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

表1 隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表 單位:年

隧洞開(kāi)挖后對(duì)隧洞洞頂圓礫進(jìn)行加固處理，注漿范圍為頂拱90O，注漿孔直徑為Φ76，孔深一直鉆入圓礫層中1m。90O范圍以外采用固結(jié)灌漿對(duì)圍巖進(jìn)行固結(jié)，孔深3.5m，環(huán)向設(shè)置6個(gè)孔，縱向間距3.0m，梅花形布置。

隧洞開(kāi)挖時(shí)采用Φ42小導(dǎo)管超前支護(hù)，小導(dǎo)管間距0.3m。隧洞開(kāi)挖采用臺(tái)階分步法開(kāi)挖，開(kāi)挖的循環(huán)進(jìn)尺不大于1m。初期支護(hù)采用型鋼鋼架HW150間距0.6m;錨桿采用Φ25L4000@1000×1000，鋼筋網(wǎng)采用 Φ8@150×150，噴射混凝土C30厚度200mm。

2.2 力學(xué)參數(shù)選擇

隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算所用參數(shù)綜合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2004)、《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70-2010)、《鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157-2003)等規(guī)范進(jìn)行選取，具體見(jiàn)表2、3。

(1)巖土層力學(xué)計(jì)算參數(shù)。

圖1 斷面結(jié)構(gòu)圖

表2 計(jì)算用巖土層力學(xué)參數(shù)表 單位:年

(2)支護(hù)結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)。

表3 計(jì)算用支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)表 單位:年

3 施工模擬

3.1 計(jì)算模型

針對(duì)公路采用Midas GTS軟件建立地層結(jié)構(gòu)模型，對(duì)下穿隧洞施工過(guò)程進(jìn)行模擬，在計(jì)算中，邊界約束條件對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大。因此，為盡量減小邊界約束條件對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的不利影響，計(jì)算模型的邊界范圍按照以下原則進(jìn)行了確定，即有限元計(jì)算模型所取得地層范圍是:水平方向取隧洞左右3倍洞徑即30m;豎直方向隧洞下方取仰拱底部30m范圍，而隧洞上方按照實(shí)際埋深進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算參數(shù)參照巖土層力學(xué)參數(shù)表和支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)表選取。

3.2 計(jì)算假定

(1)采用彈塑性計(jì)算模型。

(2)采用均一地層，巖土體的變形是各項(xiàng)同性的。

(3)隧洞的受力和變形是平面應(yīng)變問(wèn)題。

(4)不考慮地下水的影響。

(5)路面上部施加車道荷載，車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qk=12kN/m。

3.3 模擬說(shuō)明

計(jì)算中采用隧洞與地層共同作用的受力模式模擬分析隧洞結(jié)構(gòu)的受力。初期支護(hù)采用梁?jiǎn)卧?，圍巖采用二維平面單元模擬。從偏于安全的方面考慮，隧洞上臺(tái)階開(kāi)挖后，初期支護(hù)承受40%的圍巖壓力，隧洞下臺(tái)階開(kāi)挖后，初期支護(hù)承受全部的圍巖壓力。二襯作為安全儲(chǔ)備，不在施工模擬計(jì)算中考慮。該次計(jì)算共對(duì)3種工況進(jìn)行模擬。工況一:不對(duì)地層進(jìn)行注漿加固，直接開(kāi)挖;工況二:按照原設(shè)計(jì)采用洞內(nèi)注漿加固地層，再進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè);工況三:采用地表注漿方式對(duì)地層加固，再進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)。

圖2 計(jì)算模型圖

3.4 模擬結(jié)果

3.4.1 工況一

在不對(duì)地層進(jìn)行加固處理的情況下開(kāi)挖隧洞，計(jì)算結(jié)果如圖3～6。

圖3 豎向位移云圖

圖4 路基豎向位移云圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，路面最大沉降量為24.3mm，初期支護(hù)最大軸力627.25kN，最大彎矩64.01kN.m。

圖5 初期支護(hù)彎矩圖

圖6 初期支護(hù)軸力圖

3.4.2 工況二

按照原設(shè)計(jì)在隧洞內(nèi)對(duì)地層采用注漿加固，注漿范圍深入圓礫層1m，地層注漿加固模型圖見(jiàn)圖8。

圖7 洞內(nèi)地層加固模型圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，路面最大沉降量為21.2mm，初期支護(hù)最大軸力515.64kN，最大彎矩64.70kN.m。

3.4.3 工況三

采用地表注漿方式對(duì)地層進(jìn)行加固，加固范圍為隧洞跨度2倍范圍內(nèi)，地表注漿加固模型圖見(jiàn)圖8。

圖8 地表注漿土層加固模型圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，路面最大沉降量為15.3mm，初期支護(hù)最大軸力626.01kN，最大彎矩45.45kN.m。

3.4.4 二襯結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

對(duì)隧洞二襯結(jié)構(gòu)驗(yàn)算采用荷載結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算結(jié)果如圖9、10所示。

圖9 二次襯砌軸力圖

圖10 二次襯砌彎矩圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，最大拉力為1.11kN，出現(xiàn)在拱頂位置;最大壓力為2.64kN，出現(xiàn)在拱腳位置;最大彎矩為2.23kN.m，出現(xiàn)在底板中部位置。通過(guò)計(jì)算可知二次襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3.4.5 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)比3種工況的計(jì)算結(jié)果，采用注漿方式對(duì)地層進(jìn)行加固可一定程度上減小隧洞開(kāi)挖引起的地層沉降，其中洞內(nèi)注漿可減小沉降量3.1mm，約占沉降量的12.8%，地表注漿可減小沉降量9mm，約占沉降量的37%。由此可見(jiàn)，通過(guò)地層注漿可有效減小地層沉降，是抑制地層產(chǎn)生較大沉降量的有效的加固方式。另外，根據(jù)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，拱腳與底板交接處局部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，彎矩較大，在施工時(shí)應(yīng)對(duì)該部位加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，必要時(shí)及時(shí)進(jìn)行加固處理。而通過(guò)對(duì)二襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算可知，二襯結(jié)構(gòu)能夠滿足運(yùn)營(yíng)使用要求。

4 結(jié)論與建議

鑒于輸水隧洞穿越高速公路的重要性，通過(guò)對(duì)穿越施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬結(jié)果分析，得出以下結(jié)論。

(1)建議在隧洞施工前，從地表對(duì)地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行注漿加固，加固范圍為隧洞周邊2倍洞徑的距離，路基邊沿采用與地面夾角60O方向斜向注漿。隧洞在高速公路下方施工時(shí)需打設(shè)大管棚，施工過(guò)程中，及時(shí)通過(guò)小導(dǎo)管對(duì)周邊圍巖注漿加固，以減小隧洞施工導(dǎo)致的土體固結(jié)沉降，降低其對(duì)路基及路面的影響。

(2)隧洞開(kāi)挖采用CD法分臺(tái)階施工，上臺(tái)階與下臺(tái)階拱腳處均應(yīng)打設(shè)鎖腳錨桿，每處打設(shè)2～4根，襯砌拱部與邊墻均應(yīng)打設(shè)系統(tǒng)錨桿。每一個(gè)分部開(kāi)挖后，應(yīng)立即采用噴射混凝土封閉洞室圍巖，并及時(shí)進(jìn)行拱架支護(hù)和錨桿、掛網(wǎng)支護(hù)等，要求整個(gè)工序在短時(shí)間內(nèi)完成，以保證圍巖穩(wěn)定。

(3)開(kāi)挖施工采用微震控制爆破技術(shù)，遵循“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的方針，保障隧洞施工過(guò)程的安全，每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺不大于0.8m，鋼拱架間距不大于0.8m，二襯施做應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)。

(4)根據(jù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案對(duì)隧洞的初期支護(hù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力計(jì)算，拱腳與底板交接區(qū)域存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，建議結(jié)構(gòu)上采用圓弧過(guò)渡或在施工過(guò)程中對(duì)該區(qū)域采取加強(qiáng)措施;建議根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果及地質(zhì)情況，對(duì)局部變形較大或圍巖較差區(qū)域加強(qiáng)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以增加隧洞結(jié)構(gòu)的安全性。

(5)施工階段將引起路面產(chǎn)生沉降和裂縫。應(yīng)加強(qiáng)隧洞施工期間的監(jiān)控量測(cè)，尤其應(yīng)對(duì)路面進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，并對(duì)路面的裂縫情況進(jìn)行觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，將監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)結(jié)果及時(shí)反饋，指導(dǎo)施工作業(yè);隧洞施工結(jié)束后，施工單位應(yīng)對(duì)路面的沉降與裂縫采取相應(yīng)方式處理，恢復(fù)原貌。

［1］張淵，魏放，田新明．淺埋暗挖法施工工藝在鐵路隧道穿越高速公路中的應(yīng)用［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)．2008(02):88～91．

［2］許亞軍．超淺埋暗挖隧道下穿高速公路的施工技術(shù)［J］．隧道建設(shè)．2009(02):101 ～104．