洛帶古鎮(zhèn)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計與受力特性研究

陳常宇 蔣一波 楊 俊 韓龍強 李志鵬

(1.中電建路橋集團(tuán)有限公司；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院；3.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室)

洛帶古鎮(zhèn)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計與受力特性研究

陳常宇1蔣一波1楊 俊1韓龍強2,3李志鵬2,3

(1.中電建路橋集團(tuán)有限公司；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院；3.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室)

針對洛帶古鎮(zhèn)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力問題，先運用“同濟(jì)曙光-公路隧道設(shè)計系統(tǒng)”對支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計驗算，然后利用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究。以Ⅳ級圍巖段為例，選取一研究斷面，分析該斷面的圍巖位移、錨桿軸力及襯砌結(jié)構(gòu)的受力特性隨施工進(jìn)行的變化規(guī)律。結(jié)果顯示：在施工過程中，隨著開挖面與研究斷面距離的增大，圍巖位移和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力均有一定程度增長，且在隧道仰拱與拱腳相接處附近容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在實際施工過程中應(yīng)當(dāng)給予重點考慮；但總體來說，圍巖位移和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的絕對值均較小，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，支護(hù)設(shè)計方案可以滿足隧道安全要求。

隧道 支護(hù)結(jié)構(gòu) 數(shù)值計算 受力特性

在隧道施工過程中，由于設(shè)計、施工以及復(fù)雜的地質(zhì)條件等原因，常出現(xiàn)變形、破壞，甚至坍塌等地質(zhì)災(zāi)害[1]。為了保護(hù)施工人員的安全，減少國家經(jīng)濟(jì)損失，有必要通過一定方法認(rèn)識和掌握隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工過程中的受力特征和變形趨勢。

隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)一般均由噴射混凝土、防水層和二次襯砌混凝土組成，即傳統(tǒng)的整體模筑混凝土襯砌和復(fù)合式襯砌[2]。目前對于各種復(fù)雜建設(shè)條件下的隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析問題，數(shù)值模擬分析方法[3-4]仍是最常用的方法之一，已有很多專家學(xué)者通過數(shù)值模擬方法對隧道穩(wěn)定性問題進(jìn)行了研究分析[5-10]。本文針對洛帶古鎮(zhèn)隧道的圍巖特性，運用同濟(jì)曙光軟件對隧道支護(hù)方案進(jìn)行了設(shè)計驗算，利用FLAC3D軟件分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工過程中的受力變形特性，以期對指導(dǎo)隧道施工具有一定的參考價值。

1 工程概況

表1 隧道圍巖參數(shù)

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

“同濟(jì)曙光-公路隧道設(shè)計系統(tǒng)”用于計算公路隧道在設(shè)計荷載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。該系統(tǒng)由公路隧道設(shè)計軟件主程序(前、后處理)和計算程序組成，功能十分強大，運用此系統(tǒng)對洛帶古鎮(zhèn)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行設(shè)計驗證。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件，為了保證隧道的安全性，隧道支護(hù)采用初襯加二襯的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初襯為C20混凝土，厚22 cm，鋪設(shè)A8鋼筋網(wǎng)；縱向和環(huán)向布設(shè)間距均為1 m的3 m長錨桿；二襯為40 cm厚混凝土。以《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG D70—2004)[11]、《公路隧道設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D70—2010)[12]為依據(jù)，利用“同濟(jì)曙光-公路隧道設(shè)計系統(tǒng)”對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行初步穩(wěn)定性驗算。圖1為支護(hù)斷面模型圖，其計算結(jié)果見表2。

由表2可知，研究斷面處的支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力值均較?。涣硗飧鶕?jù)錨桿承載力驗算結(jié)果可知，錨桿最大軸力約為18.28 kN，且中部軸力大、兩端軸力小，受力合理，說明此支護(hù)方案合理可行。按照該支護(hù)設(shè)計方案，對實際施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性進(jìn)行具體分析。

圖1 斷面模型

單元ID最大軸力N/kN最大彎矩M/(kN·m)最大剪力Q/kN110392.143.071.28131374.82-73.48-5.2592363.58-20.3490.98

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

3.1 模型建立

為研究洛帶古鎮(zhèn)隧道穩(wěn)定性和驗證支護(hù)效果，采用FLAC3D有限差分程序進(jìn)行施工數(shù)值仿真模擬[13-14]。巖土體本構(gòu)關(guān)系模型采用Mohr-Coulomb模型，其中巖石力學(xué)參數(shù)取值見表1，支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

模型尺寸為72.4 m×54 m×49 m(X×Y×Z)，考慮邊界效應(yīng)，計算模型的下邊界施加數(shù)值方向的約束，前后邊界施加Y向的水平約束，左右邊界施加X向的水平約束。計算中只考慮自重作用，忽略構(gòu)造應(yīng)力，模型上部施加地表至隧道-70 m深的巖體自重1.61 MPa。數(shù)值模型見圖2。

圖2 計算模型

在數(shù)值仿真模擬過程中，分別采用liner單元和cable單元模擬隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的襯砌和錨桿。利用順序建模的方式實現(xiàn)隧道的開挖和支護(hù)，通過“空單元”命令實現(xiàn)開挖，同時建立結(jié)構(gòu)單元實現(xiàn)支護(hù)效果，支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬見圖3。

3.2 模擬結(jié)果分析

以距洞口1.5 m處研究斷面為例，在該斷面上布設(shè)特征點(圖4)，對圍巖拱頂沉降和周邊收斂、襯砌的第一主應(yīng)力和彎矩、錨桿軸力等變形和受力特征隨掌子面推移的變化趨勢進(jìn)行分析。

圖3 襯砌及錨桿模擬

圖4 研究斷面的特征點分布

3.2.1 圍巖變形特征分析

3.2.1.1 拱頂沉降

以1#特征點豎向位移曲線為對象，研究隧道該斷面處的拱頂沉降(圖5)?？芍?，隨著研究斷面與開挖面距離的增大，1#特征點的豎向位移也逐漸變大，但增加的速度越來越小。當(dāng)斷面與掌子面距離超過31.5 m時，隧道拱頂?shù)某两抵祷沮呌诜€(wěn)定，最終沉降值約7.7 mm。

圖5 拱頂沉降值變化曲線

3.2.1.2 周邊收斂

該斷面的周邊收斂曲線(即2#特征點和3#特征點的相對橫向位移曲線)如圖6所示?？梢钥闯?，2#和3#特征點的相對橫向位移隨著距開挖面距離的增加而逐漸增大，其位移變化速度越來越小。而當(dāng)研究斷面與開挖面距離超過31.5 m時，兩特征點間相對位移變化值便基本趨于穩(wěn)定，且最終收斂值較小，約1.7 mm。

圖6 周邊收斂值變化曲線

3.2.2 襯砌結(jié)構(gòu)分析

3.2.2.1 水平應(yīng)力

以第一個開挖進(jìn)尺范圍內(nèi)的襯砌為研究對象，Y正方向為隧道掘進(jìn)方向，該范圍內(nèi)襯砌的水平應(yīng)力云圖見圖7。從圖7可以看出，襯砌的水平應(yīng)力隨掌子面的推進(jìn)變化不是很明顯，且各處水平應(yīng)力的絕對值都比較小。底板與拱腳相接處水平應(yīng)力最大，其次是底板，拱腳水平應(yīng)力最小。當(dāng)研究斷面距離開挖面約16.5 m時，襯砌結(jié)構(gòu)的水平應(yīng)力在拱頂處約117 kPa，拱腰約2.2 kPa，拱腳67 kPa，底板153 kPa，底板與拱腳相接處約433 kPa；而當(dāng)研究斷面距離開挖面31.5 m時，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平應(yīng)力在拱頂處約120 kPa，拱腰約71 kPa，拱腳10 kPa，底板160 kPa，底板與拱腳相接處約614 kPa，且基本穩(wěn)定。據(jù)此可知，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力在施工過程中會不斷增加，且拱腳與底板相接處增加最大，但總體來說其絕對值均小。

圖7 襯砌結(jié)構(gòu)水平應(yīng)力云圖(單位：kPa)

3.2.2.2 豎向應(yīng)力

同樣以第一個開挖進(jìn)尺范圍內(nèi)的襯砌為研究對象，Y正方向為隧道掘進(jìn)方向，該范圍內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)的豎向應(yīng)力云圖見圖8?？芍S著研究斷面與開挖面距離的增大，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的豎向應(yīng)力也逐漸增加，但增值很小。隧道仰拱與拱腳相接處由于應(yīng)力集中原因會出現(xiàn)較大的豎向應(yīng)力。當(dāng)研究斷面距離開挖面約16.5 m時，襯砌結(jié)構(gòu)的豎向應(yīng)力在拱頂處約0.42 kPa，拱腰處約17 kPa，拱腳處約37 kPa，底板處約134 kPa，而底板與拱腳相接處的豎向應(yīng)力約430 kPa；當(dāng)研究斷面距開挖面31.5 m時，支護(hù)結(jié)構(gòu)的豎向應(yīng)力拱頂處約0.45 kPa，拱腰處約29 kPa，拱腳處約196 kPa，底板處約335 kPa，而仰拱與拱腳相接處的豎向應(yīng)力值約444 kPa，此時基本達(dá)到穩(wěn)定。

圖8豎向應(yīng)力云圖(單位：kPa)

3.2.2.3 最大彎矩

同樣以第一個開挖進(jìn)尺范圍內(nèi)的襯砌為研究對象，Y正方向為隧道掘進(jìn)方向。該范圍內(nèi)襯砌在施工過程中最大彎矩的變化情況見圖9。可知，第一步開挖后立即施作襯砌，由于距離掌子面很近，受掌子面處巖體的支承作用，襯砌彎矩較小且多處于正彎矩狀態(tài)，僅在邊墻與拱腳結(jié)合部分承受負(fù)彎矩。由此可知，襯砌結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力最終受初始地應(yīng)力控制，同時應(yīng)注意，隧道的拱腳及邊墻與仰拱結(jié)合處等曲率較大的部位容易引起應(yīng)力集中，在設(shè)計和施工過程中應(yīng)重點考慮。

3.2.3 錨桿軸力分析

隧道開挖過程中錨桿支護(hù)按照設(shè)計要求施作，錨桿長3 m，間距為1 m×1 m(縱×環(huán))。以距研究斷面最近處的一組錨桿為研究對象，錨桿支護(hù)在掌子面向前推進(jìn)過程中軸力變化情況見圖10?？芍?，最大軸力的錨桿位于拱頂處。第一步開挖后，錨桿施加后立即起到錨固作用，最大錨桿軸力為7.97 kN左右；而當(dāng)施工進(jìn)行到第十一步開挖后，錨桿最大軸力為15.84 kN左右?？芍?，在整個施工過程中，研究斷面處的錨桿軸力較小，有較大的安全儲備，能有效控制圍巖變形。

圖9 支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩云圖(單位：kN·m)

圖10 錨桿軸力圖(單位：kN)

4 結(jié) 論

(1)針對洛帶古鎮(zhèn)隧道地質(zhì)、圍巖條件，運用“同濟(jì)曙光-公路隧道設(shè)計系統(tǒng)”設(shè)計驗證了隧道的支護(hù)方案，并對隧道圍巖和襯砌的變形及受力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。無論是隧道拱頂沉降、周邊收斂，還是襯砌的水平應(yīng)力、豎向應(yīng)力、最大彎矩和錨桿軸力，從施作開始到基本收斂穩(wěn)定，需距掌子面約31.5 m。

(2)襯砌結(jié)構(gòu)的水平應(yīng)力是拱頂處大于拱腰及拱腳處；而豎向應(yīng)力卻是拱頂處小于拱腰及拱腳處。拱腳與仰拱相接處會出現(xiàn)應(yīng)力集中，在實際施工中應(yīng)給予重點考慮，其他部位內(nèi)力值均較小。

(3)錨桿受力合理，且拱頂處的錨桿受力最大，但整體錨桿的受力值均較小，布設(shè)的錨桿系統(tǒng)有較大的安全系數(shù)，能有效抑制隧道圍巖的變形和破壞。

[1] 王夢恕.21世紀(jì)山嶺隧道修建的趨勢[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2004(9):38-40.

[2] 鐵道第二勘察設(shè)計院.TB 10003—2005 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[3] 李樹忱,李術(shù)才,徐幫樹.隧道圍巖穩(wěn)定分析的最小安全系數(shù)法[J].巖土力學(xué),2007,28(3):549-554.

[4] 宋麗霞,陶干強,王清良.隧道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].礦業(yè)快報,2007,23(6):16-20.

[5] 李海光.隧道擴(kuò)挖圍巖與初期支護(hù)間的壓力監(jiān)測分析[J].筑路機械與施工機械化,2015,32(8):70-72.

[6] 胡 達(dá).公路隧道開挖過程中圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬[D].株洲:湖南工業(yè)大學(xué),2010.

[7] 張俊儒,仇文革.正削式隧道門圍巖和襯砌應(yīng)力計算及設(shè)計方法研究[J].巖土力學(xué),2006,27(11):2071-2075.

[8] 賈劍青,王宏圖,李 晶,等.復(fù)雜條件下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué),2010,31(11):3599-3605.

[9] 佘 健,何 川.軟弱圍巖段隧道施工過程中圍巖位移的三維彈塑性數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006,25(3):623-629.

[10] 李貽偉.巖溶公路隧道圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性數(shù)值模擬分析[D].重慶：重慶交通大學(xué),2010.

[11] 重慶交通科研設(shè)計院.JTGD 70—2004 公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[12] 中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司.JTGTD 70—2010 公路隧道設(shè)計細(xì)則[S].北京:人民交通出版社,2010.

[13] 彭文斌.FLAC3D實用教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

[14] 陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實例[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

2016-09-22)

陳常宇(1974—)，男，工程師，100048 北京市海淀區(qū)車公莊西路22號。