杜 飛
(中鐵十八局集團第四工程有限公司, 天津 300350)
小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析
杜 飛
(中鐵十八局集團第四工程有限公司, 天津 300350)
鑒于小凈距隧道的特點,研究圍巖穩(wěn)定性的影響因素。以石家莊至冀晉界曹家莊公路曹家莊小凈距隧道為研究背景依托,采用FLAC3D有限差分法,模擬不同的凈距、埋深、施工順序等影響因素條件下,小凈距隧道的圍巖影響程度,得出有用結(jié)論,為類似工程做參考。
小凈距隧道; 有限差分法; 穩(wěn)定性
圍巖失穩(wěn)模式和影響穩(wěn)定性的主要因素是高速公路小凈距隧道修建過程中的關鍵研究問題。在偏壓條件下,給施工安全帶來風險和隱患。本文以高速公路小凈距隧道的圍巖穩(wěn)定影響因素為主要研究對象,結(jié)合已經(jīng)順利完成施工的京昆高速公路晉冀界石家莊段曹家莊淺埋、偏壓、小凈距隧道,進行了較全面的FLAC3D有限差分法模擬計算。曹家莊小凈距隧道施工見圖1。
圖1 京昆高速晉冀界曹家莊小凈距隧道施工
2.1 計算參數(shù)
圍巖參數(shù)、圍巖加固參數(shù)及具體錨桿力學參數(shù)、初期支護噴射混凝土力學參數(shù)分別見表1~表3。
表1 圍巖及加固區(qū)計算參數(shù)
本次模擬計算使用巖土工程專業(yè)軟件FLAC3D進行有限差分法模擬,根據(jù)其單元特性選擇實體單元進行模擬圍巖以及支護結(jié)構(gòu)體。模型中x軸方向為水平方向,向左為正;y軸為開挖縱向,以開挖方向為正;z軸為豎直方向,以豎直向上為正,具體模型見圖2。
表2 錨桿力學參數(shù)
表3 初期支護計算力學參數(shù)
2.2 施工順序優(yōu)化
在隧道施工時,先里后外(先開挖深埋側(cè),再開挖淺埋側(cè)),還是先外后里(先開挖淺埋側(cè),再開挖埋深側(cè)),往往是施工中關鍵的問題。因此,采用數(shù)值模擬,以V級圍巖為例進行計算,不考慮注漿加固和支護結(jié)構(gòu)條件下,不同施工順序條件開挖引起圍巖變形情況見圖3。
從圖3(a)可以看出,“先里后外”施工引起隧道最大沉降為2.94cm。從圖3(b)可以看出,如果采用“先外后里”施工,最大沉降為2.47cm。因此,施工采用“先外后里”,即先開挖淺埋側(cè),再開挖埋深側(cè),有利于隧道整體圍巖穩(wěn)定性。
2.3 不同隧道凈距對比分析
2.3.1 先行洞拱頂沉降影響
數(shù)值模擬過程中,考慮支護結(jié)構(gòu)的作用,不同凈距條件下,先行洞拱部沉降最大值見圖4。
(a)整體模型
(b)襯砌結(jié)構(gòu)
(a)先里后外
(b)先外后里
(a)埋深10 m
(b)埋深20 m
(c)埋深40 m
(d)埋深80 m
從圖4看出,隨著凈距的增大,先行洞(右洞)拱部沉降減小。對于Ⅲ級、Ⅳ級圍巖來說,凈距大于或等于6m時,拱部沉降基本穩(wěn)定。而對于Ⅴ級圍巖,間距大于等于16m時,位移才能穩(wěn)定。對于小凈距隧道,當凈距很小時,由于變形相互疊加和影響,有大跨整體變形的趨勢。隨著凈距增大,雙洞變形慢慢分開,向著單洞變形發(fā)展。拱部沉降最大值均發(fā)生在斷面大后行洞拱部,且靠近中巖墻一側(cè)。
2.3.2 后行洞拱頂沉降影響
各種凈距條件下,后行洞(左洞)拱部變化曲線見圖5。
從圖5看出,后行洞相對先行洞來說,拱部沉降最大值更大。不同級別圍巖沉降差別明顯,Ⅳ級圍巖變形基本上是Ⅲ級圍巖變形2倍以上,Ⅴ級圍巖更大。均隨著凈距的增大,變形逐漸減小。
(a)埋深10 m
(b)埋深20 m
(c)埋深40 m
(d)埋深80 m
2.4 埋深對中巖墻塑性區(qū)影響
不同凈距條件下,中巖墻彈性區(qū)厚度曲線見圖6。
從圖6看出,對于凈距較小時,不管埋深多少,Ⅲ級圍巖呈現(xiàn)明顯彈性,Ⅳ級圍巖呈現(xiàn)彈塑性,Ⅴ級圍巖完全塑性。隨著間距的增大,中巖墻彈性區(qū)厚度隨著埋深增大,呈線性增大,說明逐漸呈現(xiàn)單洞特性,間距12m為最小安全凈距。
(a)凈距2 m
(b)凈距3 m
(c)凈距4 m
(d)凈距6 m
(e)凈距8 m
(f)凈距12 m
(g)凈距16 m
(h)凈距24 m
針對曹家莊小凈距隧道的施工順序,“先里后外”施工引起隧道最大沉降為2.94cm,而“先外后里”施工最大沉降為2.47cm。因此施工中采用“先外后里”,即先開挖淺埋側(cè),再開挖埋深側(cè),有利于隧道整體圍巖穩(wěn)定性。FLAC3D數(shù)值模擬計算的結(jié)果表明,后行洞(深埋測左洞)相對先行洞(淺埋測右洞)來說,拱部沉降最大值更大。不同級別圍巖沉降差別明顯,Ⅳ級圍巖變形基本上是Ⅲ級圍巖變形2倍以上,Ⅴ級圍巖更大。均隨著凈距的增大,變形逐漸減小。對于凈距較小時,不管埋深多少,Ⅲ級呈現(xiàn)明顯彈性,Ⅳ級圍巖呈現(xiàn)彈塑性,Ⅴ級圍巖完全塑性。
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杜飛(1985~),男,本科,工程師,主要從事施工技術及施工管理工作。
U452.1+2
A
[定稿日期]2016-09-06