基于某高速公路隧道施工工法分析比較

(重慶大學(xué)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司 重慶 400045)

一、概述

本文涉及隧道為小凈距+分離式長(zhǎng)隧道，左洞起訖樁號(hào)為ZK47+390～ZK49+450，長(zhǎng)度2060米；右洞起訖樁號(hào)為K47+365～K49+482，長(zhǎng)度2117米。左洞最大埋深125.5米，右洞最大埋深130米。其中，隧道進(jìn)出口段埋深較淺，根據(jù)地質(zhì)勘察資料，地質(zhì)比較完整，結(jié)構(gòu)性一般，基本接近Ⅳ級(jí)圍巖條件。本文采用ANSYS軟件中的非線性分析功能對(duì)隧道進(jìn)行建模分析，通過(guò)對(duì)單側(cè)壁導(dǎo)坑法、環(huán)形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法及上下臺(tái)階法三種不同功法的研究，分析選取安全可靠的施工工法。

二、有限元模型及施工步序模擬

(一)計(jì)算模型的選取

數(shù)值模擬軟件對(duì)隧道開(kāi)挖進(jìn)程進(jìn)行模擬時(shí)，選取右線進(jìn)口K47+450斷面，斷面埋深約27m，模型采用平面二維計(jì)算，為減小邊界效應(yīng)保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，建立的平面模型(如圖1)，模型尺寸為：左右隧道開(kāi)挖邊界想兩側(cè)分別取50m，豎直向上取至地表，地表至隧道拱頂27m，地表至下邊界50m；因隧道為小凈距淺埋隧道，故計(jì)算時(shí)按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮，本次隧道計(jì)算未考慮超前和鋼支撐的支護(hù)作用，計(jì)算相對(duì)保守。

圖1 典型計(jì)算模型

(二)計(jì)算參數(shù)的選取

根據(jù)地勘資料，本次模擬計(jì)算選取的各材料有限元計(jì)算參數(shù)見(jiàn)下表：

表1 有限元計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)綜合取值表

(三)施工步序

根據(jù)單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工方案特點(diǎn)，結(jié)合本隧道實(shí)際情況，本次模擬計(jì)算分步如下表：

表2 單側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖計(jì)算步驟表

根據(jù)環(huán)形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法，本次模擬計(jì)算分步如下表：

表3 環(huán)形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法開(kāi)挖計(jì)算步驟表

根據(jù)上下臺(tái)階法，本次模擬計(jì)算分步如下表：

表4 上下臺(tái)階法開(kāi)挖計(jì)算步驟表

三、計(jì)算結(jié)果及分析

(一)圍巖位移分析

本文分別采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法、環(huán)形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法及上下臺(tái)階法三種不同施工工法時(shí)對(duì)應(yīng)的圍巖最大變形量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。

表5 各工法下圍巖整體最大位移表(單位：mm)

根據(jù)上表可知，三種施工工法圍巖位移均小于12mm，滿足《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于隧道變形的規(guī)定及設(shè)計(jì)預(yù)留變形(12mm)要求，即變形值滿足施工控制要求。

(二)圍巖應(yīng)力分析

本文分別采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法、環(huán)形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法及上下臺(tái)階法三種不同施工工法時(shí)對(duì)應(yīng)的圍巖最大應(yīng)力統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表6。

表6 各工法下圍巖最大應(yīng)力分析表(單位：MPa)

根據(jù)上表及地勘資料可知，三種施工工法的圍巖應(yīng)力均滿足巖體的受力要求。

(三)初支應(yīng)力分析

本文分別采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法、環(huán)形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法及上下臺(tái)階法三種不同施工工法時(shí)對(duì)應(yīng)的初支最大應(yīng)力統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表7。

表7 各工法下初支最大應(yīng)力分析表(單位：MPa)

(四)二襯安全系數(shù)分析

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2004)求得各個(gè)荷載步下二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，匯總各工況下最小安全系數(shù)如表8。

表8 各工法下二襯最小安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)對(duì)二襯安全系數(shù)分析，三種工法下二襯結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)均大于2.4，滿足《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定。

四、結(jié)論

(1)本文研究隧道的進(jìn)出口段采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法、環(huán)形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法和上下臺(tái)階法施工均能夠滿足施工控制要求。

(2)環(huán)形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法施工雖能有效控制變形和受力，但其施工工序多，施工周期長(zhǎng)。

(3)單側(cè)壁導(dǎo)坑法二襯最小安全系數(shù)相對(duì)較大，但其施工過(guò)程中工序及臨時(shí)支護(hù)使用相對(duì)臺(tái)階法多。

(4)臺(tái)階法圍巖應(yīng)力相對(duì)較大，但各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足施工控制要求，且施工工藝成熟，施工工序較少，能夠有效縮短施工工期。