大斷面隧道工法轉(zhuǎn)換段力學(xué)響應(yīng)與安全性分析

蔣 輝，張志強

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

在地層條件多變的大斷面隧道施工時，單一開挖方法很難滿足隧道安全、快速、經(jīng)濟(jì)施工，隨著工程地質(zhì)及周邊環(huán)境變化，開挖方法也要隨著轉(zhuǎn)化，開展高速公路大斷面隧道鉆爆開挖工法轉(zhuǎn)換技術(shù)具有重要的工程應(yīng)用價值[1-3]。

段慧玲[4]等利用有限元法模擬分析得出了不同圍巖等級下隧道的合理開挖方法。丁建隆[5]采用平面彈塑性有限單元法研究了淺埋大跨度隧道的合理施工工法，研究認(rèn)為在施工過程中應(yīng)根據(jù)實際情況對開挖工法進(jìn)行優(yōu)化。趙愛軍[6]結(jié)合工程實例，對雙側(cè)壁向CRD工法的成功轉(zhuǎn)換方案及過渡施工步驟進(jìn)行了闡述。查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，對于不同工法之間的轉(zhuǎn)換段，鮮有對其力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行具體的分析。

本文以橫山隧道為背景，通過ANSYS有限元軟件，建立雙側(cè)壁導(dǎo)坑法向三臺階七步開挖法轉(zhuǎn)換的有限元模型，分段模擬兩種工法開挖及工法之間轉(zhuǎn)換的動態(tài)施工，通過對比工法轉(zhuǎn)換段與轉(zhuǎn)換前后隧道圍巖應(yīng)力分布情況、初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力、安全系數(shù)、洞周位移等安全評價指標(biāo)，進(jìn)一步分析工法的轉(zhuǎn)換對大斷面隧道結(jié)構(gòu)和圍巖的影響，從力學(xué)響應(yīng)上判斷工法轉(zhuǎn)換的安全性。

1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法轉(zhuǎn)三臺階七步法開挖模擬

1.1 開挖模型建立

計算模型邊界條件設(shè)置如下：水平方向自隧道中心線至模型兩邊取50 m，模型沿隧道縱向取80 m，埋深為90 m。頂部為自由表面，不進(jìn)行約束，底面施加水平、豎向約束，其余面進(jìn)行法向約束。根據(jù)隧道尺寸及邊界條件建立計算模型如圖1所示。

圖1 整體計算模型

本文開挖模擬計算過程中，前半段擬采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法模擬開挖，后半段的三臺階七步開挖法，均考慮2 m的開挖進(jìn)尺為一個開挖步。在本步開挖同時，對上步進(jìn)行支護(hù)，這樣不斷地循環(huán)來模擬整個隧道的開挖及支護(hù)過程。擬在模型中部、z=40 m處的開挖截面附近進(jìn)行兩種工法之間的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換前后的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺階七步法開挖工序分別如圖2所示。

圖2 開挖工序示意

1.2 模擬參數(shù)選取

根據(jù)橫山隧道實測資料，地層參數(shù)為Ⅴ級圍巖，內(nèi)摩擦角25 °，粘聚力0.03 MPa；初期支護(hù)為28 cm的C20噴射混凝土，二襯厚度為60 cm；計算中圍巖、初支、二襯和臨時鋼支撐均采用6面體的solid45單元進(jìn)行模擬，鋼拱架的作用采用等效的方法考慮到初期支護(hù)中。其余模型參數(shù)值如表1所示：

1.3 轉(zhuǎn)換段施工步驟模擬

轉(zhuǎn)換段應(yīng)提前做好開挖規(guī)劃，盡量減少由于工法轉(zhuǎn)換對圍巖產(chǎn)生進(jìn)一步的擾動。

(1)首先停止雙側(cè)壁導(dǎo)坑法左1、2部開挖，進(jìn)行雙側(cè)壁導(dǎo)坑法右3部掌子面的施工，停止至雙側(cè)壁導(dǎo)坑法左1部掌子面里程。

表1 圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

(2)然后進(jìn)行上側(cè)壁導(dǎo)坑法主洞上臺階5部的開挖，停止至雙側(cè)壁導(dǎo)坑法左1部掌子面里程。

(3)此時按三臺階七步法開挖上臺階1部，當(dāng)1部進(jìn)尺2 m后，其余部位土體按三臺階七步法工序開挖。

2 計算結(jié)果分析

首先進(jìn)行自重應(yīng)力場求解，然后設(shè)置兩種工法分段模擬開挖及轉(zhuǎn)換段模擬開挖求解，對于計算求解結(jié)果，對比工法轉(zhuǎn)換段(取z=40m斷面)與雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖段(取z=20m斷面)、三臺階七步法開挖段(取z=60m斷面)處應(yīng)力狀態(tài)、初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力、安全系數(shù)、洞周位移，進(jìn)一步分析工法的轉(zhuǎn)換對隧道結(jié)構(gòu)和圍巖的影響，從而判斷能否安全實現(xiàn)兩種工法的轉(zhuǎn)換。

2.1 圍巖應(yīng)力場分析

z=20m、40m、60m三個目標(biāo)斷面初支施作后圍巖第一主應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 目標(biāo)斷面第一主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

由圖3可知，在雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖支護(hù)完成后(z=20 m)，圍巖最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在仰拱與臨時支撐交接的部位，數(shù)值上超過1 000 kPa，仰拱普遍拉應(yīng)力大小在500 kPa左右；在轉(zhuǎn)換段開挖支護(hù)完成后(z=40m)，圍巖最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在仰拱中心部位，為380.579 kPa左右；在三臺階七步法開挖支護(hù)完成后(z=60m)，整個仰拱部位的應(yīng)力較大，拉應(yīng)力分布范圍廣，圍巖最大拉應(yīng)力也出現(xiàn)在仰拱中心部位，為347.121 kPa；對比分析三個斷面開挖支護(hù)后圍巖第一主應(yīng)力分布云圖發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換段圍巖應(yīng)力值較前后段未出現(xiàn)明顯突變情況，轉(zhuǎn)換段仰拱拉應(yīng)力分布逐漸接近于三臺階法分布規(guī)律，從云圖分布規(guī)律來看，轉(zhuǎn)換段的主應(yīng)力在仰拱處、拱頂部位都明顯表現(xiàn)出了轉(zhuǎn)換特征。

2.2 初支內(nèi)力及安全系數(shù)分析

提取目標(biāo)斷面(z=20m、40m、60m)初支內(nèi)力計算結(jié)果，對比工法轉(zhuǎn)換斷面與前后兩種工法施作斷面結(jié)構(gòu)內(nèi)力及安全系數(shù)沿截面分布情況，得出工法轉(zhuǎn)換對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，并通過計算結(jié)構(gòu)各截面安全系數(shù)判斷結(jié)構(gòu)是否安全。

2.2.1 內(nèi)力分析

由圖4可知，z=20m、40m、60m三個斷面初支軸力、彎矩分布規(guī)律基本相似；從數(shù)值上來看，三個斷面軸力值、彎矩值均在墻腳處較大，軸力值分別為2 818.99 kN、2 821.53 kN、2 810.85 kN，彎矩值分別為163.21 kN·m、181.61 kN·m、184.35 kN·m；此外，轉(zhuǎn)換段結(jié)構(gòu)其余部位處內(nèi)力值均略大于轉(zhuǎn)換段前后。

圖4 初支內(nèi)力分布(單位：kN·m)

可以看出兩種工法的內(nèi)力分布規(guī)律表現(xiàn)出了明顯的工法特性，并且工法轉(zhuǎn)換對結(jié)構(gòu)內(nèi)力有一定的影響，但在數(shù)值上與轉(zhuǎn)換前后相差不大，在15 %范圍內(nèi)。

2.2.2 安全系數(shù)分析

三個目標(biāo)斷面初期支護(hù)安全系數(shù)如表2所示。

由表2可知，從全截面上來看，轉(zhuǎn)換段初支安全系數(shù)小于轉(zhuǎn)換前后，但均能滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)是安全的；三種開挖工況下，安全系數(shù)均在墻腳處最小，其中轉(zhuǎn)換段最小，為2.88，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法段次之，為3.47，三臺階七步法安全系數(shù)最大，為5.87，在施工中，著重監(jiān)測安全系數(shù)最小的部位，尤其要注意加強對工法轉(zhuǎn)換段的監(jiān)測工作。

2.3 洞周位移分析

提取位移計算結(jié)果，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺階七步法及工法轉(zhuǎn)換開挖段選取的三個目標(biāo)斷面最終洞周位移(減去自重場求解位移，負(fù)號表示位移向上)如表3所示。

表2 初支安全系數(shù)對比

表3 洞周位移對比 mm

分析表3發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換段洞周各部位水平收斂值略小于前后段，拱頂下沉量13.86 mm、仰拱隆起值12.40 mm，較前后段得到了較好的控制，拱肩、拱腰、拱腳部位豎向位移值介于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和三臺階七步法之間，說明轉(zhuǎn)換段位移得到了控制，能夠?qū)崿F(xiàn)兩種工法之間的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換。

3 結(jié)論

通過ANSYS有限元分析軟件，建立由雙側(cè)壁導(dǎo)坑法向三臺階七步法開挖模擬模型，對比轉(zhuǎn)換段與前后工法段襯砌及洞周圍巖的力學(xué)響應(yīng)特性，分析有以下結(jié)論：

(1)轉(zhuǎn)換段仰拱拉應(yīng)力分布逐漸接近于三臺階法分布規(guī)律，對比云圖分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換段圍巖應(yīng)力值較前后段未出現(xiàn)明顯突變情況，轉(zhuǎn)換段的主應(yīng)力在仰拱處、拱頂部位都明顯表現(xiàn)出了轉(zhuǎn)換特征。

(2)轉(zhuǎn)換段初支內(nèi)力分布規(guī)律和數(shù)值大小與轉(zhuǎn)換前后段無顯著變化，工法轉(zhuǎn)換時對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較小，從全截面上來看，轉(zhuǎn)換段初支結(jié)構(gòu)安全系數(shù)略小于轉(zhuǎn)換前后，但兩種工法及工法轉(zhuǎn)換段施作結(jié)構(gòu)各截面均能滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全。

(3)轉(zhuǎn)換段洞周各部位水平收斂值略小于前后段，開挖至工法轉(zhuǎn)換段附近時，由于設(shè)置了兩種工法過渡開挖步驟，對工法轉(zhuǎn)換時的洞周變形起到了很好的控制作用，能夠?qū)崿F(xiàn)兩種工法之間的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換。

(4)通過對轉(zhuǎn)換段的圍巖應(yīng)力場、初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力及安全系數(shù)和洞周位移分析，發(fā)現(xiàn)通過工法轉(zhuǎn)換段時雖對圍巖有著一定的擾動，但與前后工法斷面各項指標(biāo)數(shù)據(jù)對比，均顯示能夠安全穩(wěn)定通過工法轉(zhuǎn)換段。需要注意的是，通過工法轉(zhuǎn)換段時，必須嚴(yán)格按照轉(zhuǎn)換段施工過渡步驟，快速通過，規(guī)范施工。