李海鴻,郭延輝,宋 琴,黃永華,付小兵
(1.云南建投第六建設(shè)有限公司,云南 玉溪 653199; 2.昆明理工大學(xué) 公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院,云南 昆明 650093)
隨著國家“一帶一路”倡議的深入實(shí)施,西南喀斯特山區(qū)高速公路網(wǎng)的建設(shè)達(dá)到了前所未有的規(guī)模。與此同時(shí),西南喀斯特山區(qū)巖溶隧道的數(shù)量和里程也不斷增加。隧道開挖將破壞巖體原巖應(yīng)力平衡狀態(tài),從而引起圍巖應(yīng)力重分布,導(dǎo)致隧道建成后圍巖可能出現(xiàn)一定的變形和破壞,嚴(yán)重時(shí)會出現(xiàn)冒頂、塌方等。特別是隧道經(jīng)過巖溶地段時(shí),由于巖溶地區(qū)特殊的地質(zhì)條件,圍巖松散破碎,巖土體穩(wěn)定性往往較差,突水突泥、垮塌等災(zāi)害較多,可能嚴(yán)重威脅隧道的施工和運(yùn)營安全。因此,對山區(qū)巖溶隧道建成后的圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究具有重要意義。
鑒于近年來我國隧道建設(shè)數(shù)量和難度不斷增加,眾多學(xué)者對隧道施工和運(yùn)營的圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,并且已經(jīng)取得了較為豐富的成果。張幸等分別應(yīng)用DP 與EDP 模型對隧道進(jìn)行數(shù)值模擬,并與解析解進(jìn)行三方對比,得出應(yīng)用EDP 模型的數(shù)值模擬結(jié)果更接近實(shí)際,解析解塑性區(qū)半徑比數(shù)值模擬小。鐘愛軍等建立了隧道上穿溶洞的計(jì)算模型,通過數(shù)值模擬手段分析了該施工條件下管片襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的變化規(guī)律。李曉剛等進(jìn)行了室內(nèi)巖溶隧道模型試驗(yàn),分析了不同溶洞分布大小、不同節(jié)理傾角及降雨等條件下隧道襯砌受力規(guī)律。鄭現(xiàn)菊等基于三維數(shù)值模擬仿真,分析了隧道圍巖及支護(hù)受隱伏溶洞的影響。
綜上可以看出,雖然針對隧道穩(wěn)定性的研究較為豐富,但對巖溶發(fā)育區(qū)隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究方面還不足。本文以西南山區(qū)某巖溶隧道為背景,采用三維數(shù)值分析方法,對隧道建成后圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析,研究成果對該隧道的運(yùn)營安全具有指導(dǎo)意義。
某隧道位于廣西與云南兩省的交界處,是一座雙向四車道分離式隧道,隧道左線全長1080m(廣西段長671m,云南段長409m),右線長1052m(廣西段長652m,云南段長400m),由廣西、云南各自施工所轄范圍段,在兩省交界位置處實(shí)現(xiàn)貫通。隧道斷面采用曲墻式,寬8.66m,高7.10m,最大埋深約為80m,最小埋深為8m。
本文重點(diǎn)針對隧道Ⅲ級圍巖段進(jìn)行開挖支護(hù)計(jì)算分析。所研究隧道段地質(zhì)情況如下:地表為少量紅砂巖覆蓋,下伏地層為石灰?guī)r,中厚層狀構(gòu)造,中風(fēng)化或微風(fēng)化,巖體較破碎,局部地段存在少量滲水或滴水現(xiàn)象,產(chǎn)生較大規(guī)模涌水可能性小,但洞室地處巖溶發(fā)育區(qū)。
隧道設(shè)計(jì)采用全斷面法開挖,開挖后及時(shí)施作相應(yīng)的初期支護(hù),初期支護(hù)穩(wěn)定后施作二次襯砌。初期采用Φ22 藥卷錨桿,L=2.5m,按梅花形布置,并結(jié)合巖層產(chǎn)狀適當(dāng)調(diào)整錨桿位置和方向,噴射10cm 厚C25 混凝土加鋼筋網(wǎng)支護(hù);二次襯砌為噴射35cm 厚的C30 混凝土,如圖1所示(圖1中尺寸除鋼筋、鋼管直徑以mm計(jì),其余均以cm 計(jì))。圖中Φ22 藥卷錨桿僅示一半,另一側(cè)關(guān)于隧道中心線對稱布置,邊墻及拱部設(shè)鋼筋網(wǎng)應(yīng)焊接在系統(tǒng)錨桿外露端。鋼筋網(wǎng)全斷面布設(shè),鋼筋網(wǎng)采用Φ8 鋼筋,網(wǎng)格尺寸為2525cm,鋼筋網(wǎng)片采用梅花形焊接。
圖1 隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)斷面圖
三維數(shù)值模型計(jì)算選取垂直隧道走向方向120m,沿隧道走向方向140m,高度方向最高117m。三維模型的單元總數(shù)為196730,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為276572,整體計(jì)算模型見圖2,隧道襯砌及錨桿布置模型見圖3。在模型的左右邊界,固定X 方向的位移,在模型的前后邊界,固定Y 方向的位移,在模型底部,固定三個(gè)方向的位移,模型頂部為自由邊界。
圖2 三維力學(xué)模型圖
圖3 隧道襯砌及錨桿布置模型圖
計(jì)算所采用的巖土體力學(xué)參數(shù)依據(jù)某隧道工程地質(zhì)勘察報(bào)告以及國內(nèi)外類似工程巖土體力學(xué)參數(shù)而確定,見表1,結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)見表2。計(jì)算采用Mohr-Coulomb 彈塑性本構(gòu)模型。
表1 巖土體力學(xué)參數(shù)
表2 結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算參數(shù)
圖4為隧道建成后總位移分布圖,可以發(fā)現(xiàn),隧道圍巖位移主要集中在頂板和底板中間位置,位移最大值為1.747mm,位于隧道埋深最深處,主要原因是隨著埋深的增加,地應(yīng)力一般也隨之增加。隨著埋深的降低,隧道總位移呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。為了便于分析隧道橫斷面上的應(yīng)力位移分布情況,本文重點(diǎn)選取剖面X=-75m 作為典型剖面進(jìn)行開挖支護(hù)分析。隧道建成后,剖面X=-75m 圍巖頂板下沉,底板隆起,頂板最大垂直位移為1.75mm,底板最大隆起量為1.50mm,隧道X 方向水平位移均較小,沒有超過規(guī)范要求,隧道整體穩(wěn)定狀態(tài)較好。
圖4 建成后隧道圍巖總位移分布圖
隧道開挖支護(hù)后,由于開挖卸荷作用,頂?shù)装鍛?yīng)力得到了一定釋放。從最大主應(yīng)力來看(圖5),隧道底板最大主應(yīng)力為0.149MPa,頂板最大主應(yīng)力為0.424MPa,在隧道邊墻部分出現(xiàn)了壓應(yīng)力集中,最大主壓應(yīng)力為2.905MPa。隧道圍巖最小主應(yīng)力在頂?shù)装逄幊霈F(xiàn)了一定的拉應(yīng)力集中,拉應(yīng)力最大值為0.295MPa,沒有超過隧道襯砌所用混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,基本不會發(fā)生由于強(qiáng)度不足引起的安全問題。
圖5 建成后隧道圍巖最大主應(yīng)力分布圖
圖6為隧道建成后二次襯砌總位移圖。不難發(fā)現(xiàn),隧道建成后初襯和二襯位移分布規(guī)律和數(shù)值大小基本接近,襯砌拱頂最大位移值為1.747mm。隧道左線和右線襯砌結(jié)構(gòu)位移隨著隧道埋深的增加而逐漸增大,變形規(guī)律較為一致??梢钥闯?,隧道襯砌整體位移較小,未超出規(guī)范要求。
圖6 建成后隧道二襯總位移圖
圖7為隧道二襯最大主應(yīng)力圖,可以看出,隧道二襯最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力同初襯一致也均表現(xiàn)為壓應(yīng)力,其中二襯最大主應(yīng)力極值7.822MPa,較初襯增大2.225MPa,位于埋深較深部位的拱腳處。最小主應(yīng)力整體表現(xiàn)為壓應(yīng)力,在拱腳位置出現(xiàn)了一定的拉應(yīng)力,拉應(yīng)力最大值為0.286MPa。
圖7 建成后隧道二襯最大主應(yīng)力分布圖
隧道建成后錨桿出現(xiàn)一定的位移,其中沿豎直方向最大位移出現(xiàn)埋深最深處,最大值為1.747mm,隨著隧道埋深的降低,錨桿豎向位移逐漸減小。水平方向最大位移出現(xiàn)在隧道中部位置附近靠近隧道一端,其值為0.244mm。
圖8為錨桿結(jié)構(gòu)軸力分布圖,隧道開挖支護(hù)完成后,錨桿軸力以受拉為主,隨著隧道埋深的增加,錨桿軸力逐漸增大。錨桿最大軸力為9.347kN,基本在允許范圍內(nèi)。
圖8 錨桿結(jié)構(gòu)軸力分布圖
本文應(yīng)用三維有限元數(shù)值計(jì)算軟件MIDAS GTS NX對某山區(qū)巖溶隧道建成后的圍巖和襯砌的穩(wěn)定性,及錨桿的可靠性進(jìn)行模擬分析,通過計(jì)算分析,主要得出以下結(jié)論:
(1)運(yùn)用三維數(shù)值計(jì)算軟件MIDAS GTS NX 進(jìn)行隧道開挖,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析是行之有效的,該軟件在襯砌,錨桿等支護(hù)單元建模上具有一定的優(yōu)勢。
(2)隧道開挖支護(hù)建成后,隧道拱頂下沉最大值為1.747mm,底板向上隆起最大為1.50mm,隧道圍巖、襯砌和錨桿等位移均較小,隧道襯砌和錨桿受力狀態(tài)較好,表明該山區(qū)巖溶隧道整體圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)基本處于穩(wěn)定。
(3)通過數(shù)值模擬仿真,計(jì)算分析得到該隧道的整體穩(wěn)定性,進(jìn)一步驗(yàn)證了該巖溶隧道開挖支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性,研究成果對該類山區(qū)巖溶隧道的支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)及隧道穩(wěn)定性控制具有一定的借鑒意義。