大坡度隧道斜井施工力学的数值模拟研究

王玉锁，唐建辉

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043;2.西南交通大学 峨眉校区，四川 峨眉 614202)

随着我国高速和高等级公路设计标准的提高，隧道也越来越长，尤其是四川、重庆、云南、广西等西部边远山区的高速公路更是如此。现有射流风机技术满足不了高速公路长大隧道的运营通风需要，采用竖井、斜井等辅助运营通风的隧道越来越多。如大相岭隧道斜井是雅泸高速公路大相岭特长隧道的运营专用通风巷道，工程位于雅安市汉源县境内。斜井左线全长909.378 m，倾角17.28°，开挖断面面积 55.86～72.13 m2;右线全长912.698 m，倾角16.49°，开挖断面面积55.86 ～ 72.13 m2［1］。

本文根据斜井施工中所经过的Ⅳ级围岩地质情况，结合所采用的Ⅳ型支护措施分别进行了三维数值模拟分析。研究了不同围岩级别和不同支护措施条件下隧道初期支护、二次衬砌的安全系数和变形受开挖影响的规律。

1 模拟工程概况

Ⅳ级围岩支护参数情况见图1。隧道开挖的顺序见图2。

施工过程描述:① 开挖上台阶，并施设锚杆及初期支护;②在距离上台阶3 m后，开挖下台阶部分并施设锚杆、初期支护，进行仰供封闭;③施作二次衬砌。

在数值模拟中，开挖30 m范围内，所涉及的开挖顺序依次为:上台阶开挖3 m→上台阶开挖6 m→下台阶开挖3 m→上台阶开挖9 m→下台阶开挖6 m→上台阶开挖12 m→下台阶开挖9 m→上台阶开挖15 m→下台阶开挖12 m→上台阶开挖18 m→下台阶开挖15 m→上台阶开挖21 m→下台阶开挖18 m→上台阶开挖24 m→下台阶开挖21 m→上台阶开挖27 m→下台阶开挖24 m→上台阶开挖30 m→下台阶开挖27 m→下台阶开挖30 m→斜井开挖完成→二次衬砌完成。

图2 施工工序

2 计算情况

2.1 力学参数的选取

各力学参数如表1所示。

2.2 建模情况

模型为三维模型，模型纵向长为30 m，坡度倾角30%(约17.28°)，两侧离隧道中心约为55 m，底部边界距隧道下台阶开挖底面50 m，隧道上部覆土为50 m。共有201 780个8节点六面体单元，共有节点数213 497个。模型网格具体见图3、图4。

表1 力学参数表

2.3 计算过程

按施工工序，逐步开挖，施工过程数值模拟见图5。

图3 模型全貌图

图4 模型结构放大图

图5 施工过程数值模拟图

3 计算结果及分析

通过三维有限元软件进行模拟，为消除边界影响，选取距离初始开挖断面6 m处作为研究断面。本次计算的主要目的是评价上下台阶法施工初期支护及二次衬砌的安全性。为了更形象地描述在开挖过程中研究断面支护结构的轴力、弯矩、位移及安全系数的变化，本计算详细地给出了在开挖各断面上下台阶时，研究断面支护结构各控制点的轴力、弯矩、位移及安全系数的大小。

3.1 初期支护位移分析

在开挖各断面上下台阶时，研究断面初期支护拱顶及仰拱变化趋势见图6，研究断面初期支护各控制点具体位移见图7。

图6 Ⅳ级围岩初期支护拱顶及仰拱变化趋势

图7 位移图(单位:0.1 mm)

从图6可以看出，研究断面处初期支护及仰拱位移不大，初期支护拱顶最大下沉3.5 mm，仰拱中部向上位移最大4.6 mm，相对竖向位移最大8.1 mm，左右最大相对水平位移2 mm，满足施工预留变形量;从拱顶与仰拱位移变化趋势图(图6)可以看出，在距研究断面12 m(上台阶开挖18 m)时，位移变化开始稳定。

3.2 结构内力分析

为分析结构内力，研究了断面(开挖6 m时)初期支护施工中轴力、弯矩及安全系数的变化规律。

3.2.1 初期支护轴力

研究断面初期支护轴力分布如图8所示(受压为正)。

从图8可以看出，研究断面上台阶初支拱脚所受轴力较大，在开挖后面3～12 m(上台阶开挖9 m至上台阶开挖18 m)范围时，拱脚所受轴力减小，故应注意上台阶拱脚处的径向加强措施;在开挖距研究断面6 m(下台阶开挖12 m)时，仰拱中部开始出现拉力，最大为100 kN，说明对于Ⅳ级围岩情况，仰拱紧跟掌子面时要承受底部围岩上拱力，故应注意在仰拱施作时做好下部基础回填及加固措施。

3.2.2 初期支护弯矩

研究断面初支弯矩分布见图9所示。从图9可以看出，研究断面初期支护所受弯矩总体较小，在边墙墙脚处最大，最大为30 kN·m，仰拱所受弯矩较大，最大弯矩在仰拱与边墙的交界处，最大为66 kN·m，故应在仰拱与边墙交界处采取支护加强措施。

图8 Ⅳ级围岩初期支护轴力(单位:kN)

图9 Ⅳ级围岩初期支护弯矩(单位:kN·m)

图10 Ⅳ级围岩研究断面初期支护安全系数

3.2.3 初期支护安全系数

研究断面初期支护安全系数分布如图10所示。研究断面初期支护边墙底及仰拱与边墙交界变化趋势见图11。

从图11可以看出，研究断面处初期支护边墙墙脚安全系数为1.0，其它部位均 ＞1.0;仰拱在与左右边墙交界处部分的安全系数为1.8，受拉控制，不能满足规范要求，说明这部分为应力集中处，应加强支护措施;从安全系数变化趋势来看，当距研究断面9 m(上台阶开挖15 m)时，结构安全系数变化趋于稳定。

3.2.4 二次衬砌计算结果

图11 Ⅳ级围岩研究断面初期支护下台阶墙脚及边墙与仰拱交界处安全系数变化趋势图

二次衬砌施作后，所受内力、位移及安全系数见图12。

图12 研究断面二次衬砌轴力、弯矩、位移和安全系数

从图12可以看出，二次衬砌受内力、位移极小，安全系数很大，均满足规范要求。

4 结语

通过大相岭隧道通风斜井上下台阶施工过程的数值计算分析，决定隧道斜井开挖采用二台阶法施工，根据开挖断面情况将断面纵向划分为上下两个台阶，上台阶与下台阶错开3 m，且与上台阶平行作业。该开挖方法的优点是作业空间大，适合大型机械作业，同时该方法由于工序简单，全环封闭时间短，施工速度快，而且能够保证施工的安全性，是行之有效的施工方法。

［1］郑捷，郑焰，舒文军，等.大倾角曲线斜井衬砌施工技术［J］.隧道建设，2009(2):109-111.

［2］中华人民共和国交通部.JTG D70—2004 公路隧道设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.