双洞八车道小净距公路隧道七步台阶法开挖数值模拟

2012-01-27张强锋张文婷

铁道标准设计 2012年8期

张强锋,张文婷

(西南交通大学峨眉校区,四川峨眉山 614202)

1 概述

三台阶七步开挖法是以弧形导坑预留核心土法为基本模式,分上、中、下3个台阶开挖面,各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开,平行推进的施工作业方法[1]。该方法适用于开挖断面为100～180 m2,具有一定自稳能力的Ⅳ、Ⅴ级围岩,由于其多方面的优点在铁路大断面隧道已经得到广泛的应用[2-6]。而双洞八车道公路隧道在Ⅳ级围岩中,单洞开挖断面达到220 m2,且小净距使左右洞相互影响,使用七步台阶法开挖是否可行是一个很有意义的课题。因此,本文依托广深沿江高速公路牛头山隧道,利用有限差分软件研究双洞八车道小净距公路隧道七步台阶法施工过程中初期支护结构位移、内力的动态特征,为七步台阶法在超大断面公路隧道中的应用推广打下基础。

2 工程背景

牛头山隧道为双洞八车道小净距公路隧道,全长373 m。围岩主要是中、强、全风化混合片麻岩。隧道埋深30 m,左、右线隧道开挖跨度均为20 m,左、右线隧道间净距为18 m,初期支护采用厚27 cm C25微纤维全环湿喷混凝土,φ25 mm中空注浆锚杆4.5 m@(纵×环)0.75 m×1 m,I20a型钢间距0.75 m,中间岩柱加固采用φ25自进式锚杆6 m@(纵×环)0.75 m×1 m及φ43 mm注浆锚管4.5 m@(纵×环)0.75 m×1 m,采用七步台阶法施工,开挖步序见图1。

图1 开挖步序

3 计算模型

本次计算采用有限差分软件Flac进行,模型水平方向为200 m,每边100 m,约5倍跨径,竖向为120 m,其中洞顶以上按埋深取30 m,洞底以下约55 m；隧道纵向方向取1 m,按照平面力学问题计算。总计划分网格25 440个,节点数51 502个。模型中注浆加固区、初期支护、围岩均采用实体单元。围岩本构关系采用理想弹塑性模型,并服从Mohr-Coulomb屈服准则[7-8]。计算模型网格划分如图2所示。

图2 计算模型

4 计算参数

根据现场的地质条件及《公路隧道设计规范》(JTJD07—2004)[9],选取Ⅳ级围岩计算参数。锚杆的加固效果根据经验通过提高围岩的物理力学参数来模拟[10]。钢拱架的作用采用抗弯刚度等效予以考虑,即将钢拱架弹性模量折算给喷射混凝土。具体参数见表1。

表1 Ⅳ级围岩计算参数

5 计算结果

5.1 初期支护应力

由于篇幅有限,仅列举部分施工步序的最大和最小主应力云图,见图3。

由图3可知：

(1)洞周边最大主应力为拉应力,最小主应力为压应力,但是应力的绝对值以最小应力最大,它们各自控制着岩体的拉伸破坏与压缩破坏；

(2)隧道支护最大拉应力主要发生在拱顶和仰拱中部,最大压应力主要发生在各部开挖后的拱脚或墙角,因此施工各部时应加强拱脚或墙角支护,设置锁脚锚杆(管)、钢架纵向连接钢筋等。

(3)左洞各导坑步开挖完成后,初期支护最大压应力为9.7 MPa,最大拉应力为0.104 MPa,当右洞开外完成时,最大压应力为11.6 MPa,最大拉应力0.227 MPa,最大压应力增加量为19.6%,最大拉应力增加量为118.3%。

(4)隧道初期支护结构最大主应力满足规范[9]要求,初期支护处于安全状态。

5.2 初期支护轴力

为了解初期支护内力随施工步序变化情况,设置了以下内力监测点位,如图4所示。

图4 隧道支护结构内力监测点布置

隧道初期支护各测点轴力随施工步序变化规律见图5。

图5 支护结构监测点轴力随施工步序变化规律

由图5可知：

(1)左右洞所有测点轴力均为压力(负值),左洞先开挖且受右洞开挖影响,初期支护内力整体大于右洞。

(2)左洞初期支护最大轴力分布在右边墙上部(测点5),左边墙(测点7)、右边墙中部(测点8)和右拱脚(测点4)轴力也较大,这是由于隧道扁平,左右边墙承受拱部传递的荷载大,而右洞开挖对中岩柱扰动使左洞右边墙及右拱脚轴力更大；最小轴力分布在仰拱中部(测点11)。右洞初期支护最大轴力分布在左边墙中部(测点8),最小轴力分布在两拱腰(测点4、6)和仰拱中部(测点11)。

(3)左洞部分测点(3、5、7)由于后续施工步序开挖对围岩多次扰动,围岩应力重分布导致支护结构轴力波动,随着施工步不断推进,支护结构轴力逐渐增加,当施工步序开挖至12步时,轴力逐渐趋于稳定。右洞部分测点(2、5、7)轴力亦有波动,后逐渐趋于稳定。

(4)左洞开挖完毕后,初期支护拱顶轴力约为-1 105.2 kN,右边墙上部轴力量值约为-2 267.96 kN,左边墙上部轴力量值约为-2 106.00 kN；当右洞开挖完毕后,拱顶轴力约为-1 271.93 kN,右边墙上部轴力量值约为-2 710.63 kN,左边墙上部量值约为-2 398.97 kN,左右边墙轴力增加分别为19.5%和14%。

5.3 初期支护弯矩

隧道初期支护各监测点弯矩随施工步序变化规律见图6。

图6 支护结构监测点弯矩随施工步序变化规律

由图6可知：

(1)除左洞两拱腰(测点4、6)弯矩为正,其余弯矩为负(内侧受拉,外侧受压),在弯矩值上,左右两洞相差小。

(2)左洞负弯矩中最大弯矩分布在拱顶左侧(测点2),左边墙上部(测点7)、右边墙中部(测点8)和仰拱右侧(测点12)弯矩值也较大,最小弯矩分布在仰拱中部(测点11)。右洞最大弯矩分布在拱顶右侧(测点3),拱顶左侧(测点2)和左边墙中部(测点8)弯矩值也较大,最小弯矩分布在仰拱中部(测点11)。

(3)左洞部分测点(2、3、5、7)和右洞部分测点(2、3、5、7)由于后续施工步序开挖对围岩多次扰动,围岩应力重分布导致支护结构弯矩波动,随着施工步不断推进,支护结构弯矩逐渐增加,并逐渐趋于稳定。

(4)左洞除测点8、10、12外,其他各点在左洞开挖完毕后,逐渐趋于稳定,右洞开挖对其影响较小。左洞右边墙中部(测点8)、仰拱左侧(测点10)和仰拱右侧(测点12)在左洞开挖完成和右洞完成后的弯矩值分别是-10.08、-3.87、-4.06和-12.17、-5.9、-10.7 kN·m,增幅分别为20.7%、52.5%、163.5%,说明右洞开挖对左洞这些部位影响明显。