大跨度土质隧道自然成拱优化数值模拟研究

蒋凌云, 陈秋南,2, 李腾飞, 赵磊军, 刘文骏



大跨度土质隧道自然成拱优化数值模拟研究

蒋凌云*1, 陈秋南1,2, 李腾飞1, 赵磊军1, 刘文骏1

(1. 湖南科技大学 土木工程学院,湖南 湘潭, 411201; 2. 湖南省普通高校土木工程施工过程与质量安全控制重点实验室,湖南 湘潭, 411201)

土质隧道围岩在工程实际施工中具有明显的弹塑性变形特征. 通过运用FLAC3D软件, 模拟隧道实际开挖过程, 可得到隧道开挖过程中围岩应力分布及周边位移变化量, 为隧道的施工提供预警信息和优化隧道设计提供理论支持. 在控制地表变形方面, 采用交叉中隔壁法(Cross diaphragm-CRD)施工时, 地表最大沉降量为20.37 mm, 而双侧壁导坑法则为25.8 mm, 结果表明CRD法在控制围岩变形方面要优于双侧壁导坑法. 因此, 为了避免隧道在开挖过程中发生塌方等事故, 应优先采用CRD法开挖. 然而, 运用FLAC3D软件模拟CRD法开挖过程, 得到开挖隧道上部导洞所引起地表的沉降量占总沉降量的50%以上. 因此, 对CRD法上部导洞的开挖工序进行优化, 能有效地降低塌方等事故发生的概率.

优化数值模拟; 改变工序后的CRD法; 自然成拱; 土质隧道

我国地形复杂, 以山岭为主, 山岭面积约占国土总面积的73%[1—2]，因此, 我国修建的隧道数量及总长都位居世界第一. 狮球岭铁路隧道是我国修建的第一座隧道, 至今已有120多年的历史[3—4].

在高速铁路修建过程中, 为了尽量克服地形上的障碍, 同时使线路平直、缩短路程, 避免不良地质条件对高速铁路运输的影响, 修建隧道成为一种重要的工程建设. 但由于现场地质条件的复杂性, 山岭隧道在修建过程中, 通常施工难度较大. 而对于大跨度土质隧道而言, 由于其介质本身强度低, 自稳能力差, 不同于一般岩石的围岩压力和力学特性, 导致在隧道施工过程中灾害频繁发生, 大大影响了施工进度及施工人员的生命安全. 在对我国已修建的土质隧道进行调查中不难发现, 目前在建土质隧道普遍存在隧道塌方现象, 而其它的隧道在施工过程中也不同程度地出现了衬砌开裂等不良现象[5—6]. 本文将运用FLAC3D建模对高铁隧道自然成拱施工进行优化模拟分析, 进一步研究土质隧道成拱机理, 分析其受力状况和地表沉降以避免坍塌事故的发生, 并为以后的类似隧道工程开挖、施工和更好地理论研究提供一些参考.

1 隧道断面尺寸及模型的选取

根据圣维南理论[7—9]可知: 分布于某一小块面积或体积弹性体内的荷载而引起物体中产生的应力, 在离荷载作用区域较远的地方, 基本上只等同于荷载的合力; 荷载的实际分布只对荷载区域附近产生影响, 根据工程经验法, 因地下硐室开挖而造成的应力分布及影响范围一般为3～5倍硐径[10—12], 因此, 一般隧道的拱底至下边界距和左右边界距都假设为50 m, 而拱顶埋深则取隧道发生坍塌事故时的实际深度10 m. 在实际工程中有3种模型[13—14], 弹性模型、Null模型和Mohr-Coulomb模型. 综合实际情况, 本文采用Null模型来模拟隧道的开挖部分, 而在后续阶段, 需将Null模型材料转化成其他的材料模型, 以此来模拟隧道的二次衬砌.

通常土质隧道普遍采用双侧壁导坑法进行施工, 但在遇到坍塌事故后, 将开挖方法变更为交叉中隔壁法(Cross diaphragm-CRD)工法进行施工. 在模拟隧道开挖工程中, 对于超前管棚加固, 可采用调整围岩参数的等效方法来模拟; 对于钢拱架及初喷混凝土加固, 则采用Shell结构单元来模拟[15—16], 二次衬砌则采用实体单元调整参数进行模拟. 图1和图2分别为双侧壁导坑法三维网络模型和CRD法开挖三维模型.

图1 双侧壁导坑法三维网格模型

图2 CRD法开挖三维网格模型

2 模型边界条件及物理参数

FLAC3D隧道模型的边界条件为: 左右边界施加力为水平方向上的约束力, 底部边界上施加的力则为水平与竖直方向及速度方向上的约束力, 顶部边界为自由边界, 无任何约束. 模型物理参数见表1.

表1 模型参数

3 数值模拟与结果分析

用FLAC3D对大跨土质隧道开挖过程中周边围岩最大主应力数值模拟结果如图3、4、5所示.

图3 双侧壁导坑法最大主应力

图4 CRD法最大主应力图

图 5 改变工序后的CRD法最大主应力

模拟结果图3、4、5表明:

(1) 不同工法开挖下, 在隧道的拱顶、拱脚和拱底处都出现了不同程度的应力集中现象. 但相对CRD法和改变工序后的CRD法而言, 双侧壁导坑法在相应区域出现的应力集中更为严重, 同时集中荷载也最大.

(2) 常规CRD法相对于改变工序后的CRD法而言, 在拱顶处的最大集中主应力虽然较小, 但底部集中应力则较大.

对大跨土质隧道开挖过程中地表沉降数值运用FLAC3D进行模拟, 结果如图6、7、8所示.

地表沉降模拟结果图6、7、8及不同施工方法下的累积沉降曲线图9、10、11表明:

(1) 当采用CRD工法开挖隧道时, 隧道上部地表沉降随着隧道开挖位置的变化而变化. 当最初开挖左侧导洞时, 地表沉降范围偏向于开挖一侧, 而随着开挖的继续, 沉降范围也由最初偏左的位置逐渐偏移至隧道中心线正上方, 影响区域偏离隧道中心30 m左右. 施作二衬后, 在隧道中心线处地表最大沉降量达到20.37 mm.

(2) 在隧道各部开挖初期, 地表沉降变化大, 随着支护措施的延长, 沉降虽继续增长, 但变化率和影响范围逐渐减小. 因此, 在隧道开挖过程中, 及时施作初期支护及临时支护, 是保证隧道安全稳定的重要因素之一.

图6 双侧壁导坑法地表沉降曲

图7 CRD法地表沉降曲线

图8 改变工序后的CRD法地表沉降

图9 双侧壁导坑法地表沉降图

(3) 在隧道上部开挖过程中, 隧道地表沉降量达到了总沉降量的一半以上, 这是由于隧道上部导洞在开挖完成后, 会释放大量应力, 而此时围岩正处于临空状态, 拱部围岩在受到拉应力的作用下, 变形较大, 致使地表也会产生较大沉降量. 随后开挖下部导洞, 地表沉降量同样会继续增大, 但相对上部开挖所引起的沉降量明显减小.

(4) 从计算结果不难看出, 改变工序后的CRD法所引起的地表沉降量为18.9 mm, 相对传统的CRD工法较小, 因此, 适当地改变开挖工序可有效地控制地表沉降量.

图10 CRD法地表沉降图

4 结论

(1) 隧道围岩主要承受压应力, 最大压应力分布于隧道顶部和底部位置, 同时隧道拱顶地表处受压分布图呈现出抛物线形式, 符合压力拱理论特征.

(2) 隧道顶部为应力集中区域, 是整个隧道在开挖过程中引起围岩变形的主要区域, 因此变形较大, 而在整个隧道开挖所产生的塑性区内, 主要受到压缩剪切破坏.

(3) 通过优化CRD法隧道开挖工序, 并运用FLAC3D数值模拟隧道实际开挖的过程, 从而得出了开挖过程中的围岩应力分布情况、周边位移变化量, 并与传统的CRD法进行分析比较, 结果表明采用改变工序后的CRD法进行施工, 无论是从地表沉降还是围岩应力的分布情况看, 都要优于传统的CRD法, 同时也为隧道的施工提供警示信息, 能有效地降低隧道塌方事故的发生概率.

图11 改变工序后的CRD法地表沉降

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Research on simulation and optimization of large-span soil tunnel under natural arching rail

JIANG LingYun1, CHEN QiuNan1,2, LI TengFei1, ZHAO LeiJun1, LIU WenJun1

(1. College of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; 2. Key Laboratory of Construction Process and Quality and Safety Control of Civil Engineering, College of Hunan Province, Xiangtan 411201, China)

During the process of using FLAC3Dnumerical simulation of the actual tunnel excavate process, it can bedrawn rock stress distribution, surrounding the amount of displacement, for the tunnel construction to providewarning information and guidance, thetheoretical support is provided to optimize the tunnel design. In the aspectof control surface deformation, the method of CRD maximum settlement amount is 20.37mm when using CRD(Cross diaphragm) method to construct, while the method ofdouble side is 25.8 mm, the result illustrate CRD method is superior to double side drift method in the aspect ofcontrol rock deformation. Therefore, in order to avoid the tunnel landslides and other accidents during excavation,CRD method should be consideredpreferentially than double side drift method. The process of using FLAC3Dsoftware to simulate CRDmethod excavation, the upper guide hole excavated tunnel surface subsidence is more than 50% of the totalsettlement amount. So it can effectively reduce the probability of collapse and other accidents by optimizing the excavation process of CRD method upper guide hole.

numerical simulation; CRD method after changing the process; natural arching; soil tunnel

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.04.011

U 45

1672-6146(2014)04-0043-05

email: jianglingyun81290@163.com.

2014-06-06

国家自然科学基金项目(41172275, 41372303); 湖南省交通厅科技进步与创新项目(201229)

(责任编校: 江 河)