留村隧道软岩施工技术

张沛杰

(中铁十二局集团,山西太原 030024)

留村隧道软岩施工技术

张沛杰

(中铁十二局集团,山西太原 030024)

以留村隧道为工程背景,借助有限元软件ANSYS建立留村1号隧道软岩段施工过程的三维计算模型,对软岩地层隧道围岩变形、应力和塑性区做了分析研究。结果表明:随着隧道的开挖,核心土部分由于没有支护措施,产生了较大的塑性区;而隧道周围存在较小塑性区的主要原因是由于初期支护以及锚杆和超前小导管的作用限制了围岩塑性区的扩展。

隧道工程;软弱围岩;台阶法;有限元分析

0 引 言

随着社会的不断进步,地上空间的有限性和目前的交通现状已满足不了社会发展的需求,因而中国城市地铁与隧道工程得到迅速的发展[1-4];但随着隧道建设的增多,隧道设计和施工的问题也越来越多,其中比较突出的就是隧道软弱围岩大变形,这种问题在隧道工程中很常见并且具有较大危害[5-9]。本文以留村1号隧道为工程背景,主要对软岩地层隧道围岩变形、应力和塑性区做分析研究。

1 隧道计算模型的选取

1.1 模型选取

留村1号隧道起迄里程为DK400+240~DK401+ 386,Ⅴ级围岩,全长1 146 m,线路所经路段均为页岩、砂岩,其中DK400+240~DK400+255、DK401+ 386~DK401+371段设计为明洞。取DK400+300~ DK401+350段的隧道作为研究对象,依据以往的工程经验以及隧道的影响范围,左右两侧取3~5倍隧道总跨度,底部边界距隧道底部的距离为2~3倍隧道高度,即整个计算模型在X方向取110 m、Y方向取90 m、Z方向取50 m。隧道顶部距地面的距离取40 m。模型左、右边界约束横向位移,前、后边界约束纵向位移,下部边界均施加竖向位移,模型的顶部为自由边界。对于围岩以及初支、超前支护均按照八节点六面体单元来模拟;隧道数值模拟主要分析拱顶沉降、净空收敛、围岩塑性区和支护结构应力等。隧道的三维计算模型见图1。

图1 隧道的三维计算模型

1.2 钢拱架的模拟

钢拱架采用I20b全环设置,间距为0.6 m,在计算模拟时根据面积等效原理将钢拱架折算到混凝土里,提高混凝土的弹性模量。折算公式[10]为

式中:E为折算后混凝土的弹性模量;E0为原混凝土的弹性模量;Sg为钢拱架截面积;Eg为钢材弹性模量;Sc为混凝土截面积。

1.3 地层与支护参数的确定

隧道经过的地层主要有砂岩和页岩,对于锚杆和管棚力学行为的数值模拟,主要是从锚杆加固作用的等效原则和锚杆的真实力学模型2方面考虑。其中等效原则就是依据相关的经验公式,把已经施加锚杆或管棚的围岩的弹性模量、黏聚力和内摩擦角等指标提高一定的比例[11-12]。隧道围岩和初期支护的参数见表1。

表1 围岩材料力学参数

1.4 隧道的开挖步骤

大拱脚台阶法施工顺序如图2所示。

图2 大拱脚台阶法施工顺序

2 数值模拟结果及分析

2.1 监测点布置

为最大限度减少边界约束对计算结果的影响,选取里程为DK400+325的断面(模型的中间断面)为研究对象。在拱顶和拱底各设1个监测点,拱脚和边墙处布置2条净空收敛测线,监测点的布置见图3。

图3 监测点布置

2.2 围岩位移分析

根据监测结果绘出隧道拱顶沉降和拱底隆起随开挖步的变化曲线,如图4所示。由图可知:隧道刚开挖引起中间断面的位移值很小,几乎没有影响;随着隧道的进一步开挖,中间断面处产生不同程度的沉降和隆起,说明隧道的开挖已影响到开挖面前方岩层;当隧道开挖到中间断面时,隧道拱顶沉降和拱底隆起发生了突变;等到中间断面全部开挖完之后,隧道拱顶沉降和拱底隆起均趋于稳定。

图4 隧道拱底隆起和拱顶沉降随开挖步的变化

根据拱脚收敛的监测结果绘出拱脚与边墙的收敛曲线如图5、6所示。由图可知:隧道开挖到中间断面之前,拱脚和边墙的水平变形很小;当隧道开挖到中间断面时,拱脚和边墙的水平位移突然增大;等到中间断面全部开挖完之后,隧道拱脚和边墙的水平位移均趋于稳定;拱脚水平位移的最终收敛值为1.6 mm,边墙水平位移的最终收敛值为4.5 mm。

图5 隧道拱脚水平收敛值随开挖步的变化

图6 隧道边墙收敛值随开挖步的变化

2.3 围岩应力分析

同样选取里程为DK400+325的断面(模型的中间断面)为研究对象,分析隧道中间断面每一部分开挖之后引起的隧道围岩的应力变化。每一部分开挖之后隧道围岩的最大第1主应力和最大第3主应力见表2。

由表2可知:开挖之前,隧道在自重的作用下保持着应力平衡状态;隧道开挖后,其受力平衡被打破,使其应力进行重新分布,围岩中的应力减小。隧道中间断面第①部分开挖之后,隧道的拱脚位置产生了较大的压应力,而隧道拱底和核心土表面产生了较大的拉应力;随着其他部分的开挖,核心土、隧道的拱顶和拱底均出现拉应力,且应力值越来越小,而最大压应力的位置也发生了改变,主要集中在边墙位置,且应力值越来越大。中间断面开挖完之后,拉应力主要集中在隧道的拱顶和拱底,其值很小,而最大的压应力集中在两侧的边墙位置,达2.12 MPa。这说明软岩中边墙承受着较大的水平压力,设计时要特别注意这一点。

表2 围岩的主应力和分布位置

2.4 围岩塑性区分析

隧道中间断面每一部分开挖之后引起的围岩塑性区的计算云图见图7。

由图7可知,随着隧道的开挖,核心土部分由于没有支护措施,产生了较大的塑性区,而隧道周围只有较小的塑性区。这主要是由于初期支护以及锚杆和超前小导管有很好的支护作用,限制了围岩塑性区的扩展。

图7 各部分土体开挖支护后围岩的塑性区分布

3 结 语

(1)隧道刚开挖时,中间断面的位移值很小,几乎不受影响;随着隧道的进一步开挖,中间断面处产生不同程度的沉降和隆起,说明隧道的开挖已影响到开挖面前方岩层;当隧道开挖到中间断面时,隧道拱顶沉降和拱底隆起发生了突变;等到中间断面全部开挖完之后,隧道拱顶沉降和拱底隆起均趋于稳定。隧道开挖到中间断面之前,拱脚和边墙的水平变形很小;当隧道开挖到中间断面时,拱脚和边墙的水平位移突然增大;等到中间断面全部开挖完之后,隧道拱脚和边墙的水平位移均趋于稳定。

(2)隧道中间断面第①部分开挖之后,隧道的拱脚位置产生了较大的压应力,而隧道拱底和核心土表面产生了较大的拉应力;随着其他部分的开挖,核心土、隧道拱顶和隧道拱底均出现拉应力,且应力值越来越小,而最大压应力的位置也发生了改变,主要集中在边墙位置,且应力值越来越大。中间断面开挖完之后,拉应力主要集中在隧道的拱顶和拱底,其值很小,而最大的压应力集中在两侧的边墙位置。

(3)随着隧道的开挖,核心土部分由于没有支护措施,产生了较大的塑性区;而隧道周围只有较小的塑性区,这主要是由于初期支护以及锚杆和超前小导管对其有支护作用。

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[责任编辑:杜敏浩]

Construction Technology of Soft Rock in Liucun Tunnel

ZHANG Pei-jie
(China Railway 12th Bureau Group Co.,Ltd.,Taiyuan 030024,Shanxi,China)

The three-dimensional model for the construction process of the soft rock section of the No.1 Liucun tunnel was established by using the finite element software ANSYS based on the engineering background.The deformation,stress and plastic zone of the rocks surrounding the tunnel in the soft rock formation were analyzed.The results show that there is a large plastic zone showing up in the core part following the excavation of the tunnel due to the lack of support measures;the main reason for the existence of smaller plastic zones around the tunnel is that the expansion of the plastic zone of the surrounding rock is confined by the initial support and the support of the anchor and the advanced duct.

tunnel engineering;weak surrounding rock;bench method;finite element analysis

U455.4

B

1000-033X(2017)07-0088-04

2017-01-04

张沛杰(1988-),男,山西襄汾人,高级工程师,研究方向为土木工程施工技术与管理。