浅埋破碎围岩特大断面施工力学特征与安全分析

2017-09-15杨淋亦

四川建筑 2017年4期

关键词：轴力主应力台阶

杨淋亦

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

浅埋破碎围岩特大断面施工力学特征与安全分析

杨淋亦

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

在破碎围岩条件下，特大断面隧道采用台阶法开挖易产生塌方和大变形等问题。文章依托实际工程，针对浅埋破碎围岩条件下特大断面隧道台阶法开挖进行三维受力分析，模拟台阶法施工的各个阶段，分析各个阶段衬砌的受力变化，得到了横截面上隧道衬砌危险部位安全随台阶法施工的变化。运用断裂力学中的格里菲斯强度理论，从主应力角度分析了隧道衬砌整体开裂系数随台阶法施工步的变化。同时结合现场部分应力数据以及内部围岩挤压数据，分析大断面软弱围岩条件下台阶法施工的可行性。分析和实测皆表明，在浅埋软弱围岩条件下特大断面隧道台阶法施工是可行的。

特大断面；隧道；破碎围岩；台阶法施工；安全系数；开裂系数

随着我国基础建设的大发展，交通行业得到迅猛发展。在大跨隧道的施工中，为了避免一次性开挖过大，通常是改大跨为小跨[1-2]，及时形成封闭体系。在现阶段施工中，大断面破碎围岩隧道一般采用双侧壁导坑法和CRD法，这两种工法虽然是较为安全的工法[3-4]。但是其施工工序复杂，对围岩扰动次数多，机械利用率低，工期长，同时需要增加临时支护，增加了工程造价等缺点。台阶法便于现场组织，初期支护工序操作便捷，能够较好的使用机械，施工工序少，减少对围岩的扰动，能够大大的缩短工期[5-7]。国内已有学者对软弱围岩变形及荷载做出了研究[8-9]。本文主要从台阶法施工各个阶段受力以及最大应力对其安全性和开裂危险进行分析。

1 工程概况

贵阳南垭路三号隧道为分离式双向八车道隧道，两隧道间距20 m，单线四车道隧道，其开挖宽度21.878 m，高度为14.321 m，为贵阳市第一座四车道隧道，同时左线隧道下穿贵州省植物园，对沉降要求严格。

隧道所经地区主要为三叠系安顺组白云岩和三叠系松子坎组白云岩平少量泥灰岩，岩石中节理裂隙较发育，岩体总体较破碎，围岩稳定性较差～较好。本工程因隧道处于喀斯特地貌地区，地下岩溶较发育，两隧道间距较小，且为特大断面隧道，施工工期又较为紧张，为了缓解工期压力，右线隧道采用台阶法，左线隧道由于下穿植物园，选用双侧壁导坑法。

2 数值分析

2.1 计算模型及参数

本文采用Flac 3D进行数值分析，隧道埋深17 m，围岩等级为Ⅵ～Ⅴ，顶部5 m为黏土，地面5 m以下主要为三叠系白云岩，围岩稳定性差。隧道底部20 m视为基岩，初期支护为C25钢纤维混凝土，厚度35 cm，隧道断面开挖净宽21.9 m，开挖净空14.2 m，左右边界取3倍洞径，底部取3倍开挖高度，开挖方向取100 m。模型上部为自由边界，其他边界于其法线方向固定(图1)。

图1 计算模型

在计算中，模型围岩和支护均采用实体单元，通过赋予实体单元不同属性来模拟围岩和支护。锚杆单元通过提高围岩加固圈的物理参数进行模拟，初期支护钢架则采用等效刚度原则。在计算中围岩采用mohr-Coulomb屈服准则，支护则视为线弹性体，计算采用参数见表1。

表1 计算参数

2.2 台阶法施工受力及安全分析

为了研究台阶法开挖各个阶段支护结构受力以及其安全性，计算中对各个阶段受力进行提取，得到不同施工步初支弯矩轴力图(图2)。

弯矩/(kN·m) 轴力/kN(b) 下台阶施工

弯矩/(kN·m) 轴力/kN(c) 仰拱施工

弯矩/(kN·m) 轴力/kN(d) 二次衬砌施工图2 台阶法施工各阶段初支受力

弯矩/(kN·m) 轴力/kN
(a) 上台阶施工

从图2可以看出：

(1)隧道上台阶和下台阶开挖时，最大轴力皆出现在钢拱架脚部，所以拱脚易产生失稳。

(2)当仰拱施工完成，初期支护闭合成环，隧道弯矩和轴力将会发生调整，拱顶弯矩将会增大而拱腰处弯矩减小，而轴力皆增大，其增幅达到30 %。仰拱中心附近易出现小范围的拉力，拉应力最大值达到0.06 MPa，二次衬砌施做之后拉应力值迅速减小。

(3)隧道上台阶开挖后安全系数最小值为7.06，发生在拱脚部位。下台阶开挖后，拱顶以及拱腰部位轴力大幅增加，而弯矩变化较小，安全系数大幅下降。此时安全系最小数值为7.73，仍发生在拱脚。仰拱施工完成后，隧道闭合成环之后，安全系数基本不再发生，此时最小安全系数为5.3>2.4，仍满足规范要求(图3)。

图3 重点部位安全系数变化

2.3 施工过程开裂分析

根据格里菲斯强度理论对隧道衬砌开裂进行分析[10]，材料内部存在着许多细微裂隙，裂隙周围可以产生应力集中，导致裂缝扩展，最后材料完全破坏。在这种情况下，即使在压应力情况下，只要裂隙方位合适，也能在裂隙周围产生很高的拉应力，一旦拉应力超过抗拉强度材料也会破坏。

根据格里菲斯强度破坏准则：

当σ1+3σ3>0时

当σ1+3σ3<0

通过格里菲斯强度理论来对混凝土开裂进行分析，定义开裂系数K。

当σ1+3σ3>0时

当σ1+3σ3<0

综上：

通过对K的定义可知，当所求抗拉强度小于材料抗拉强度时，K小于1，材料裂缝不会扩展，能够抵挡开裂；当K大于1时，所求抗拉强度大于材料抗拉强度，结构存在拉裂的危险。

施工完成后中各危险点第一主应力、第三主应力如图4、图5所示，施工各个阶段主应力如表2、表3所示，开裂系数如图6所示。

图4 第一主应力

图5 第三主应力

图6 危险部位开裂系数变化

(1)上台阶开挖后，最大应力值出现在拱脚处且最大开裂系数也出现在拱脚部位。下台阶开挖后，拱腰压应力大幅度增长，而拱顶的拉应力大幅度增长，所以拱顶和拱腰部位开裂系数有较大幅度增长。当初期支护闭合成环之后，开裂系数达到稳定，即使二衬施工后应力有发生变化，但开裂系数不变，所以初期支护要尽快闭合。

表2 第一主应力

表3 第三主应力

(2)由于仰拱中心附近可能受拉，所以该部分拉应力值大于压应力值，但是拉应力值较小，所以开裂系数较小。当二次衬砌施工后，由于二衬自重等，拉应力减小所以开裂系数减小。同时在整个施工过程中隧道最大开裂系数0.36小于1，说明衬砌结构安全。

3 现场数据分析

为了进一步研究支护结构与围岩相互作用之间的关系，埋设位移计以及应变计多隧道围岩以及初期支护应力进行监测。

3.1 围岩内部位移变化规律

根据实测数据，分析整理得到围岩内部位移时程曲线如图7所示。隧道开挖造成应力的重新调整，围岩向隧道方向挤压变形，最初变形比较迅速随着时间的推移以及掌子面的远离，变化速度开始收敛，在最初的10 d时间变化速度最为迅速，在此期间变形量占总变形量的50 %～60 %。9月4号仰拱施完成后位移经过基本收敛，围岩与支护结构保持相对稳定。