摘 要: 針對(duì)廣惠高速公路小金口雙連拱隧道在不同施工方法下圍巖和隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)問(wèn)題,運(yùn)用有限元的方法對(duì)三導(dǎo)坑開(kāi)挖法和上下臺(tái)階開(kāi)挖法進(jìn)行了動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬,首次建立了在不同施工工序下圍巖的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng),進(jìn)而對(duì)這兩種施工方法進(jìn)行了比較,得出采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖的方案較優(yōu)。所建立的雙連拱隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系內(nèi)力(軸力和彎矩) 模型,對(duì)雙連拱隧道的設(shè)計(jì)和施工具有重大的指導(dǎo)意義。
隨著高速公路進(jìn)入山區(qū),隧道數(shù)量日益增多。這些隧道由于受地形及展線限制,一些較短的隧道(隧道長(zhǎng)一般< 500 m) 選用了連拱結(jié)構(gòu)型式,在四川、云南、貴州、浙江、福建及湖南省的一些高速公路上均規(guī)劃、設(shè)計(jì)了幾座至幾十座連拱隧道。在京福高速公路福建段一期工程的初步設(shè)計(jì)中的連拱隧道達(dá)29 座。
連拱隧道在一些特殊地形條件下,是一種很有效的結(jié)構(gòu)型式,對(duì)節(jié)省總體工程投資有著重要的意義。但從全國(guó)各地已建連拱隧道的情況看,確實(shí)存在工期較長(zhǎng)、工序較多、造價(jià)較高及工程質(zhì)量不夠理想等問(wèn)題。另一個(gè)重要的因素就是對(duì)連拱隧道的力學(xué)性質(zhì)沒(méi)有進(jìn)行深入的研究。鑒于雙跨連拱隧道結(jié)構(gòu)的特殊性,在設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)隧道初期(施工)支護(hù)參數(shù)、二次襯砌施作時(shí)機(jī)和參數(shù)、支護(hù)荷載的計(jì)算理論和方法及監(jiān)控量測(cè)等同時(shí)進(jìn)行全面深入研究。
1 雙連拱隧道有限元計(jì)算模型的建立
有限元是一種離散化的數(shù)值解法[1][2] ,長(zhǎng)期以來(lái),地下結(jié)構(gòu)的計(jì)算僅僅是針對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的,而在支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算中一直采取“ 荷載2結(jié)構(gòu)”。隨著新奧法的引入和巖體力學(xué)的發(fā)展,隧道圍巖不再被單單看著荷載, 也被看成隧道支護(hù)系統(tǒng)的一部分,圍巖和結(jié)構(gòu)之間的相互作用使得計(jì)算復(fù)雜很多。
本文對(duì)廣惠高速公路小金口隧道進(jìn)行二維分析, 主要針對(duì)隧道圍巖和隧道支護(hù)結(jié)構(gòu), 圍巖采用PLANE42 單元進(jìn)行網(wǎng)格離散,一次襯砌采用BEAM3 單元進(jìn)行網(wǎng)格離散。數(shù)學(xué)分析的模型如下:
111 兩種施工方法的數(shù)值模擬
對(duì)隧道開(kāi)挖后的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)運(yùn)用ANSYS 進(jìn)行數(shù)值模擬,通過(guò)三導(dǎo)坑開(kāi)挖法和上下臺(tái)階開(kāi)挖法來(lái)進(jìn)行分析,比較兩種開(kāi)挖方法的優(yōu)劣,分析它們對(duì)巖層的擾動(dòng)情況。
112 計(jì)算參數(shù)
平面數(shù)值模擬計(jì)算所采用的計(jì)算參數(shù)按表1 選取。
表1 有限元分析計(jì)算參數(shù)
113 計(jì)算采用的計(jì)算準(zhǔn)則
計(jì)算采用彈塑性平面應(yīng)變模型[3][4] 。巖土材料的非線性按DP 材料處理,在ANSYS 程序中,DP 材料選項(xiàng)使用Druck2Prager (DP) 屈服準(zhǔn)則,此屈服準(zhǔn)則對(duì)Mohr2Coulomb 準(zhǔn)則給予近似,以此來(lái)修正Von Mises 屈服準(zhǔn)則。另外,作為巖體的兩個(gè)重要的參數(shù)粘聚力
C 和內(nèi)摩擦角φ都能通過(guò)材料數(shù)據(jù)表輸入。
114 邊界條件
邊界條件均采用位移邊界條件,上邊界去至地面, 為自由面,兩側(cè)及底邊均受法向約束,在底邊中點(diǎn)有一固定約束。
115 計(jì)算內(nèi)容
分別計(jì)算兩種開(kāi)挖方法引起的圍巖擾動(dòng)后的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)。
2 雙連拱隧道施工方法的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬
目前,雙連拱隧道的開(kāi)挖順序均采用中導(dǎo)坑部分超前的施工方法,中墻施筑基本完成后,左、右主洞開(kāi)挖施工。本文針對(duì)研究區(qū)域的Ⅱ 類圍巖背景下的雙連拱隧道提出了兩種新的開(kāi)挖方法,即:三導(dǎo)坑開(kāi)挖法和主洞上下臺(tái)階法。211 三導(dǎo)坑法開(kāi)挖支護(hù)的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬
以這種施工方法開(kāi)挖的主要施工步驟如下(圖1): (a)中導(dǎo)坑開(kāi)挖及支護(hù); (b)施筑中隔墻以及右側(cè)壁導(dǎo)坑的開(kāi)挖及支護(hù); (c) 左側(cè)壁導(dǎo)坑的開(kāi)挖及支護(hù); (d)右主洞的開(kāi)挖及支護(hù); (e)左主洞的開(kāi)挖及支護(hù)。其模擬施工步驟劃分的單元網(wǎng)格圖1 所示。
a1 中導(dǎo)坑開(kāi)挖及支護(hù) b1 施筑中隔墻及右側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖支護(hù)
c1 左側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖及支護(hù) d1 右主洞開(kāi)挖及支護(hù) e1 左主洞開(kāi)挖及支護(hù)
圖1 三導(dǎo)坑法開(kāi)挖與支護(hù)的施工工序單元網(wǎng)格的劃分序列圖
21111 應(yīng)力場(chǎng)分析
按照施工步驟,一步一步地進(jìn)行計(jì)算分析,得出開(kāi)挖后的整個(gè)巖體擾動(dòng)后的應(yīng)力圖(圖2 ,a) 。由于巖體破碎, 且埋深較小,計(jì)算荷載主要是巖體的自重。應(yīng)力場(chǎng)的分析也主要考慮豎向應(yīng)力。著重對(duì)兩個(gè)拱腰、拱頂和拱腳進(jìn)行分析。
a1 圍巖應(yīng)力場(chǎng)
b1 圍巖位移場(chǎng)
圖2 三導(dǎo)坑法開(kāi)挖及支護(hù)完成后圍巖應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)分布
通過(guò)有限元分析模擬,從以上的數(shù)值分析中(圖2 ,a) ,可以看出,雙連拱隧道開(kāi)挖后的應(yīng)力場(chǎng)分布與兩個(gè)單洞隧道是不同的。最大應(yīng)力場(chǎng)主要分布于三個(gè)部位:中墻上部及左、右主洞外側(cè)的拱腰部位。值得注意的地方是,中墻頂附近區(qū)域,先開(kāi)挖的部分受到后開(kāi)挖部分的影響比較大。
21112 位移場(chǎng)分析
同應(yīng)力場(chǎng)的分析一樣, 位移場(chǎng)的分析也主要考慮開(kāi)挖后圍巖體豎向位移的大小。著重對(duì)拱腰和拱頂進(jìn)行分析。研究它們?cè)诟鱾€(gè)施工步驟中位移的增量。圖3 , b 中的位移場(chǎng)在各施工步驟中的位移場(chǎng)的累積。
通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析, 認(rèn)為: 洞周位移最大值發(fā)生在左、右洞拱頂位置, 位移值分別為141470 mm 和141447 mm , 其中先開(kāi)挖的右洞拱頂下沉位移又比左洞拱頂下沉位移略微大一點(diǎn)。從各個(gè)點(diǎn)來(lái)看, 隨著洞室的開(kāi)挖, 位移值都在增長(zhǎng)。先開(kāi)挖的側(cè)壁導(dǎo)坑位移增長(zhǎng)緩慢, 主洞的開(kāi)挖對(duì)它的影響也不大, 這和它先開(kāi)挖后, 應(yīng)力已經(jīng)釋放, 變形基本穩(wěn)定有很大關(guān)系。212 主洞上下臺(tái)階開(kāi)挖法開(kāi)挖支護(hù)的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬
以這種施工方法開(kāi)挖的主要施工步驟如下(圖3) :(a) 中導(dǎo)坑開(kāi)挖及支護(hù); (b) 施筑中隔墻及支護(hù); 右主洞上臺(tái)階開(kāi)挖及支護(hù); (c) 右主洞下臺(tái)階開(kāi)挖及支護(hù); (d) 左主洞上臺(tái)階開(kāi)挖及支護(hù); (e) 左主洞下臺(tái)階開(kāi)挖及支護(hù)。其模擬施工步驟的單元網(wǎng)格劃分如圖3 所示。
a1 中導(dǎo)坑開(kāi)挖及支護(hù) b1 澆筑中隔墻單元網(wǎng)格劃分 c1 右主洞上臺(tái)階開(kāi)挖及支護(hù)
d1 右主洞下臺(tái)階開(kāi)挖及支護(hù) e1 左主洞上臺(tái)階開(kāi)挖及支護(hù) f1 左主洞下臺(tái)階開(kāi)挖及支護(hù)
圖3 上下臺(tái)階法開(kāi)挖與支護(hù)的施工工序單元網(wǎng)格的劃分序列圖
21211 應(yīng)力場(chǎng)分析
對(duì)上下臺(tái)階法開(kāi)挖隧道引起的地應(yīng)力重分布的分析方法和側(cè)導(dǎo)坑開(kāi)挖法的分析方法一樣,先對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行總體描述,再對(duì)關(guān)鍵位置進(jìn)行量值分析。圖4 隧道在連續(xù)的施工工序完成后應(yīng)力場(chǎng)的變化。
a1 圍巖應(yīng)力場(chǎng)
b1 圍巖位移
圖5 上下臺(tái)階法開(kāi)挖及支護(hù)完成后圍巖應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)分布
通過(guò)有限元分析,認(rèn)為:對(duì)于中隔墻,則其應(yīng)力變化很大,承受著很大的來(lái)自圍巖體變形產(chǎn)生的壓應(yīng)力, 其應(yīng)力值在110～414 MPa 之間。接下來(lái)的右主洞下臺(tái)階開(kāi)挖與上臺(tái)階相比,則應(yīng)力分布幾乎沒(méi)有改變。只在原來(lái)右邊拱腳應(yīng)力集中位置下移到新的拱腳位置。左主洞上臺(tái)階的開(kāi)挖進(jìn)一步改變了巖體應(yīng)力的分布,整個(gè)分析區(qū)域的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出關(guān)于中隔墻中心線對(duì)稱的分布形態(tài),最大壓應(yīng)力值也比上一工序大。上下臺(tái)階法開(kāi)挖施工法中,對(duì)圍巖體應(yīng)力場(chǎng)的變化起到較大作用的是右主洞和左主洞上臺(tái)階的開(kāi)挖,下臺(tái)階的開(kāi)挖不會(huì)造成應(yīng)力場(chǎng)大的變化。
在有限元分析中發(fā)現(xiàn),隧道左、右洞靠近中隔墻的兩個(gè)拱腰處應(yīng)力值比其它地方的應(yīng)力值大,隨著施工工序的變化也大。對(duì)于右洞靠近中隔墻的左拱腰右主洞一開(kāi)挖,應(yīng)力值立即增加到01642 MPa , 是沒(méi)有形成洞室的原始地應(yīng)力的1169 倍。接下來(lái)開(kāi)挖右主洞下臺(tái)階時(shí),應(yīng)力值卻只增長(zhǎng)了01057 MPa , 僅僅增長(zhǎng)了8188 % , 受左主洞上臺(tái)階開(kāi)挖的影響,應(yīng)力值再次增加01312 MPa , 達(dá)到了11011 MPa , 是初始地應(yīng)力的2165 倍,從而在此處形成應(yīng)力集中。相似的應(yīng)力變化也存在于左洞靠近中隔墻的拱腰處。對(duì)其它點(diǎn),則應(yīng)力的變化比較平緩,沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)力急劇增加的情況。這說(shuō)明對(duì)雙連拱隧道,中隔墻墻頂?shù)膮^(qū)域內(nèi)是受力最不利的地方,在設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)考慮。
21212 位移場(chǎng)分析
從圖4 ,b 中可以看出,中導(dǎo)坑的開(kāi)挖對(duì)隧道周圍圍巖位移的影響小。位移等值線幾乎與中導(dǎo)坑沒(méi)有開(kāi)挖之前一樣呈水平狀態(tài)。右主洞上臺(tái)階開(kāi)挖后,位移場(chǎng)出現(xiàn)很大的變化,在隧道拱頂附近的位置出現(xiàn)較大的位移量,隨著與隧道中心的距離逐漸增大,位移等值線又趨于水平。右主洞下臺(tái)階的開(kāi)挖沒(méi)有引起分析區(qū)域的位移場(chǎng)分布形態(tài)的改變,最大位移值變化很小。在左主洞上臺(tái)階開(kāi)挖時(shí),整個(gè)分析區(qū)域的位移場(chǎng)再一次劇烈改變,在左主洞拱頂附近的位置也同樣出現(xiàn)很大的位移,與右主洞的形狀一致,整個(gè)位移場(chǎng)的變化形態(tài)關(guān)于中隔墻中心線對(duì)稱分布。在中隔墻墻頂上方區(qū)域,由于有中隔墻支撐,其位移變化量比起拱頂區(qū)域要小。
3 雙連拱隧道二次襯砌內(nèi)力模型的建立
計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力,采用ANSYS 系統(tǒng)電算。采用荷載-結(jié)構(gòu)模式分析隧道結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)物模擬采用梁?jiǎn)卧Ｖ炷炼我r砌。將隧道結(jié)構(gòu)離散(模筑二次襯砌) 為82 個(gè)梁?jiǎn)卧?梁?jiǎn)卧g用節(jié)點(diǎn)連接,將荷載轉(zhuǎn)化為均布荷載作用到每個(gè)單元上,在中墻和邊墻底部加一個(gè)固定支座,限制結(jié)構(gòu)的位移,圍巖與結(jié)構(gòu)的作用采用彈簧模擬,彈簧設(shè)置在節(jié)點(diǎn)上。由于二次襯砌與圍巖之間隔著防水層和一次支護(hù),襯砌和圍巖之間沒(méi)有粘結(jié)力,兩者之間只能傳遞法向力,忽略襯砌和圍巖接觸面的摩擦力,故彈簧設(shè)置為徑向彈簧。用于采用面單元153 , 故當(dāng)彈簧受力為負(fù)即彈簧受拉時(shí),不需要去掉彈簧重新計(jì)算并且無(wú)需將面荷載轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)荷載。圖5 是本文建立的II 類圍巖雙連拱隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力模型。
圖5 II 類圍巖雙連拱隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力模型
4 兩種施工方法的比較
通過(guò)上述分析,可以得出以下認(rèn)識(shí):
1. (1) 中導(dǎo)坑的開(kāi)挖就是一般的小洞徑隧道開(kāi)挖, 它引起的圍巖位移和應(yīng)力的變化與單洞隧道的情況一致。
(2) 中隔墻由于是在中導(dǎo)坑穩(wěn)定過(guò)后才澆注的, 故它在下一步施工工序進(jìn)行之前主要承受的是其自身的重量。本論文兩種施工方法這兩步工序都完全一樣,故它們引起的圍巖體位移、應(yīng)力的變化也完全一樣。
(3) 三導(dǎo)坑施工法和上下臺(tái)階法引起的拱頂下沉位移量穩(wěn)定后的最大值分別為43114 mm 和44170 mm , 相差僅為1156 mm 。但都沒(méi)有超過(guò)《公路隧道施工規(guī)范》對(duì)埋深< 50 m 的Ⅱ 類圍巖周邊允許相對(duì)位移值。
(4) 中隔墻承受的壓力變化要復(fù)雜一些。兩種施工方法在鋼拱架安裝到中隔墻一側(cè)時(shí),中隔墻均出現(xiàn)了偏壓,其最終的壓應(yīng)力值分別為2194 MPa 和2188MPa , 上下臺(tái)階法施工時(shí)壓應(yīng)力稍大一些。
總之, 這兩種不同的施工方法對(duì)圍巖的擾動(dòng)和初期支護(hù)承受的荷載、從施工力學(xué)角度來(lái)以及施工工序等方面考慮, 上下臺(tái)階法優(yōu)于三導(dǎo)坑法。主要表現(xiàn)在:
1. (1) 上下臺(tái)階法施工的工序少,工作面大。臺(tái)階法施工少了挖兩個(gè)側(cè)壁導(dǎo)坑和側(cè)壁導(dǎo)坑的臨時(shí)支護(hù)兩個(gè)工序,能夠大大節(jié)省時(shí)間。而且,上下臺(tái)階法施工的工作面要比側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的工作面要大,更便于施工,也有助于改善隧道內(nèi)的通風(fēng)。
(2) 上下臺(tái)階法,由于減少了兩個(gè)工序,可以節(jié)約大量用于臨時(shí)支護(hù)的鋼材和水泥,能夠降低人工費(fèi)用。所以,上下臺(tái)階法的施工費(fèi)用更低一些。故上下臺(tái)階法施工要優(yōu)于三導(dǎo)坑施工法。
5 結(jié)論
本文通過(guò)對(duì)小金口雙連拱隧道進(jìn)行有限元分析計(jì)算,其計(jì)算的結(jié)果用于小金口連拱隧道的施工過(guò)程中取得了較好的工程效果和經(jīng)濟(jì)價(jià)值,基本掌握了在不同的施工階段連拱隧道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和力學(xué)行為。
1.(1) 通過(guò)有限元理論分析,運(yùn)用ANSYS 中單元的殺死與激活技術(shù),對(duì)Ⅱ 類圍巖中的雙連拱隧道三導(dǎo)坑開(kāi)挖法和主洞上下臺(tái)階法的開(kāi)挖施工過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬。掌握了主洞上下臺(tái)階法和三導(dǎo)坑法在不同施工工序的受力狀態(tài)和力學(xué)行為,有利于隧道施工的安全可靠經(jīng)濟(jì)
。 (2) 在Ⅱ 類圍巖中,三導(dǎo)坑法和主洞上下臺(tái)階法兩種施工方法都進(jìn)行了有限元分析。主洞上下臺(tái)階法較優(yōu)于三導(dǎo)坑開(kāi)挖的方法。
(3) 對(duì)雙連拱隧道施工所采取的兩種施工方法進(jìn)行了應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的模擬,建立了雙連拱隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)模型及位移場(chǎng)模型,對(duì)連拱隧道正確的設(shè)計(jì)與施工具有重大的意義。
(4) 初步建立了雙連拱隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)體系的內(nèi)力模型(軸力和彎矩),充分理解和闡述了構(gòu)件的工作狀態(tài)。
(5) 根據(jù)式(11)計(jì)算m ,m = 257 271 52415 噸= 2152 126 094 ×1010 N ;
(6) 根據(jù)式(12)計(jì)算P,P=31116 854 786 ×1010 N ;
(7) 根據(jù)式(14)計(jì)算σ,σ= 1 038 951 595 Pa = 1 038195 MPa ;
312 隧道區(qū)段拱頂壓力PD 及應(yīng)力σD 的計(jì)算
(1) 根據(jù)式(15)計(jì)算m2 ;
(2) 根據(jù)式(19)計(jì)算PD,PD = 116 20311 102 t = 1 138 790 480 N ;
(3) 拱頂總面積SD,SD = ( EO3 X 弧長(zhǎng)) ×W= 191305 ×5 = 961525 m2;
(4) 根據(jù)式(20)計(jì)算σD,σD = 11 797 881117 Pa = 111798 MPa ;
4 討論
本文提出的新的公路隧道圍巖壓力與應(yīng)力計(jì)算方法有利于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)編程計(jì)算, 當(dāng)將隧道工程設(shè)計(jì)圖、地形圖、地質(zhì)圖輸入計(jì)算機(jī)后, 計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)計(jì)算出隧道任一斷面上的洞壁側(cè)壓力與應(yīng)力及拱頂壓力與應(yīng)力, 從而為隧道工程設(shè)計(jì)提供較為準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
本文的結(jié)論是建立在地球物理學(xué)和地球重力場(chǎng)理論基礎(chǔ)上的, 具有一定的科學(xué)性。從實(shí)際工程應(yīng)用效果看, 本文的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合程度較高, 其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性優(yōu)于目前在用的其它計(jì)算方法, 具有一定的可靠性與先進(jìn)性。當(dāng)然, 限于筆者水平, 文中難免存在這樣或那樣的缺陷與不足, 希望大家在應(yīng)用過(guò)程中不斷使之更趨合理、更趨完善。
原作者：趙玉光,張煥新,林志遠(yuǎn),李曉洪,楊崢
隨著高速公路進(jìn)入山區(qū),隧道數(shù)量日益增多。這些隧道由于受地形及展線限制,一些較短的隧道(隧道長(zhǎng)一般< 500 m) 選用了連拱結(jié)構(gòu)型式,在四川、云南、貴州、浙江、福建及湖南省的一些高速公路上均規(guī)劃、設(shè)計(jì)了幾座至幾十座連拱隧道。在京福高速公路福建段一期工程的初步設(shè)計(jì)中的連拱隧道達(dá)29 座。
連拱隧道在一些特殊地形條件下,是一種很有效的結(jié)構(gòu)型式,對(duì)節(jié)省總體工程投資有著重要的意義。但從全國(guó)各地已建連拱隧道的情況看,確實(shí)存在工期較長(zhǎng)、工序較多、造價(jià)較高及工程質(zhì)量不夠理想等問(wèn)題。另一個(gè)重要的因素就是對(duì)連拱隧道的力學(xué)性質(zhì)沒(méi)有進(jìn)行深入的研究。鑒于雙跨連拱隧道結(jié)構(gòu)的特殊性,在設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)隧道初期(施工)支護(hù)參數(shù)、二次襯砌施作時(shí)機(jī)和參數(shù)、支護(hù)荷載的計(jì)算理論和方法及監(jiān)控量測(cè)等同時(shí)進(jìn)行全面深入研究。
1 雙連拱隧道有限元計(jì)算模型的建立
有限元是一種離散化的數(shù)值解法[1][2] ,長(zhǎng)期以來(lái),地下結(jié)構(gòu)的計(jì)算僅僅是針對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的,而在支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算中一直采取“ 荷載2結(jié)構(gòu)”。隨著新奧法的引入和巖體力學(xué)的發(fā)展,隧道圍巖不再被單單看著荷載, 也被看成隧道支護(hù)系統(tǒng)的一部分,圍巖和結(jié)構(gòu)之間的相互作用使得計(jì)算復(fù)雜很多。
本文對(duì)廣惠高速公路小金口隧道進(jìn)行二維分析, 主要針對(duì)隧道圍巖和隧道支護(hù)結(jié)構(gòu), 圍巖采用PLANE42 單元進(jìn)行網(wǎng)格離散,一次襯砌采用BEAM3 單元進(jìn)行網(wǎng)格離散。數(shù)學(xué)分析的模型如下:
111 兩種施工方法的數(shù)值模擬
對(duì)隧道開(kāi)挖后的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)運(yùn)用ANSYS 進(jìn)行數(shù)值模擬,通過(guò)三導(dǎo)坑開(kāi)挖法和上下臺(tái)階開(kāi)挖法來(lái)進(jìn)行分析,比較兩種開(kāi)挖方法的優(yōu)劣,分析它們對(duì)巖層的擾動(dòng)情況。
112 計(jì)算參數(shù)
平面數(shù)值模擬計(jì)算所采用的計(jì)算參數(shù)按表1 選取。
表1 有限元分析計(jì)算參數(shù)
113 計(jì)算采用的計(jì)算準(zhǔn)則
計(jì)算采用彈塑性平面應(yīng)變模型[3][4] 。巖土材料的非線性按DP 材料處理,在ANSYS 程序中,DP 材料選項(xiàng)使用Druck2Prager (DP) 屈服準(zhǔn)則,此屈服準(zhǔn)則對(duì)Mohr2Coulomb 準(zhǔn)則給予近似,以此來(lái)修正Von Mises 屈服準(zhǔn)則。另外,作為巖體的兩個(gè)重要的參數(shù)粘聚力
C 和內(nèi)摩擦角φ都能通過(guò)材料數(shù)據(jù)表輸入。
114 邊界條件
邊界條件均采用位移邊界條件,上邊界去至地面, 為自由面,兩側(cè)及底邊均受法向約束,在底邊中點(diǎn)有一固定約束。
115 計(jì)算內(nèi)容
分別計(jì)算兩種開(kāi)挖方法引起的圍巖擾動(dòng)后的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)。
2 雙連拱隧道施工方法的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬
目前,雙連拱隧道的開(kāi)挖順序均采用中導(dǎo)坑部分超前的施工方法,中墻施筑基本完成后,左、右主洞開(kāi)挖施工。本文針對(duì)研究區(qū)域的Ⅱ 類圍巖背景下的雙連拱隧道提出了兩種新的開(kāi)挖方法,即:三導(dǎo)坑開(kāi)挖法和主洞上下臺(tái)階法。211 三導(dǎo)坑法開(kāi)挖支護(hù)的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬
以這種施工方法開(kāi)挖的主要施工步驟如下(圖1): (a)中導(dǎo)坑開(kāi)挖及支護(hù); (b)施筑中隔墻以及右側(cè)壁導(dǎo)坑的開(kāi)挖及支護(hù); (c) 左側(cè)壁導(dǎo)坑的開(kāi)挖及支護(hù); (d)右主洞的開(kāi)挖及支護(hù); (e)左主洞的開(kāi)挖及支護(hù)。其模擬施工步驟劃分的單元網(wǎng)格圖1 所示。
a1 中導(dǎo)坑開(kāi)挖及支護(hù) b1 施筑中隔墻及右側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖支護(hù)
c1 左側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖及支護(hù) d1 右主洞開(kāi)挖及支護(hù) e1 左主洞開(kāi)挖及支護(hù)
圖1 三導(dǎo)坑法開(kāi)挖與支護(hù)的施工工序單元網(wǎng)格的劃分序列圖
21111 應(yīng)力場(chǎng)分析
按照施工步驟,一步一步地進(jìn)行計(jì)算分析,得出開(kāi)挖后的整個(gè)巖體擾動(dòng)后的應(yīng)力圖(圖2 ,a) 。由于巖體破碎, 且埋深較小,計(jì)算荷載主要是巖體的自重。應(yīng)力場(chǎng)的分析也主要考慮豎向應(yīng)力。著重對(duì)兩個(gè)拱腰、拱頂和拱腳進(jìn)行分析。
a1 圍巖應(yīng)力場(chǎng)
b1 圍巖位移場(chǎng)
圖2 三導(dǎo)坑法開(kāi)挖及支護(hù)完成后圍巖應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)分布
通過(guò)有限元分析模擬,從以上的數(shù)值分析中(圖2 ,a) ,可以看出,雙連拱隧道開(kāi)挖后的應(yīng)力場(chǎng)分布與兩個(gè)單洞隧道是不同的。最大應(yīng)力場(chǎng)主要分布于三個(gè)部位:中墻上部及左、右主洞外側(cè)的拱腰部位。值得注意的地方是,中墻頂附近區(qū)域,先開(kāi)挖的部分受到后開(kāi)挖部分的影響比較大。
21112 位移場(chǎng)分析
同應(yīng)力場(chǎng)的分析一樣, 位移場(chǎng)的分析也主要考慮開(kāi)挖后圍巖體豎向位移的大小。著重對(duì)拱腰和拱頂進(jìn)行分析。研究它們?cè)诟鱾€(gè)施工步驟中位移的增量。圖3 , b 中的位移場(chǎng)在各施工步驟中的位移場(chǎng)的累積。
通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析, 認(rèn)為: 洞周位移最大值發(fā)生在左、右洞拱頂位置, 位移值分別為141470 mm 和141447 mm , 其中先開(kāi)挖的右洞拱頂下沉位移又比左洞拱頂下沉位移略微大一點(diǎn)。從各個(gè)點(diǎn)來(lái)看, 隨著洞室的開(kāi)挖, 位移值都在增長(zhǎng)。先開(kāi)挖的側(cè)壁導(dǎo)坑位移增長(zhǎng)緩慢, 主洞的開(kāi)挖對(duì)它的影響也不大, 這和它先開(kāi)挖后, 應(yīng)力已經(jīng)釋放, 變形基本穩(wěn)定有很大關(guān)系。212 主洞上下臺(tái)階開(kāi)挖法開(kāi)挖支護(hù)的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬
以這種施工方法開(kāi)挖的主要施工步驟如下(圖3) :(a) 中導(dǎo)坑開(kāi)挖及支護(hù); (b) 施筑中隔墻及支護(hù); 右主洞上臺(tái)階開(kāi)挖及支護(hù); (c) 右主洞下臺(tái)階開(kāi)挖及支護(hù); (d) 左主洞上臺(tái)階開(kāi)挖及支護(hù); (e) 左主洞下臺(tái)階開(kāi)挖及支護(hù)。其模擬施工步驟的單元網(wǎng)格劃分如圖3 所示。
a1 中導(dǎo)坑開(kāi)挖及支護(hù) b1 澆筑中隔墻單元網(wǎng)格劃分 c1 右主洞上臺(tái)階開(kāi)挖及支護(hù)
d1 右主洞下臺(tái)階開(kāi)挖及支護(hù) e1 左主洞上臺(tái)階開(kāi)挖及支護(hù) f1 左主洞下臺(tái)階開(kāi)挖及支護(hù)
圖3 上下臺(tái)階法開(kāi)挖與支護(hù)的施工工序單元網(wǎng)格的劃分序列圖
21211 應(yīng)力場(chǎng)分析
對(duì)上下臺(tái)階法開(kāi)挖隧道引起的地應(yīng)力重分布的分析方法和側(cè)導(dǎo)坑開(kāi)挖法的分析方法一樣,先對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行總體描述,再對(duì)關(guān)鍵位置進(jìn)行量值分析。圖4 隧道在連續(xù)的施工工序完成后應(yīng)力場(chǎng)的變化。
a1 圍巖應(yīng)力場(chǎng)
b1 圍巖位移
圖5 上下臺(tái)階法開(kāi)挖及支護(hù)完成后圍巖應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)分布
通過(guò)有限元分析,認(rèn)為:對(duì)于中隔墻,則其應(yīng)力變化很大,承受著很大的來(lái)自圍巖體變形產(chǎn)生的壓應(yīng)力, 其應(yīng)力值在110～414 MPa 之間。接下來(lái)的右主洞下臺(tái)階開(kāi)挖與上臺(tái)階相比,則應(yīng)力分布幾乎沒(méi)有改變。只在原來(lái)右邊拱腳應(yīng)力集中位置下移到新的拱腳位置。左主洞上臺(tái)階的開(kāi)挖進(jìn)一步改變了巖體應(yīng)力的分布,整個(gè)分析區(qū)域的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出關(guān)于中隔墻中心線對(duì)稱的分布形態(tài),最大壓應(yīng)力值也比上一工序大。上下臺(tái)階法開(kāi)挖施工法中,對(duì)圍巖體應(yīng)力場(chǎng)的變化起到較大作用的是右主洞和左主洞上臺(tái)階的開(kāi)挖,下臺(tái)階的開(kāi)挖不會(huì)造成應(yīng)力場(chǎng)大的變化。
在有限元分析中發(fā)現(xiàn),隧道左、右洞靠近中隔墻的兩個(gè)拱腰處應(yīng)力值比其它地方的應(yīng)力值大,隨著施工工序的變化也大。對(duì)于右洞靠近中隔墻的左拱腰右主洞一開(kāi)挖,應(yīng)力值立即增加到01642 MPa , 是沒(méi)有形成洞室的原始地應(yīng)力的1169 倍。接下來(lái)開(kāi)挖右主洞下臺(tái)階時(shí),應(yīng)力值卻只增長(zhǎng)了01057 MPa , 僅僅增長(zhǎng)了8188 % , 受左主洞上臺(tái)階開(kāi)挖的影響,應(yīng)力值再次增加01312 MPa , 達(dá)到了11011 MPa , 是初始地應(yīng)力的2165 倍,從而在此處形成應(yīng)力集中。相似的應(yīng)力變化也存在于左洞靠近中隔墻的拱腰處。對(duì)其它點(diǎn),則應(yīng)力的變化比較平緩,沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)力急劇增加的情況。這說(shuō)明對(duì)雙連拱隧道,中隔墻墻頂?shù)膮^(qū)域內(nèi)是受力最不利的地方,在設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)考慮。
21212 位移場(chǎng)分析
從圖4 ,b 中可以看出,中導(dǎo)坑的開(kāi)挖對(duì)隧道周圍圍巖位移的影響小。位移等值線幾乎與中導(dǎo)坑沒(méi)有開(kāi)挖之前一樣呈水平狀態(tài)。右主洞上臺(tái)階開(kāi)挖后,位移場(chǎng)出現(xiàn)很大的變化,在隧道拱頂附近的位置出現(xiàn)較大的位移量,隨著與隧道中心的距離逐漸增大,位移等值線又趨于水平。右主洞下臺(tái)階的開(kāi)挖沒(méi)有引起分析區(qū)域的位移場(chǎng)分布形態(tài)的改變,最大位移值變化很小。在左主洞上臺(tái)階開(kāi)挖時(shí),整個(gè)分析區(qū)域的位移場(chǎng)再一次劇烈改變,在左主洞拱頂附近的位置也同樣出現(xiàn)很大的位移,與右主洞的形狀一致,整個(gè)位移場(chǎng)的變化形態(tài)關(guān)于中隔墻中心線對(duì)稱分布。在中隔墻墻頂上方區(qū)域,由于有中隔墻支撐,其位移變化量比起拱頂區(qū)域要小。
3 雙連拱隧道二次襯砌內(nèi)力模型的建立
計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力,采用ANSYS 系統(tǒng)電算。采用荷載-結(jié)構(gòu)模式分析隧道結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)物模擬采用梁?jiǎn)卧Ｖ炷炼我r砌。將隧道結(jié)構(gòu)離散(模筑二次襯砌) 為82 個(gè)梁?jiǎn)卧?梁?jiǎn)卧g用節(jié)點(diǎn)連接,將荷載轉(zhuǎn)化為均布荷載作用到每個(gè)單元上,在中墻和邊墻底部加一個(gè)固定支座,限制結(jié)構(gòu)的位移,圍巖與結(jié)構(gòu)的作用采用彈簧模擬,彈簧設(shè)置在節(jié)點(diǎn)上。由于二次襯砌與圍巖之間隔著防水層和一次支護(hù),襯砌和圍巖之間沒(méi)有粘結(jié)力,兩者之間只能傳遞法向力,忽略襯砌和圍巖接觸面的摩擦力,故彈簧設(shè)置為徑向彈簧。用于采用面單元153 , 故當(dāng)彈簧受力為負(fù)即彈簧受拉時(shí),不需要去掉彈簧重新計(jì)算并且無(wú)需將面荷載轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)荷載。圖5 是本文建立的II 類圍巖雙連拱隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力模型。
圖5 II 類圍巖雙連拱隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力模型
4 兩種施工方法的比較
通過(guò)上述分析,可以得出以下認(rèn)識(shí):
1. (1) 中導(dǎo)坑的開(kāi)挖就是一般的小洞徑隧道開(kāi)挖, 它引起的圍巖位移和應(yīng)力的變化與單洞隧道的情況一致。
(2) 中隔墻由于是在中導(dǎo)坑穩(wěn)定過(guò)后才澆注的, 故它在下一步施工工序進(jìn)行之前主要承受的是其自身的重量。本論文兩種施工方法這兩步工序都完全一樣,故它們引起的圍巖體位移、應(yīng)力的變化也完全一樣。
(3) 三導(dǎo)坑施工法和上下臺(tái)階法引起的拱頂下沉位移量穩(wěn)定后的最大值分別為43114 mm 和44170 mm , 相差僅為1156 mm 。但都沒(méi)有超過(guò)《公路隧道施工規(guī)范》對(duì)埋深< 50 m 的Ⅱ 類圍巖周邊允許相對(duì)位移值。
(4) 中隔墻承受的壓力變化要復(fù)雜一些。兩種施工方法在鋼拱架安裝到中隔墻一側(cè)時(shí),中隔墻均出現(xiàn)了偏壓,其最終的壓應(yīng)力值分別為2194 MPa 和2188MPa , 上下臺(tái)階法施工時(shí)壓應(yīng)力稍大一些。
總之, 這兩種不同的施工方法對(duì)圍巖的擾動(dòng)和初期支護(hù)承受的荷載、從施工力學(xué)角度來(lái)以及施工工序等方面考慮, 上下臺(tái)階法優(yōu)于三導(dǎo)坑法。主要表現(xiàn)在:
1. (1) 上下臺(tái)階法施工的工序少,工作面大。臺(tái)階法施工少了挖兩個(gè)側(cè)壁導(dǎo)坑和側(cè)壁導(dǎo)坑的臨時(shí)支護(hù)兩個(gè)工序,能夠大大節(jié)省時(shí)間。而且,上下臺(tái)階法施工的工作面要比側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的工作面要大,更便于施工,也有助于改善隧道內(nèi)的通風(fēng)。
(2) 上下臺(tái)階法,由于減少了兩個(gè)工序,可以節(jié)約大量用于臨時(shí)支護(hù)的鋼材和水泥,能夠降低人工費(fèi)用。所以,上下臺(tái)階法的施工費(fèi)用更低一些。故上下臺(tái)階法施工要優(yōu)于三導(dǎo)坑施工法。
5 結(jié)論
本文通過(guò)對(duì)小金口雙連拱隧道進(jìn)行有限元分析計(jì)算,其計(jì)算的結(jié)果用于小金口連拱隧道的施工過(guò)程中取得了較好的工程效果和經(jīng)濟(jì)價(jià)值,基本掌握了在不同的施工階段連拱隧道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和力學(xué)行為。
1.(1) 通過(guò)有限元理論分析,運(yùn)用ANSYS 中單元的殺死與激活技術(shù),對(duì)Ⅱ 類圍巖中的雙連拱隧道三導(dǎo)坑開(kāi)挖法和主洞上下臺(tái)階法的開(kāi)挖施工過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬。掌握了主洞上下臺(tái)階法和三導(dǎo)坑法在不同施工工序的受力狀態(tài)和力學(xué)行為,有利于隧道施工的安全可靠經(jīng)濟(jì)
。 (2) 在Ⅱ 類圍巖中,三導(dǎo)坑法和主洞上下臺(tái)階法兩種施工方法都進(jìn)行了有限元分析。主洞上下臺(tái)階法較優(yōu)于三導(dǎo)坑開(kāi)挖的方法。
(3) 對(duì)雙連拱隧道施工所采取的兩種施工方法進(jìn)行了應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的模擬,建立了雙連拱隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)模型及位移場(chǎng)模型,對(duì)連拱隧道正確的設(shè)計(jì)與施工具有重大的意義。
(4) 初步建立了雙連拱隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)體系的內(nèi)力模型(軸力和彎矩),充分理解和闡述了構(gòu)件的工作狀態(tài)。
(5) 根據(jù)式(11)計(jì)算m ,m = 257 271 52415 噸= 2152 126 094 ×1010 N ;
(6) 根據(jù)式(12)計(jì)算P,P=31116 854 786 ×1010 N ;
(7) 根據(jù)式(14)計(jì)算σ,σ= 1 038 951 595 Pa = 1 038195 MPa ;
312 隧道區(qū)段拱頂壓力PD 及應(yīng)力σD 的計(jì)算
(1) 根據(jù)式(15)計(jì)算m2 ;
(2) 根據(jù)式(19)計(jì)算PD,PD = 116 20311 102 t = 1 138 790 480 N ;
(3) 拱頂總面積SD,SD = ( EO3 X 弧長(zhǎng)) ×W= 191305 ×5 = 961525 m2;
(4) 根據(jù)式(20)計(jì)算σD,σD = 11 797 881117 Pa = 111798 MPa ;
4 討論
本文提出的新的公路隧道圍巖壓力與應(yīng)力計(jì)算方法有利于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)編程計(jì)算, 當(dāng)將隧道工程設(shè)計(jì)圖、地形圖、地質(zhì)圖輸入計(jì)算機(jī)后, 計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)計(jì)算出隧道任一斷面上的洞壁側(cè)壓力與應(yīng)力及拱頂壓力與應(yīng)力, 從而為隧道工程設(shè)計(jì)提供較為準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
本文的結(jié)論是建立在地球物理學(xué)和地球重力場(chǎng)理論基礎(chǔ)上的, 具有一定的科學(xué)性。從實(shí)際工程應(yīng)用效果看, 本文的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合程度較高, 其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性優(yōu)于目前在用的其它計(jì)算方法, 具有一定的可靠性與先進(jìn)性。當(dāng)然, 限于筆者水平, 文中難免存在這樣或那樣的缺陷與不足, 希望大家在應(yīng)用過(guò)程中不斷使之更趨合理、更趨完善。
原作者：趙玉光,張煥新,林志遠(yuǎn),李曉洪,楊崢
