关键词:二次衬砌;软岩隧道;支护时机;数值模拟
中图分类号:U231+.3 文献标识码:B
1 引言
近年来,我国隧道的建设规模越发壮大,其中,软岩隧道的建设比例也逐渐增加,在建设过程中也逐渐暴露出了各种各样的问题,比如支护结构参数选择难、支护施作时机确定难等,为工程带来了施工安全风险,还增加了工程建设成本,因此正确确定合理的支护施作时机,对隧道施工的安全性和经济性都具有重要影响[1,2]。
2 工程概况
小坝田隧道地处贵州省六盘水市,为单洞隧道,长440m,双向两车道。场址地质环境复杂,岩体破碎严重,节理、裂隙发育,其内由泥沙填充,每年5月到9月为雨季,不考虑地下水影响。全线隧道围岩可划分为Ⅳ、Ⅴ两种围岩级别。
洞身采用复合式衬砌支护结构设计。本文在原初期支护结构设计不变的基础上,针对具有代表性的Ⅴ级围岩进行有限元数值模拟,最终确定理论上的二次衬砌最佳支护时机。
隧道内轮廓设计参数如表1。
3有限元数值模拟确定隧道支护时机
3.1 材料参数
隧道设计参数见表2。
建立模型所需各材料参数见下表3。
3.2 计算模型的网格建立与划分
本文选择Ⅴ级围岩K26+920~K26+970施工段进行数值模拟分析,该段埋深50m左右。有限元计算模型相关尺寸和参数为:以隧道拱部圆弧对应圆心为坐标原点,岩体自重方向为Z轴负方向,上部取至地表,下部取至-30m,X方向为垂直隧洞边墙方向,向右为正,左右各取35 m。计算所施加的边界支撑条件是:地表为自由边界;左右边界均受到X轴方向的位移约束,模型的底部边界受到Z轴方向的位移约束。初始条件:初始应力场由自重产生。采用上下台阶法开挖,单个开挖步为2m,每完成一个开挖步,即时施加初衬,然后依次进行,模型如图3.1[4]。
3.3 模拟结果分析
图3.3 模拟隧道各开挖步拱顶下沉云图
图3.4 模拟隧道拱顶沉降累计变形曲线图
由图3.4可以看出,开挖初始阶段,拱顶下沉速率较大,随着开挖步的进行,下沉速率逐渐趋缓,直至第15开挖步时,拱顶下沉基本停止,拱顶围岩基本稳定,由图上看出,拱顶的累计下沉值稳定在6.0mm的水平。这就说明自第15开挖步开始,隧道上方土压力与初期支护支撑力到达平衡[5],根据相关理论可以得出第15开挖步后即可施作二次衬砌,但需要注意的是,二次衬砌的施作开始时间不可无限制延长,应越早实施越好。根据规定的开挖速率,每日一个开挖步,每步2m,故距掌子面第15个工作日或者距掌子面30m的断面可以开始二次衬砌的施作。
图3.5 模拟隧道各开挖步周边收敛云图
由图3.6可以看出,隧道周边收敛变形展现出了相似规律,即在第15开挖步之前,周边收敛速率较大,但总体上呈减缓趋势,第15开挖步之后,周边收敛速率基本趋于零,周边累计收敛值也基本保持恒定,由图可看出,周边累计收敛值稳定在5.8mm的水平。这就说明自第15开挖步开始,隧道周边土压力与初期支护支撑力到达平衡,得出本隧道二次衬砌最佳施作时间段为第15开挖步以后,根据规定的开挖速率,每日一个开挖步,每步2m,可以得出本隧道二次衬砌最佳施作时机为:距掌子面第15个工作日或者距掌子面30m的断面可以开始二次衬砌的施作。
4 结语
(1)数值模拟的结果基本符合客观的变形规律,因此说明此种数值模拟方法具有一定的科学性和合理性,得出的数值模拟结果具有较高的可信度。
(2)小坝田隧道在设定的支护结构设计方案下,二次衬砌的合理支护时机为:隧道开挖15天后到20天前适合进行二次衬砌的铺设,隧道开挖速率大约为2m/d,换算为开挖进程后为,距掌子面距离为30~40m处的隧道开挖段可以进行二次衬砌的铺设。
(3)数值模拟方法虽然经济简单,但也存在很大缺点,其模拟的结果与隧道施工中的实际情况存在一定的出入,比如在隧道实际施工过程中,围岩变形稳定后,如果不及时施作二次衬砌,有可能出现隧道坍塌现象,但数值模拟却不会表现出这种现象,在围岩变形稳定后,会一直延续其稳定的状态,数值模拟只能给出施作二次衬砌的最佳开始时间,而不能给出截止时间。因此,数值模拟方法只可作为一种辅助手段,具体的二次衬砌支护时间还应以现场量测得出的结果为准。
参考文献
[1] 林勇.隧道支护与围岩自承问题的讨论.公路隧道,2000,(3):7–12.
[2] 朱汉华, 孙红月, 杨建辉. 公路隧道围岩稳定与支护技术[M]. 北京:科学出版社, 2007:16-21.
[3] 中华人民共和国交通部.JTGD70—2004,公路隧道设计规范.北京:人民交通出版社,2004.
[4] 北京迈达斯公司.MIDAS/GTS 正版说明书,2006.
[5] 刘砥时,方建勤.弹塑性解析法确定隧道二衬合理支护时机的应用研究.公路,2009.12:186-188.
论文作者:王永辉 查彦宇
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年19期
论文发表时间:2019/11/13
标签:隧道论文; 围岩论文; 数值论文; 拱顶论文; 时机论文; 速率论文; 稳定论文; 《工程管理前沿》2019年19期论文;