复杂地质条件下公路隧道二次衬砌支护时机仿真研究论文_王永辉 查彦宇

摘要:本文以小坝田隧道施工为例,根据场址的勘探数据,结合隧道施工设计方案,考虑施工步序、施工方法,利用MIDAS/GTS数值模拟软件,通过建立三维有限元模型模拟该软岩隧道开挖和支护全过程,对开挖过程中的拱顶下沉和周边收敛两个要素随着开挖步的进行表现出的变化规律进行深入研究,结合相关理论,对软岩隧道二次衬砌支护的最佳施作时机进行准确判定。

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

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