論述某公路隧道施工技術(shù)
摘要:隨著我國公路建設(shè)的快速發(fā)展,在修建隧道時,往往會出現(xiàn)2條甚至多條隧道的平面交叉,形成公路主隧道和支隧道的交叉分岔段,因此掌握交叉部位結(jié)構(gòu)施工技術(shù)顯得十分重要。目前大跨度隧道設(shè)計、施工有較多關(guān)鍵技術(shù)尚待深入研究,尤其是大跨度隧道交叉結(jié)構(gòu)的力學行為研究目前國內(nèi)尚為空白,故對此進行深入研究具有深遠的意義。
關(guān)鍵詞:公路隧道；施工方案；有限元計算
1引言
由于支隧道的存在,交叉段結(jié)構(gòu)受力復雜,圍巖應(yīng)力高度集中,給施工帶來很大困難。為獲得交叉段合理施工方案,結(jié)果表明,每種方案中交叉段圍巖的豎向位移和應(yīng)力集中程度均較其他部位高20%以上;開挖后立即支護或分部份開挖,可明顯降低交叉部圍巖的應(yīng)力集中程度;對交叉部控制截面進行線型優(yōu)化,可改善裸洞受力情況。研究結(jié)論對設(shè)計、施工交叉隧道有一定指導意義。
右岸高低干線公路包括右岸高線公路和右岸低線公路,2條公路均起于電站下游交通橋右岸橋頭,沿橋軸線方向經(jīng)過短暫明線過渡后直接進入隧道,并很快在洞內(nèi)分開,形成平面交叉。隧道交叉部技術(shù)上的難點在于多次施工使得交叉段隧道圍巖應(yīng)力多次重分布,其受力特點復雜多變;另外,由于交叉部位主隧道的拱形支撐作用被切斷,結(jié)構(gòu)受力已不再是單一軸向受力,產(chǎn)生了部分彎曲受力的復雜受力狀況,圍巖應(yīng)力集中程度高,因此掌握交叉段結(jié)構(gòu)施工技術(shù)十分重要。鑒于隧道交叉分岔段施工的難度大,需對該隧道洞口交叉段標準斷面范圍以及標準斷面向小洞過渡區(qū)段進行全三維開挖過程有限元分析。
2隧道施工方案研究
根據(jù)地質(zhì)報告和現(xiàn)場變形試驗,交叉部位工程地質(zhì)狀況較好,主要由Ⅲ級圍巖組成。隧道平交段計算,考慮到實際施工過程,采用多種方案模擬施工過程,以確定合適的開挖方案。
方案1:一次開挖后加15cm一次襯砌。
方案2:一次性全部開挖,不考慮襯砌。
方案3:先開挖3m高區(qū)域,然后立即加15cm一次襯砌,最后開挖剩余部分。
方案4:隧道交匯區(qū)洞室線型優(yōu)化后,全斷面開挖,不考慮襯砌。
方案5:隧道交匯區(qū)洞室線型優(yōu)化后,全斷面開挖,考慮15cm一次襯砌。施工方案1～3中的最小開挖圍巖方案19-19斷面襯砌線型,以及方案4～5中進行隧道交匯區(qū)洞室19-19斷面襯砌線型優(yōu)化后的線型見圖1�！ �
圖119-19斷面襯砌示意
3有限元計算模型
3.1地應(yīng)力場模擬
根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告,右高線1#隧道和右低線1#隧道交叉范圍的隧道圍巖最大埋深約為70m,巖性主要為二疊系下統(tǒng)平川組(P1p)上段(P1p2)灰色厚層角礫狀生物碎屑灰?guī)r、含少量燧石及硅質(zhì)灰?guī)r團塊;巖層與洞線近于平行加之地勢較陡,巖體風化、卸荷強烈。推測隧道區(qū)構(gòu)造應(yīng)力殘存較小,因此地應(yīng)力場按自重應(yīng)力場進行模擬。
3.2有限元計算模型
本文用ANSYS對建立有限元模型進行開挖模擬,并根據(jù)圍巖與襯砌的性質(zhì),分別采用三維實體單元和三維殼單元計算。實體單元模擬圍巖,殼體單元模擬襯砌。對系統(tǒng)錨桿支護,按整體錨桿加固圈方式考慮,通過提高錨固范圍內(nèi)圍巖參數(shù)(提高10%材料參數(shù)),實現(xiàn)對系統(tǒng)錨桿支護的模擬。具體計算參數(shù)見表1。
表1圍巖和襯砌計算參數(shù)
分析隧道結(jié)構(gòu)特點,建立如圖2所示的坐標系,將平交口段隧道沿洞身方向劃分為26個斷面,然后在每個斷面上建立節(jié)點,依次連接前后斷面上的節(jié)點,完成單元的劃分,從而建立三維有限元計算模型。
圖2隧道斷面分布
同時在關(guān)鍵控制斷面將有限元模型加密,以更準確地反映此區(qū)段圍巖及其襯砌的位移、應(yīng)力變化,提高計算精度，為保證計算結(jié)果合理,按隧道力學理論和邊界理論,取洞室開挖直徑4倍范圍、上覆70m圍巖作為隧道的計算范圍,進行有限元離散。整個三維結(jié)構(gòu)共劃分了7355個節(jié)點,7307個單元。
4三維計算結(jié)果分析
根據(jù)圣文南原理,系統(tǒng)錨桿錨固范圍內(nèi)圍巖是巖體開挖應(yīng)力釋放最密切相關(guān)的巖體,是隧道開挖有限元計算的重點區(qū)域,故在每種方案下,均取對隧道發(fā)生主要作用的隧道外徑向6m(部分錨桿長)范圍內(nèi)圍巖為研究對象,以此分析各施工方案下隧道整體和特殊斷面的受力特點。
4.1各方案隧道圍巖變形比較
變形是最直觀的,也是最基本的。隧道在自重荷載作用下發(fā)生變形,在Z方向產(chǎn)生最大豎直位移。在不同的施工方案中,結(jié)構(gòu)的最大位移也不同。
1)隧道一次全斷面開挖不加襯砌與一次全斷面開挖加一次15cm厚襯砌相比,最大位移由3.97cm下降到2.36cm,降低約40%,可見開挖后立即加初期襯砌支護,有利于降低圍巖結(jié)構(gòu)變形。
2)隧道分次開挖與全斷面開挖加一次襯砌相比,最大位移由2.36cm下降到2.14cm,降低約9%,說明分次開挖比全斷面開挖施工有利。
3)隧道交叉部位由于開挖面大,同時主隧道的拱形支撐作用被切斷,故計算控制斷面處為結(jié)構(gòu)的最大數(shù)值位移發(fā)生處。說明在支隧道施工前和施工后,都需要加強對交叉部的支護措施。
4.2各方案圍巖應(yīng)力集中效應(yīng)比較
眾所周知,修筑隧道時隧道的拱腳或拱腰處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于右低線1#隧道的施工,不僅破壞了原主隧道的成拱效應(yīng)荷載分布,而且影響交叉部圍巖應(yīng)力分布,使交叉部成為結(jié)構(gòu)的最薄弱部位。各方案交叉部圍巖壓應(yīng)力�？傻玫饺缦抡J識:
1)交叉部圍巖應(yīng)力局部增大,其集中程度比一般部位要大,因此從施工安全考慮,在支隧道施工前,對交叉部拱部范圍采用超前錨桿等預(yù)加固支護措施是十分必要的。
2)隧道分次開挖和全斷面開挖加一次襯砌的壓應(yīng)力極值均比一次全斷面開挖不加襯砌小30%以上,且明顯減小交叉部圍巖的應(yīng)力集中程度,故在施工時加一次襯砌或分次開挖十分必要。
3)隧道分次開挖時壓應(yīng)力極值發(fā)生在開挖邊界上,且應(yīng)力極值較方案2增大,說明在施工過程中應(yīng)充分考慮開挖邊界的處理。
4.3交叉部圍巖拉應(yīng)力分析
隧道交叉部計算控制斷面范圍是位移、應(yīng)力極值易出現(xiàn)范圍,也是結(jié)構(gòu)的薄弱部位。由分析數(shù)據(jù)可知計算控制斷面處隧道拱頂?shù)睦瓚?yīng)力最大。分析可知:
1)由于支隧道的開挖,交叉部拱頂出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力區(qū),需對拉應(yīng)力區(qū)分布范圍給予密切關(guān)注。特別是垂直裂隙發(fā)育時,即使很小的拉應(yīng)力也使巖體產(chǎn)生張性裂隙,從而造成拱頂?shù)奶洹?/p>
2)抬高高低線交匯區(qū)隧道的室高,對結(jié)構(gòu)拱頂軸線線型優(yōu)化后,拱頂?shù)淖畲罄瓚?yīng)力降低約38%;拱頂?shù)淖畲罄瓚?yīng)力降低約42%。因此對計算控制斷面襯砌線型進行優(yōu)化,使其形成自然拱性結(jié)構(gòu),可改善裸洞自然成拱的能力,有利于降低拱頂?shù)睦瓚?yīng)力。
5結(jié)束語
1)隧道交叉部由于開挖面大,同時主隧道的拱形支撐作用被切斷,是結(jié)構(gòu)的最薄弱部位。無論采用何種施工方案,在支隧道施工前后,都需加強對交叉部的支護措施,以確保該部位的安全。
2)開挖后立即加支護或進行分部開挖,有利于降低圍巖的變形量,且明顯減小交叉部圍巖的應(yīng)力集中程度,故在施工時加一次襯砌或分次開挖十分必要(特別是交叉部施工時)。
3)交叉部隧道最小開挖土方方案未能形成自然壓力拱,需對計算控制斷面襯砌線型進行優(yōu)化,使其形成自然拱性結(jié)構(gòu),從而改善裸洞自然成拱的能力,有利于降低拱頂?shù)睦瓚?yīng)力。
4)從理論、數(shù)值分析看,對交叉分岔段隧道的最安全施工方案為對隧道交匯區(qū)洞室線型優(yōu)化后進行分部開挖,且施工后盡快實施初期支護。
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