隧道锚与隧道上下毗邻协同施工力学行为分析.pdf
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1、DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202301025开放科学(资源服务)标识码(OSID)隧道锚与隧道上下毗邻协同施工力学行为分析杨先奎1,许建凯2,王 保3,苑庆峰1,刘赐文3,刘 畅4,王朝国5,陈元忠5(1.中铁开发投资集团有限公司,昆明650501;2.贵州瓮开高速公路发展有限公司,贵阳550306;3.中铁广州工程局集团有限公司,广州511466;4.贵州大学土木工程学院,贵阳550025;5.贵州省公路工程集团有限公司,贵阳550001)摘要:为确定隧道锚与隧道上下毗邻协同施工最佳的施工工况,依托翁开高速四坪隧道工程,利用数字模拟手段对围岩竖向位移、塑性状
2、态和初支内力进行分析,对比分析了三种不同工况下的围岩位移、塑性状态和初支内力的情况。结果表明:采用先施工主隧道再施工隧道锚,围岩的竖向位移最大;当采用先施工隧道锚再施工主隧道时,围岩的竖向位移最小还能有效减小塑性区范围,随着土体黏聚力的增大总体位移值和塑性区范围减小;上、中台阶支护连接部位内力较大,因此,应适当采取初支加强措施,保证在施工阶段支护的稳定性。关键词:围岩竖向位移;塑性状态;初支内力;稳定性分析;敏感性分析中图分类号:U455文献标志码:A文章编号:1003 8825(2023)04 0143 07 0 引言纵观近年来我国的交通发展,桥梁工程建设持续得到重视,并成为目前我国主导交通
3、运输事业之一。由于我国的西部大开发计划,贵州省的发展显得尤为重要。贵州山地居多,地形复杂,因此,悬索桥作为公认的跨越能力最强的一种桥型,得到了国内研究人员的高度重视。地锚式悬索桥可以分为自重式锚碇和隧道式锚碇。隧道式锚碇有着良好的经济效益和对环境扰动小的特点,但是施工工艺复杂、风险大、开挖慢,对施工管理要求高1。在具体的隧道锚设计过程中,对锚塞体的设计还是凭经验判断,然后使用数值模拟软件以及现场相似试验加以验证2。早期隧道锚技术主要用于围岩整体性较好的地层,而目前随着研究的深入,隧道锚已经可以在裂隙发育、完整性较差、岩溶地层甚至软岩地层中使用。隧道锚的前期勘测工作十分重要,广东虎门大桥在初期计
4、划采用隧道锚碇形式,但经过现场勘测过后并未采用隧道锚碇施工方案3。目前,随着工程技术的进步,我国采用隧道式锚碇悬索桥的工程也与日俱增,如丰都长江大桥4、万州长江二桥5、四渡河大桥6、坝陵河大桥7、普立特大桥8、金安金沙江大桥1、中渡长江大桥9等。但是,在这些研究中并未考虑到隧道与隧道锚在协同施工时的力学行为。云瑞俊等10运用数值模拟软件,分析了隧道锚系统的施工对邻近公路隧道的变形和稳定性影响,得出了隧道锚开挖对下方邻近隧道影响有限的结论,但由于静力数值计算的局限性,爆破开挖对围岩的扰动无法考虑进去;朱玉等11以绿叶江大桥为背景,采用相似模型试验的方法对隧道锚与下穿隧道的相互作用做了研究,发现锚
5、塞体沉降主要由下行洞开挖导致,后行洞掘进对锚塞体的扰动并不明显;刘新荣等12以绿叶江大桥为依托,使用1100 室内试验的研究方法开展研究,结果显示:下穿隧道先行洞的开挖会导致锚塞体的沉降,在隧道临时支护拆除后,初支承担的压力会转移到中隔墙。在连拱隧道中,中隔墙是主要的受力结构,连拱隧道在施工期间的结构安全和衬砌结构的长期安全都依靠中隔墙来实现。然而在施工中,中隔墙承担着上方围岩传递的荷载,在施工完毕后,两侧围岩传递的荷载也会对他有影响13 14。本文以翁开高速四坪隧道工程为依托,按照施工顺序的不同设置了三种不同的施工工况,运用数值模拟软件分别对三种施工工况下围岩竖向位移、围岩塑性状态和初支内力
6、进行模拟,以期确定最佳的施工工况,为今后类似的施工提供参考。收稿日期:2023 03 10作者简介:杨先奎(1974),男,四川通江人。高级工程师,主要从事土木工程、路桥工程施工工作。E-mail:。杨先奎,等:隧道锚与隧道上下毗邻协同施工力学行为分析 143 1 工程概况及施工方案简介四坪隧道左幅起讫里程为 ZK36+693ZK37+989,长 1 296 m,最大埋深约 145 m,右幅起讫里程为 YK36+693YK37+990,全长 1 297 m,最大埋深 152 m。隧道左右幅线间距进口段约 1.78 m,出口段约 19.10 m,隧道断面由连拱逐渐过渡至分离式,连拱段起始里程为
7、K36+698+847。该隧道采用新奥法施工,先开挖贯通中导洞,浇筑中隔墙混凝土,然后开挖主洞,最后进行全断面二衬衬砌的施做。级围岩段采用三台阶预留核心土法或三台阶+临时仰拱法进行开挖,级围岩段采用上下台阶法施工,后行洞(右洞)上断面开挖须在先行洞(左洞)仰拱施工后再进行,且先行洞(左洞)与后行洞(右洞)上断面开挖距离不小于 30 m。隧道施工中严格控制每循环进尺,上断面开挖时每循环进尺宜控制在 1.5 倍型钢拱架间距左右,下断面开挖长度小于 1.5 倍洞径。连拱段开挖在总体施工采用先中导洞后主洞开挖次序,先开挖中导坑(包括基础),并做导坑临时支护直到中导洞贯通,然后施做整体式直中墙混凝土结构
8、。中隔墙施工完成后,将其顶部与临时支护间间隙采用与设计同标号的喷射混凝土喷(回)填密实,待喷填混凝土强度满足设计要求后,即可开挖两侧主洞。2 数值模拟研究为证明连拱隧道段施工方案的可行性,利用Midas NX 对施工过程进行数值模拟论证,针对本文提出的三种施工工况:先施工主隧道再施工隧道锚、先施工隧道锚再施工主隧道、隧道锚和主隧道同时施工进行模拟论证。结果证明,采用先施工隧道锚再施工柱隧道可以较好控制围岩变形。2.1 模型建立根据具体工程概况,基于最不利工况,选择断面 YK36+808(ZK36+808)建立连拱隧道及隧道锚施工数值模拟分析模型。模型中,为消除模型边界效应影响,计算范围取 35
9、 倍洞径,其中左右边界取 5 倍洞径,下边界取 5 倍洞高,上边界取为地表。具体模型尺寸为长宽=136 m158 m。计算模型尺寸及边界条件,见图 1。模型边界条件为:左、右两边 x 方向水平约束,底部 y 方向竖向约束,上表面自由。模型网格划分,见图 2。隧道锚及四坪隧道网格划分,见图 3。其中,地层采用实体单元模拟,选用 Mohr-Coulomb 屈服准则,隧道支护结构(初期支护)采用梁单元进行模拟,选用弹性模型。136158图1模型尺寸及边界条件(单位:m)图2模型网格划分 (a)隧道锚(b)四坪隧道图3隧道锚及四坪隧道网格划分 2.2 计算参数选取计算中岩土体物理力学材料参数以地质钻孔
10、勘察报告和经验取值为依据,模型中主要物理参数,见表 1。表1模型中主要物理参数材料密度/(kgm3)弹性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa内摩擦角/()厚度/m级围岩20001.500.40.340全范围C25喷射混凝土250031.760.20.26C20喷射混凝土250030.380.20.20C30喷射混凝土250034.880.20.25C20混凝土250025.500.2C30混凝土250030.000.2路基工程 144 Subgrade Engineering2023 年第 4 期(总第 229 期)模拟中,工字钢通过等效法考虑时,根据抗压刚度相等的原则,将钢架的弹性模量折算给混凝
11、土,其计算式为E等=E钢+A钢n+E喷A喷A总(1)式中:E钢、A钢为钢拱架的弹性模量和截面面积;n 为钢拱架的数量;E喷和 A喷为喷射混凝土的弹性模量和截面面积。2.3 工程设置及施工过程为表明隧道开挖在不同情况下的稳定性,拟定了以下三种情况:工况一先施工四坪隧道,再施工隧道锚;工况二先施工隧道锚,再施工四坪隧道;工况三四坪隧道和隧道锚协同开挖,协同支护,并基于此开展相关分析。2.3.1 工况一施工过程工况一施工顺序,见图 4。第一步,四坪隧道中导坑开挖,施做初期支护;第二步,中导坑内施工中隔墙;第三步,四坪隧道先行洞按照上台阶、中台阶、下台阶开挖,并依次施做初期支护;第四步,四坪隧道后行洞
12、按照上台阶、中台阶、下台阶开挖,并依次施做初期支护;第五步,四坪隧道中隔墙上部回填;第六步,四坪隧道中导坑拆除支撑;第七步,先行隧道锚按照上台阶、中台阶、下台阶开挖,并依次施做初期支护;第八步,后行隧道锚按照上台阶、中台阶、下台阶开挖,并依次施做初期支护。1.645 m隧道左锚室隧道右锚室1 2 10476385912.330 m161514131211主线左洞主线右洞图4工况一施工顺序 2.3.2 工况二施工过程工况二施工顺序,见图 5。第一步,先行隧道锚按照上台阶、中台阶、下台阶开挖,并依次施做初期支护;第二步,后行隧道锚按照上台阶、中台阶、下台阶开挖,并依次施做初期支护;第三步,四坪隧道
13、中导坑开挖,施做初期支护;第四步,中导坑内施工中隔墙;第五步,四坪隧道先行洞按照上台阶、中台阶、下台阶开挖,并依次施做初期支护;第六步,四坪隧道后行洞按照上台阶、中台阶、下台阶开挖,并依次施做初期支护;第七步,四坪隧道中隔墙上部回填;第八步,四坪隧道中导坑拆除支撑。1.645 m隧道左锚室隧道右锚室7 8 16101312914111512.330 m654321主线左洞主线右洞图5工况二施工顺序 2.3.3 工况三施工过程工况三施工顺序,见图 6。第一步,四坪隧道中导坑开挖,施做初期支护;第二步,中导坑内施工中隔墙;第三步,四坪隧道先行洞和先行隧道锚按照上台阶、中台阶、下台阶协同开挖,并同时
14、依次施做初期支护;第四步,四坪隧道后行洞和后行隧道锚按照上台阶、中台阶、下台阶协同开挖,并同时依次施做初期支护;第五步,四坪隧道中隔墙上部回填;第六步,四坪隧道中导坑拆除支撑。模拟中未考虑各阶段的应力释放以及二次衬砌,是出于偏安全的角度考虑。1.645 m隧道左锚室隧道右锚室1 2 10476385912.330 m876543主线左洞主线右洞图6工况三施工顺序 图 4图 6中的数字代表施工顺序。2.4 计算结果及分析该数值仿真主要是模拟不同施工工序的全过程,从围岩和初支受力等分析结果发现,各分部的开挖引起的内力及地层变形不是很大,因此该节不杨先奎,等:隧道锚与隧道上下毗邻协同施工力学行为分析
15、 145 针对各施工步进行详细分析,选择性分析重点施工步骤。模拟分析中主要从围岩位移、塑性状态及初支内力等三个方面论证。2.4.1 围岩竖向位移各工况竖向位移云图,见图 7。工况二的竖向位移最小,其次是工况三、工况一,以上 3 个施工工况中围岩最大竖向沉降位移分别为 37.9、28.9、30.9 mm,基本均出现在隧道拱顶附近。由此可知:采用工况二的施工顺序,即先施工隧道锚,再施工主隧道效果较好,但需要对主隧道拱顶处进行加固,并在施工过程中要增加监控量测频率,控制好隧道沉降。0.2%3.8%3.3%3.5%8.4%30.3%18.3%17.4%13.7%0.8%0.2%0.1%+3.25e00
16、2+2.67e002+2.08e002+1.49e002+9.06e003+3.19e0032.68e0038.55e0031.44e0022.03e0022.62e0023.20e0023.79e002Displacement TY,M0.2%2.9%3.8%2.7%4.7%15.2%29.1%12.4%13.5%9.6%5.8%0.1%+3.01e002+2.52e002+2.03e002+1.54e002+1.05e002+5.56e003+6.42e0044.28e0039.19e0031.41e0021.90e0022.39e0022.89e002Displacement TY,M0
17、.2%2.4%4.2%2.9%4.6%17.3%27.9%13.4%15.5%11.2%0.3%0.1%+3.11e002+2.59e002+2.08e002+1.56e002+1.04e002+5.27e003+1.12e0045.05e0031.02e0021.54e0022.05e0022.57e0023.09e002Displacement TY,M(a)工况一(b)工况二(c)工况三图7各工况竖向位移云图 2.4.2 围岩塑性状态各工况塑性状态分布,见图 8。工况一的塑性区范围最大,工况二和工况三的塑性区范围相差不多,工况二略多于工况三。三种工况下围岩塑性区多集中在隧道锚边墙以及主隧
18、道拱顶,左洞边墙上,同时隧道锚与主隧道塑性区并未产生连通,之间岩体大部分还未发生屈服或者破坏。Material status outputPlastic/FailureUnloading/ReloadingTension failureCap failureMaterial status outputPlastic/FailureUnloading/ReloadingTension failureCap failureMaterial status outputPlastic/FailureUnloading/ReloadingTension failureCap failure(a)工况一(
19、b)工况二(c)工况三图8各工况塑性状态分布 2.4.3 初支内力各工况初支内力,见图 9。4.0%6.9%8.7%11.3%9.5%9.7%11.9%12.3%11.3%8.1%3.8%2.8%+1.10e+0022.89e+0026.88e+0021.09e+0031.49e+0031.89e+0032.28e+0032.68e+0033.08e+0033.48e+0033.88e+0034.28e+0034.68e+003Beam force axial force,kN轴力1.4%1.9%5.0%13.5%26.5%30.6%7.2%5.8%3.5%1.9%1.5%1.2%+4.71e
20、+002+3.77e+002+2.83e+002+1.89e+002+9.46e+001+6.31e+0019.33e+0011.87e+0022.81e+0023.75e+0024.69e+0025.63e+0026.57e+002Beam force bending,MMNT Y,kNm弯矩(a)工况一4.0%6.9%8.7%11.3%9.5%9.7%11.9%12.3%11.3%8.1%3.8%2.8%+1.10e+0022.89e+0026.88e+0021.09e+0031.49e+0031.89e+0032.28e+0032.68e+0033.08e+0033.48e+0033.8
21、8e+0034.28e+0034.68e+003Beam force axial force,kN轴力1.4%1.9%5.0%13.5%26.5%30.6%7.2%5.8%3.5%1.9%1.5%1.2%+4.71e+002+3.77e+002+2.83e+002+1.89e+002+9.46e+001+6.31e+0019.33e+0011.87e+0022.81e+0023.75e+0024.69e+0025.63e+0026.57e+002Beam force bending,MMNT Y,kNm弯矩(b)工况二4.0%6.5%8.8%11.3%8.4%9.4%13.4%12.6%10.
22、7%8.4%4.0%2.7%+2.74e+0021.69e+0026.12e+0021.06e+0031.50e+0031.94e+0032.39e+0032.83e+0033.27e+0033.72e+0034.16e+0034.60e+0035.05e+003Beam force axial force,kN轴力0.5%1.4%4.7%14.0%38.8%20.2%5.3%4.7%4.2%3.0%1.9%1.4%+4.38e+002+3.49e+002+2.59e+002+1.70e+002+8.01e+0019.40e+0009.89e+0011.88e+0022.78e+0023.68
23、e+0024.57e+0025.47e+0026.36e+002Beam force bending,MMNT Y,kNm弯矩(c)工况三图9各工况初支内力 以上 3 个分析中,初支最大轴力依次为 4 680、5 160、5 050 kN,较大值均集中在主隧道左右洞路基工程 146 Subgrade Engineering2023 年第 4 期(总第 229 期)边 墙 处;初 支 最 大 弯 矩 依 次 为 657、652、636 kNm,较大值均集中在主隧道左右洞隧道拱脚附近。此外,上、中台阶支护连接部位内力较大,因此应适当采取初支加强措施,保证在施工阶段支护的稳定性。2.5 围岩参数变化
24、敏感性分析围岩土体参数对整个施工过程模拟具有重要影响,决定着围岩位移及衬砌内力值,为模拟不同土体参数对连拱隧道影响,6 种工况设置情况,见表 2,并进行相关参数敏感性分析。由于地勘资料并未给准确的黏聚力,所以以改变黏聚力作为工况设置,施工顺序选择工况二,即先施工隧道锚再施工主隧道,并从竖向位移和塑性区进行分析。表2工况设置情况工况类别一二三四五六黏聚力/MPa0.100.150.200.250.300.40 2.5.1 围岩竖向位移各工况竖向位移云图,见图 10。随着围岩土体黏聚力的增大,竖向位移在不断变小,且变化幅度在逐渐变小。以上 6 个施工工况中围岩最大竖向沉降位移分别 74.6、54.
25、3、40.6、32.2、28.9、26.9 mm,基本均出现在隧道拱顶附近,总体上位移沉降值较大。0.1%0.1%0.1%2.0%8.7%40.2%26.6%15.9%5.6%0.4%0.1%0.1%+7.31e002+6.06e002+4.81e002+3.57e002+2.32e002+1.07e0021.75e0031.42e0022.67e0023.92e0025.17e0026.41e0027.66e002Displacement TY,m0.1%0.1%1.4%6.0%7.7%39.8%19.6%14.8%10.5%0.4%0.1%0.1%Displacement TY,m+4.8
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