大断面公路隧道围岩力学特征及施工工法数值分析-学兔兔 www.xuetutu.com.pdf

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公路隧道
2014年第4期(总第88期)
大断面公路隧道围岩力学特征及施工工法数值分析
宋艳彬马杰
(北京市市政工程设计研究总院北京100082
摘要结合深圳丹平快速路猫公坝隧道设的计成果,本文深入分析了大断面公路隧道围岩的力学特征,
列举了适合大断面隧道的施工工法,并建立数值模型分别对这些施工方法进行计算,对结果进行分析,得出不同围
岩条件下适用的施工工法;同时通过对初期支护临时拆除前后的模拟分析,得出临时拆除后初期支护暴露时间不
易太长;由于临时支护拆除后初期支护和围岩之间的应力调整不断发展,初期支护承担的荷载会逐渐増加,则安全
系数逐渐降低,易发生塌方事故,因此需严格控制临时支护拆除时机,二次衬砌紧跟。
关键词公路道数值分析大断面力学特征
1前言
隧道开挖引起隧道附近岩体产生变形、位移甚至破
坏,直到出现新的应力平衡为止。当围岩的二次
随着我国高速公路建设的不断发展,媵道的建应力不超过其承载极限时,围岩应力可全部由围岩
设规模越来越大,公路隧道已从最早的2车道发展来承担,隧道可不加支护并能维持围岩的稳定,当
到3车道、4车道,甚至到5车道。隧道的内轮廓面二次应力超过了围岩承载极限时,为了维持隧道断
积也从2车道的60~70m2发展到三车道的90~面形状和围岩的稳定,就必须施加衬砌结构进行支
100m2,再到4车道的130m2以上。工程上习惯将3护,以维护其成力平衡;否则就会通过塌方等形式
车道90m2以上的隧道称为大断面隧道;将4车道建立新的平衡。
130m2以上的称为超大断面或特大断面。由于大断
大断面隧道与双车道断面隧道相比较,宽度增
面、超大断面公路隧道的广泛应用,隧道安全、经济加很多,但高度变化不大,因而其断面形式变得扁
合理就显得特别重要,不仅需要对传统的设计和施平,与接近圆形的双线隧道相比大断面隧道具有以
工技术从根本上重新加以认识,并且还需解决更多下特征:
新课题。本文依据深圳丹平路猫公坝4车道隧道的
(1)开挖应力重分布对隧道稳定不利。对于圆
设计成果,分析了大断面公路隧道围岩力学特征,形断面隧道在弹性介质和静水压力场中,开挖后周
并列举了几种适合大断面隧道的施工工法,采用边的最大主应力是初始应力的2倍。而对于扁平的
Flac3D建立数值模型分别对这些施工方法进行计大跨隧道,根据有限元解析,开挖后最大主应力在
算,对结果进行分析,得出不同围岩条件下适用的侧压力系数k=1时是初始应力的3倍,当k=0.7
施工方法;同时采用地层结构法模拟双侧壁导坑法时的4倍。这说明在围岩条件相同的条件下,大跨
的施工工序,对设计的初期支护结构、二树以及设隧道更容易出现塑性化和较大的变形。
计施工工序等关键节点进行了分析。
(2)大断面隧道具有扁平的拱形结构,其开挖
2大断面公路隧道围岩力学特征
后应力的重分布能力差,底脚处的成力集中过大,
要求较大的地基承载力,需及时的施作仰拱。
隧道开挖前,围岩原始应力主要由自重应力和
(3)隧道力学解析通常是假定岩体是连续介
构造应力组成,并沿着不同方向传递,使围岩处于质,这种假定对推断塑性区是合适的,但对推断岩
向应力的平衡状态。岩体开挖后,隧道初始应力块的崩塌以及拱顶稳定性的分析是无能为力的,因
平衡状态遭到破坏,原来的三向力变成了二向应此在水电大型工程的大断面洞室,通常采用块体理
力。由于隧道上部岩体失去支撑,隧道顶部岩体的论分析。
重力即转加于隧道两侧,使隧道两侧岩体中的垂直
(4)开挖宽度和开挖高度越大,要求产生拱作
应力増大,原来由隧道内岩体传递的水平应力,由用的埋深越大。在浅埋隧道中,拱效应不能发挥作
于隧道空间的形成,只能通过顶、底部相互传递。用时,就会产生很大的松弛压力,对隧道支护参数
因而也使隧道顶、底板岩体的水平应力发生变化。和施工工法的选择影响很大。
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(5)支护结构承载力较小,并且跨度越大,扁平岩以Ⅳ级、级为主。该区域主要接受大气降水补
拱形支护结构的承载力也越小
给,同时可接受基岩裂隙水的侧向补给,地下水径
3大断面公路隧道基本施工工法
流条件一般,排泄于下部的基岩裂隙水。
由于本文的主要研究目的是探讨不同施工开
大断面隧道施工方法同一般隧道的施工工法挖工法对大断面隧道围岩稳定性的影响,并对各个
一样,分为基本施工工法和辅助工法。从目前的施工法的施工力学行为进行数值模拟对比分析,从而
工技术水平出发,适合大断面隧道的基本施工方选择更为安全可靠、经济合理的施工工法,因此在
法,主要有以下几种2:
进行数值模拟计算时,仅取单洞4车道断面进行建
(1)上半断面台阶法(二台阶法或三台阶法、上模分析,如图1所示。
半断面临时封闭台阶法);
(2)中隔壁法(CD法、CRD法)
(3)双侧导坑开挖法(眼镜法、双侧导坑超前开
挖法)。
其中,上半断面法由于施工空间大,且能釆用
机械开挖,速度相对较快。但由于跨度大,矢跨比
小,在上下台阶的两个下端会产生很大的应力集
中,不利于承受外部荷载,因此需要可靠性强的超
前支护和预留合适的核心土保证掌子面的稳定,及
时完成比较强的初期支护,一般适用于地质条件好
的隧道施工段。在承载力不足的浅埋洞口段,一般
图1四车道断面内轮廓图
采用侧壁导坑法,由于开挖断面小,矢跨比较大,并4.1数值计算
能及时成环,因此可以很好的控制围岩的变形,充
为了寻找适合大跨扁平隧道的施工工法,特别
分发挥锚喷支护的作用。在掌子面不稳定的隧道是针对地质差、断面大的隧道施工工法,现对国内
中,因开挖宽度和高度大,不易于稳定,和拱脚处的外常用的CD法、CRD法、双侧壁导坑法等隧道施
应力集中、拱顶弯矩增大等,应尽量控制围岩松弛,工方法进行数值计算比较分析。计算软件采用
般采用中隔壁法(CD法)或双侧导坑开挖法,通FLAC8D,因只是在相同的地质参数下对比分析CD
过分割掌子面,由大变小,可以确保掌子面的稳定?,法、CRD法、双侧壁导坑法三种施工工法的施工效
有效控制隧道周边松驰的扩大。但采用中隔壁法、果,仅建立二维数值模型,对比参考的数据主要为
双侧导坑开挖法,拆除中壁作业复杂,施工条件差。变形。计算模型如图2所示,埋深15m,计算参数如
中隔壁法、双侧导坑开挖法和上半断面台阶法互换表1所示。
困难。特别是拆除中隔墙后,必须及时将初期支护
在FLAC计算建模时,模型的边界取值参照
封闭成环,施工相对比较复杂
文献,左、右边界取值隧道中心水平距离60m,上
4施工工法的数值计算对比分析
下边界分别取至隧道中心垂直距离60m的位置。
左右边界为水平约東,底部为竖直约東,顶部为自
本文依托深圳丹平路猫公坝隧道进行数值计由面。围岩采用莫尔一库伦模型,只考虑岩体自重
算,该隧道位于深圳水库西侧的丘陵地带。根据区应力,忽略围岩的构造应力。通过提高岩体C(岩体
域资料及地质调查,勘察区及其周边出露的地层主内聚力)20%、(岩体内摩擦角)20%,降低泊松比
要有第四系、震旦系花岗片麻岩、加里东期混合花20%的方式来体现锚杆支护的作用和超前支护的
岗岩或侏罗系砂岩。影响本区域的构造体系主要作用。初衬为30cm厚C25喷射混凝士,建模时用
有