大跨度隧道施工方法数值模拟研究

大跨度隧道施工方法数值模拟研究

赵东平,王明年

(西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

摘 要:利用有限元程序模拟了 级围岩深埋地质条件下大跨度隧道的动态施工过程,以隧道施工后周边围岩稳定性和初期支护及临时支护安全性为指标比较了CD法和CRD法的开挖效果。结果表明,C RD法是该级围岩条件下的合理工法,同时给出了二次衬砌应滞后掌子面的合理距离。

关键词:大跨度隧道;施工方法;初期支护;临时支护;安全性

中图分类号:U455 文献标识码:A

Study on Construction Method of Large span

Tunnels by Numerical Simulation

Z HAO Dong ping,W ANG Ming nian

(School of Civil En gineering,Southwest Jiaoton g Unive rsity,Chengdu610031,China) Abstract:Simulating the course of dynamic cons truction of large span tunnel on geology condition of five grade rock mass and deep bury by finite element programming,the excavation effect of CD method is comapared with the effect of CRD method obased on safety of the rock mass around and preliminary lining and temporary lining.The result indicates that the CRD method is the proper cons truction method on this condition and gives the proper distance between the second lining and the excavation face.

Keywords:large span tunnel;cons truction method;preliminary lining;temporary lining;safety

1 概述

大跨度隧道的开挖不仅取决于工程地质条件及断面跨度与形状,而且在很大程度上受开挖工艺的影响。大跨度隧道一般采用分步开挖,开挖顺序不同,围岩应力分布差别甚大[1],因此,开挖顺序不同,围岩稳定程度存在差异,这就是工程开挖的动态力学特性。目前对软弱围岩大跨铁路隧道较常用的施工方法有单侧壁导坑法(CD法)、中壁交叉法(C RD法)[2-4]及双侧壁导坑法。为了比较其不同的开挖效果及施工安全性并得出可供参考的二次衬砌与掌子面的合理间距,有必要研究开挖工程的动态特性,以便寻求最佳开挖工艺来控制围岩地压,从而更经济有效地进行工程建设。2 工程概况

武汉至广州客运专线双线铁路隧道设计断面为15.313.3m(跨高),断面积达162m2。根据现场统计V级围岩深埋拱顶以上覆土厚度160m,浅埋拱顶以上覆土厚度35m。隧道临时支护及初期支护参数分别见表1和表2。对于深埋设计了C D法,CRD法。本文利用有限元程序模拟以上两种工法施工过程,并进行了数值分析。

3 有限元模型及计算参数

3.1 有限元模型

为了比较不同施工方法开挖效果,本文建立了两种有限元模型并分别模拟了隧道动态开挖力学

第1卷 第6期2005年12月 地下空间与工程学报

Chinese Journal of Underground Space and Engineering

Vol.1

Dec.2005

收稿日期:2005 08 05(修改稿)

作者简介:赵东平(1979 ),男,黑龙江嫩江人,博士生,主要从事地下工程研究。

性态。考虑到开挖隧道影响范围为3~5倍的洞跨[5],故C D法和CRD法建模范围选取为:上部取拱顶以上42m,下部取至隧道仰拱以下45m。左右各取50m。隧道长度取为60m。隧道左右有水平约束,下部有垂直约束,上部有垂直围岩荷载,前方和后方均有垂直其面的约束。计算中,用8节点6面体实体单元模拟围岩、初期支护。CD法模型总单元数为101280个,总节点数为107360个。CRD法模型总单元数为114960个,总节点数为121512个。

3.2 有限元分析参数

本次计算采用的围岩及砼的力学参数均取自!铁路隧道设计规范∀[6],如表3所示。

表1 临时支护参数

Table1 Parameter o f temporary lining

22砂浆锚杆 22超前

砂浆锚杆

I18临时

钢架

I18横撑

长度(m) 2.5 3.513.228.4

纵向间距(m) 1.0 2.0 1.0 1.0

环向间距(m) 1.20.4

表2 初期支护参数

Table2 Parameter of prelim inary lining

围岩级别

初期支护

喷砼锚杆(cm)钢筋网钢架(cm)

深

28400@80100拱 墙2020@100

V

浅(偏)28400@10080拱 墙2020@100

表3 围岩及初期支护参数

Table3 Parameter o f rock m ass and preliminary lining

围岩级别弹模

E GPa

泊松比

粘聚力

C MPa

内摩擦角

#

密度

kg.m-3

V 1.00.350.05201700

初期支护21.00.20 2500

4 控制基准

4.1 最小安全系数

隧道初期支护按破损阶段检算构件截面强度时,根据结构所受的不同荷载组合,在计算中应分别选用不同的安全系数。当按所采用的施工方法检算施工阶段强度时,根据!隧道设计规范∀采用表4

的最小安全系数标准。

表4 安全系数最小值

Table4 M inim um of safety factors

圬工种类混凝土

荷载组合主要荷载主要+附加荷载破坏砼达到抗拉极限强度 2.2 1.8

原因砼达到抗压极限强度 3.2 2.7

4.2 初期支护位移

对于初期支护位移的评价,采用!隧道设计规范∀附录表F.0.3的规定,经换算得本次计算初期支护极限位移判定标准如表5所示。

表5 初期支护位移

Table5 Displacem ent of prelim inary lining 围岩

级别

位置

隧道埋深h(m)

h∃5050拱脚水平位移35.3~65.053.2~260.0

拱顶相对下沉10.4~24.018.6~143.0

5 计算结果分析

5.1 隧道初期支护安全性

对于 级围岩深埋情况,分别计算了CD法和C RD法。为了比较两种工法的开挖效果,对其在施工过程中初期支护安全系数随掌子面距离变化情况进行了比较,两种工法施工时隧道初期支护安全系数变化情况见图1和图2(以下各图中,横坐标D表示隧道跨度)。

图1 拱顶安全系数变化

Fi g.1 Change on safety factors of arch crown 可以看到,两种工法施工时,当掌子面距离研究断面1.0D以内时,隧道初期支护安全系数变化均较大,表现为安全系数很快减小。说明无论是C D法还是CRD法,当前方掌子面施工时对其后方1倍洞跨范围内的初期支护安全性影响很大,故在这个区间施工时应提高警惕。随着隧道掌子面的继续施工,安全系数的变化逐渐减小,当掌子面与研究断面距离大于2.0D以后,初期支护拱顶及边

845

2005年第6期 赵东平:大跨度隧道施工方法数值模拟研究

图2 边墙安全系数变化

Fig.2 Change on safety factors of side wall

墙安全系数基本上稳定,说明二次衬砌与掌子面的合理间距控制在大于2.0D 较为合理。

隧道施工后,CD 法时拱顶和边墙的安全系数分别为1.7和1.9;CRD 法时拱顶和边墙的安全系数分别为2.3和2.1。可见,由于临时支护的加强,采用CRD 法施工时,隧道拱顶及边墙等位置初期支护的安全性较C D 法分别提高了35%和11%。由于C D 法施工后拱顶位置初期支护安全系数小于最小安全系数1.8,说明CD 法不能保证施工安全。

5.2 隧道临时支护安全性

为比较两种工法临时支护的支护效果,在CD 法及CRD 法的上、下台阶临时中壁中部位置各选择了一个控制断面,通过分析控制断面处安全系数的变化情况来评价两种临时支护的安全性。两种工法临时支护安全系数随掌子面变化情况如图3和图4

所示。

图3 上台阶临时支护安全系数变化

Fi g.3Change on safety factors of upper bench temporary support

可以看到,采用CD 法施工时,上、下台阶中壁临时支护安全系数在研究断面距离掌子面1D 范围内有一个先减小后又有微小增大的一个过程;采用CRD 法施工时,上、下台阶中壁临时支护安全系数随前方掌子面的施工表现出一致性减小并最后稳定。

当研究断面与掌子面距离小于1.0D 时,临时支护安全系数急剧下降,在这个区间内CRD 法的

临时支护安全系数明显高于C D 法,这种差别在上

图4 下台阶临时支护安全系数变化

Fi g.4Change on safety factors of lower bench temporary support

台阶临时中壁处较为显著。但是,隧道施工完毕后,两种工法的临时支护安全系数均减小到了1.0。从施工过程安全角度考虑,CRD 法明优于CD 法。5.3 隧道初期支护位移

两种工法施工时隧道周边初期支护竖向位移随研究断面与掌子面距离变化情况见图5和图6所示。

图5 拱顶围岩竖向位移变化

Fig.5 Change on vertical displacement of arch crown

图6 拱顶围岩竖向位移变化

Fig.5 Change on vertical displacement of side wall

可以看到,在研究断面与掌子面距离小于1倍

洞跨时,隧道拱顶围岩的竖向位移CD 法反而较C RD 法要小一些,但是这种差别不明显。至隧道施工完毕后,CRD 法拱顶围岩竖向位移较CD 法小。隧道边墙围岩竖向位移变化规律较为明显,整个施工过程中CRD 法边墙围岩竖向位移始终小于C D 法。施工完毕后,CD 法和CRD 法隧道拱顶和边墙围岩竖向位移分别为9.9mm 、7.1mm 和9.4mm 、6.1mm;两种工法施工后拱脚水平收敛值分别为38.5mm 和5.6mm 。可见CRD 法的临时支护对围岩的横向变形起到了很好的控制作用。两种工

846

地下空间与工程学报 第1卷

5.4 隧道周边围岩塑性区

采用两种工法施工后,隧道周边围岩在纵向和横向形成的塑性区分布情况如表6所示。

表6 塑性区分布范围

Table6 Distribution of plastic area

施工方法

塑性区半径(D)

纵向横向

CD法 1.50.8

CRD法 1.20.6

可以看到,隧道施工过程中,纵向上CD法在掌子面后方1.5D范围内的围岩出现了塑性区, CRD法在掌子面后方1.2D范围内围岩出现了塑性区。施工完毕后,横向上两种工法分别在隧道周边0.8D和0.6D范围内的围岩均出现了塑性区。无论是在横向还是在纵向上CRD法施工过程中及施工完毕后在隧道周边围岩形成的塑性区范围均较CD法要小。说明CRD法优于CD法。

6 结论

根据以上分析,当在 级围岩埋深160m情况下,分别采用CD法和C RD施工时,可以得出如下结论:

(1)采用CD法和CRD法施工时,隧道初期支护最小安全系数分别为1.7和2.1,CD法安全系数低于规范最小安全系数,不满足施工安全要求。

(2)当研究断面与掌子面距离小于1倍洞跨时,两种工法临时支护安全系数变化剧烈,这个区间内CRD法临时支护安全系数明显高于CD法,说明采用C RD施工时,临时支护安全性要好。

(3)两种工法在掌子面后方1倍洞跨范围内是初期及临时支护安全性受开挖影响最大的区段,在这个区段内施工时应严格按规范要求操作,提高警惕,必要时应做施工监测,以确保施工安全。

(4)由安全系数随掌子面的变化规律可以看到,研究断面与掌子面距离大于2倍洞跨以后,隧道初期支护和临时支护安全系数均不再减小,说明二次衬砌滞后掌子面的合理距离应不小于2倍洞跨。

(5)综合比较得出,CRD法在隧道初期支护及临时支护安全性,隧初期支护位移情况,隧道周边围岩塑性区分布范围等指标上均较CD法好,故认为CRD是该级围相同埋深条件下的合理施工方法。

参考文献:

[1] 大跨度地下洞室开挖动态力学特性及支护设计研究

[J].化工矿山技术,1996,26:17-19

[2] 小林光政.在覆盖层浅的砂土地层中开挖三车道隧

道.隧道译丛,1992、1

[3] Eberhard Fliegner,T he Mount Baker Tunnel USA.(E x

emplary for Drivage of major Cross Sections in soft Soil).

Tunnel,1990,4,205-220

[4] 王明年.3孔小间距浅埋暗挖隧道地表沉降控制技术

研究,岩土力学,2002,23(6)

[5] 刘佑荣,唐辉明.岩体力学[M].中国地质大学出版

社,1999:138-143

[6] 铁道第二勘察设计院,铁路隧道设计规范,2001:-

65

(上接第843页)系数对可靠指标的影响最大。小洞二衬的弹性模量变异系数对大洞的影响比较小,同样大洞二衬的弹性模量变异系数对小洞的影响也比较小。

参考文献:

[1] 张清,王东元,李建军.铁路隧道衬砌结构可靠度分

析[J].岩石力学与工程学报,1994,13(3):209-218 [2] 宋玉香,景诗庭,刘勇.单线电气化铁路隧道衬砌结

构目标可靠指标的试算分析[J].岩石力学与工程学

报,1999,18(1):46-49

[3] 高波,蔺安林,赵万强.隧道衬砌结构可靠指标计算

方法的研究[J].西南交通大学学报,1996,31(6):584 -5

[4] Kohno S.,Ang AHS and Tang WH.Reliability evaluation

of idealized tunnel system[J].Structural Safety,1992,11

(1):81-93

[5] Deng Jian,Gu Desheng and Li Xi bing.Structural reliability

analysis for implicit performance functions using arti ficial neural network[J].Structural Safety,2005,27(1):25-

48

[6] 邓建,朱合华,丁文其.不等跨连拱隧道施工全过程

的有限元模拟.岩土力学,2004,25(3):477-480

847

2005年第6期 赵东平:大跨度隧道施工方法数值模拟研究