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硬岩条件下半喷混凝土快速支护施工的三维仿真分析

  • 投稿国士
  • 更新时间2015-09-24
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郑 欣

(重庆交通大学,重庆 400074)

摘 要:本文依托粤湘高速公路博罗至深圳段水涧山隧道,全过程力学仿真模拟研究了半喷混凝土快速施工技术,通过对围岩变形过程及大小、围岩应力与塑形区、两次半喷混凝土的应力分布与量值、系统锚杆的受力等力学指标值的变化规律,分析隧道围岩自稳与自承性能、支护结构的安全度。为今后同类的工程提供了宝贵经验。

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关键词 :半喷混凝土;快速施工;围岩;力学指标;安全度

中图分类号:TU755.6文献标识码:A文章编号:1673-260X(2015)03-0124-04

1 依托工程

粤湘高速公路博罗至深圳段水涧山隧道是博深高速的控制性工程,隧道左线全长2929m,右线全长2906m,整个隧道穿越具有“小九寨”之称的东莞市银屏山自然风景保护区。水涧山隧道属长三车道大断面公路隧道,由于银瓶山自然保护区对环境保护严格要求,洞身段禁止开设斜井与横向通道,只能从另一端洞口长距离独头掘进,头掘进距离高达2929m。隧址区地表岩性主要为破残积土层及风化层组成,洞身围岩为白垩系下统白云嶂组熔结凝灰岩,岩性单一,未发现不良地质存在,隧道场地属较稳定地块,工程地质条件较简单,设计洞身围岩级别主要为III级。

2 计算方案

III级围岩按上下台阶法开挖,不设仰拱,开挖步序如图1所示,台阶长度与平面推进图如图2所示,其开挖与支护顺序为:

(1)上台阶①开挖一个循环,长度3.6m(相当于3榀钢架距离),初喷、挂钢筋网、立格栅钢架并半喷混凝土至10cm;

(2)待上台阶掌子面进至25m后,开挖下台阶,初喷、挂钢筋网、立格栅钢架,敷设拱墙系统锚杆,并补喷10cm至设计厚度。

(3)待施工监测稳定后施做二次衬砌混凝土。

3 计算理论

采用国际先进岩土工程软件FLAC3D对半喷施工工艺过程进行全过程仿真分析。该软件是由美国明尼苏达ITASCA软件公司开发的显式有限差分程序。目前该软件已从二维平面分析拓展到三维空间分析,成为处理功能强大的新一代软件—FLAC3D。

3.1 FLAC程序中的弹塑性本构模型

FLAC程序可以模拟弹性模型、Mohr-Coulomb准则[1]、应变强化和应变软化模型等6种材料,并且各种模式之间可以相互耦合,以用来模拟各种复杂的岩土工程问题,能更真实地模拟实际材料的力学行为。

Mohr-Coulomb的破坏准则是张拉剪切的综合组合。假设给三个主应力编号,定义如下:

这个准则可以用下图3来解释,用Mohr- coulomb破坏准则描绘从点A到点B破坏包络线。fs=0,即

3.2 计算模型及边界条件

模型网格如图4~6所示。仿真分析中,为实现两次初期支护混凝土喷射,每层混凝土均采用实体单元模拟,其好处是可以直接获得每层喷射混凝土单元的应力值。

两层喷射混凝土差分物理网格图如图6所示。为方便建模与程序计算,本次计算将格栅处喷混凝土仍按半喷处理。

锚杆采用FLAC中专用的锚杆单元cable进行模拟计算,间距按照设计间距1.2m×1.2m,梅花形布置。偏于保守估计,岩体力学参数按照公路隧道设计规范(JTG D70-2004)给出的III级围岩各指标值下限选取[2],如表1所示。

边界的处理为:顶部距离拱顶埋深60m,自由表面;左右边界距离隧道中心距离为3.5D,水平位移约束;底部边界距离隧道底部3D,竖向位移约束;隧道纵向长度取40m,纵向边界面采用水平位移约束。(注:D为隧道开挖跨度,等于16.8m)

4 快速施工力学过程分析

4.1 围岩变形

为避免边界效应,取纵向Z=10.8m处为研究断面,观察该断面的沉降与水平位移。最终竖向位移云图如图7所示,水平位移云图如图8所示。

为观察施工过程中围岩的变形动态,布置监测点位如图9所示,其中A为拱顶沉降,B为水平收敛。计算结果如图10~12所示。

从图10可以看出,拱顶沉降最终值为5.1mm,小于隧道设计规范要求的最小值7.3mm,表明采用半喷混凝土快速施工时,围岩稳定。此外,掌子面开挖至研究断面(z=10.8m)时,拱顶沉降为2.1mm,位移释放率为0.40;复喷第二次半喷混凝土时,围岩位移释放率为0.87.这表明初次半喷混凝土所承担的位移释放率为0.47,即2.4mm。由于半喷混凝土的柔性,完全能够承载这一部分位移,并允许围岩应力作相应的调整与释放,以便充分发挥其自承能力。

图11表明水平位移很小,这与III级围岩岩体强度较高、侧压力不大有显著关系。因其量值太小,最大值0.8mm,不至引起围岩不稳定松弛,此处不作深入分析。

4.2 围岩应力

以拉应力为正,则最小主应力代表了最大压应力。研究断面围岩的最大压应力云图如图12所示,最大拉应力云图如图13所示。

据图12分析,围岩最大压应力在墙脚处产生应力集中,但量值不大,仅为4.45MPa。III级围岩多为坚硬岩或较坚硬岩,其单轴饱和抗压强度>30MPa,因此,围岩强度远远大于岩体中应力,围岩不会发生压溃失稳。

据图13分析,围岩最大拉应力仅出现在仰拱位置,但量值不大,为500kPa。拱顶仍然为压应力,不会发生抗拉失效破坏。

4.3 围岩塑形区

如图14所示,III级围岩局部存在塑性区[3],出现部位为仰拱接近墙脚处以及边墙局部。由于塑形区分散于局部,未构成连通面,对隧道整体稳定性不构成影响。

4.4 喷射混凝土应力

研究断面第一次半喷混凝土应力分布如图15~16所示,第二次半喷混凝土应力分布如图17~18所示。

由图15、图16分析可知,内外两次半喷混凝土受到一定大小的拉应力,一般发生在拱顶,局部发生在边墙拱墙想接部位,但量值不大,最大为0.6MPa,小于C20喷射混凝土的抗拉强度设计值1.13MPa,受拉安全系数1.88,处于安全范围。

由图17、图18分析可知,内外两次半喷混凝土最大压应力为3.59MPa,远小于C20喷射混凝土抗压强度设计值11MPa,处于安全范围。

4.5 系统锚杆受力

系统锚杆采用cable单元模拟[4-5],如图19所示。

系统锚杆在上台阶推进25m后与下台阶喷射混凝土一起施做,其计算结果如图20所示。计算表明,锚杆主要承受拉力,拱部锚杆受拉很小,边墙锚杆受拉力较大,最大拉力为11.3kN。墙脚部位锚杆局部受压,作用不大。

通过锚杆的受力分析,建议在实际施工过程中,在第二次半喷混凝土时,通过观察拱部围岩裂隙情况以及监控量测稳定状况,酌情减去拱部锚杆,只在边墙敷设系统锚杆。这样做可以获得四大好处:(1)减少拱部锚杆作业的难度;(2)减少作业量;(3)节省材料与人工费用;(4)加快施工进度。

5 结论

结果表明,半喷混凝土快速施工方案切实可行,而且预设计中系统锚杆支护参数也存在进一步优化的余地,建议实际施工时依据拱部围岩节理裂隙以及监控量测信息反馈,优化系统锚杆的施作与否、敷设部分,达到安全、经济与快速施工的和谐统一。

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参考文献:

(1)贾善坡,陈卫忠,杨建平,陈培帅。基于修正Mohr -Coulomb准则的弹塑性本构模型及其数值实施[J]。岩土力学,2010(07):2051-2058.

(2)中华人民共和国交通部。JTG D70-2004公路隧道设计规范[S]。北京:人民交通出版社,2004.

(3)刘贵,韩邦华,邢峰,郭文印,杜克辉。条带开采煤柱塑性区宽度的数值模拟与计算[J]。煤炭科学技术,2009(03):4-6+37.

(4)鲍生才。深基坑桩锚支护结构数值模拟研究[J]。地下空间与工程学报,2014(S2):1941-1945.

(5)陈力华,林志,李星平。公路隧道中系统锚杆的功效研究[J]。岩土力学,2011(06):1843-1848.