白須公隧道處治結(jié)構(gòu)與圍巖穩(wěn)定性的三維有限元分析

白須公隧道處治結(jié)構(gòu)與圍巖穩(wěn)定性的三維有限元分析

1結(jié)構(gòu)安全可靠性分析隨著道路建設(shè)的快速發(fā)展，在溶水地區(qū)修建了越來越多的道路隧道。此處公路隧道穿越大溶洞時,采用樁-承臺-單邊支撐墻-聯(lián)系梁的處治方式,來保證隧道施工和運營期安全。因此,數(shù)值模擬研究圍巖穩(wěn)定性和溶洞處治結(jié)構(gòu)的安全可靠性具有重要意義。為今后巖溶地區(qū)公路隧道穿越大溶洞的設(shè)計與施工提供了一定的依據(jù)與指導(dǎo)。2隧道結(jié)構(gòu)方案白須公1號隧道為清(遠)連(州)一級公路升級改造(高速)工程,隧道起訖樁號K2178+015~K2178+425,長410m。隧道在開挖到K2178+074時在隧道上半段面左側(cè)發(fā)現(xiàn)溶洞,溶洞洞腔最高約46m,寬約50m,長約70m,溶洞周壁圍巖為近似水平狀灰?guī)r,溶洞底部有坍塌的落石,大小不一,溶洞洞壁潮濕,未見流水,有泥質(zhì)填充物。由于溶洞規(guī)模較大,隧道穿越溶洞的位置在溶洞的邊緣部位,開挖后溶洞跨度增長較大,溶洞變形下沉對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生偏壓,造成隧道結(jié)構(gòu)的破壞,易誘發(fā)大的塌方,采用雙排樁支撐墻方案,約束溶洞的下沉變形,實施反壓回填及橫向聯(lián)系梁防止支撐墻由于偏壓產(chǎn)生較大移位,或地震對隧道結(jié)構(gòu)的破壞。采用雙排樁、承臺、支撐墻組合結(jié)構(gòu)支護方案,跨越溶洞區(qū),雙排樁采用1.6m樁徑,中部及右側(cè)單排樁采用2.0m樁徑,1.6m樁18根,2.0m樁8根,支撐墻厚度約3.9m,根據(jù)溶洞平面布置情況設(shè)3段承臺,每段承臺間設(shè)2cm變形縫,承臺厚度為2m。隧道采用單向2車道80km/h行車速度確定,采用二次襯砌獨立成環(huán)的直墻式斷面。隧道內(nèi)輪廓采用三心圓形式,單洞建筑限界凈寬為10.25m、凈高為7.0m,建筑界限高度為5m。隧道溶洞段K2178+074~K2178+140隧道結(jié)構(gòu)采用樁、臺、墻組合結(jié)構(gòu),承力墻修筑到與溶洞頂相接,K2178+085~K2178+105段隧道路面基礎(chǔ)設(shè)置6片橫向聯(lián)系梁與承臺連結(jié),承臺和支撐墻為C25鋼筋混凝土,隧道臨空段初期支護是預(yù)埋鋼筋架后與支撐墻整體澆注C25混凝土。隧道支護參數(shù):?22mm藥卷錨桿,長為3.5m,間距為100cm×75cm(縱向75cm);?6mm雙層鋼筋網(wǎng),15cm×15cm(拱部);I20a型鋼拱架,縱向間距為75cm;噴C25早強混凝土25cm(左側(cè)與支撐墻同時現(xiàn)澆C25混凝土);C25鋼筋混凝土二次襯砌50cm。該段Ⅲ級圍巖段復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)如圖1所示。施工工序:溶洞頂部錨噴支護→人工挖孔樁施工→澆筑承臺結(jié)構(gòu)→分層分段澆筑墻體→待樁、臺、墻組合結(jié)構(gòu)強度上來以后開挖上臺階→上臺階初期支護→開挖下臺階→下臺階初期支護→隧道開挖完成后在隧道路面下施工橫向聯(lián)系梁→施做二次襯砌。3模型及計算過程計算模型選取溶洞段K2178+084開始隧道橫向長度(X向)為96m、豎直方向(Y向)長度為83m、(Z向)縱向長度為30m,選取隧道路面中點為坐標原點。隧道圍巖、樁基、承臺和支撐墻采用六面體單元(brickelement)、初期支護采用殼體單元(shellelement)、link1單元模擬錨桿、計算模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示,整個模型共劃分為57891個單元和63136個節(jié)點。模型兩側(cè)邊界施加水平方向(X)的位移約束,與隧道軸線垂直的前后兩側(cè)邊界施加沿縱向(Z)的位移約束,底部邊界施加垂直方向(Y)的位移約束,頂部為自由表面,不進行約束。隧道圍巖采用Drucker-Prager模型,樁基、承臺和支撐墻采用彈性(elastic)模型。巖石強度屬于Ⅲ級圍巖,初期支護采用三維殼體(shell)單元進行模擬。材料參數(shù)按表1選取,其中Ⅲ級圍巖粘聚力為1.5MPa,內(nèi)摩擦角為40°。使用單元的生死功能來模擬隧道的開挖和支護,圍巖的初始應(yīng)力主要由重力引起,應(yīng)力隨深度逐漸增大,只考慮巖體的自重應(yīng)力,忽略其構(gòu)造應(yīng)力。計算中取重力加速度g=10m/s2,圍巖的側(cè)壓力系數(shù)λ=0.6。待樁、承臺、支撐墻組合結(jié)構(gòu)施工完成后求解初始應(yīng)力場。然后溶洞段隧道30m采用臺階法開挖,通過如下步驟模擬整個隧道的施工過程:(1)按上下臺階3m步距進行開挖,上臺階開挖完成后,進行求解平衡;(2)恢復(fù)上臺階初期支護的材料參數(shù),模擬下臺階開挖施工,進行求解平衡,恢復(fù)下臺階初期支護;(3)繼續(xù)開挖上臺階,進行求解平衡。根據(jù)上述開挖和支護模擬方法可模擬整個隧道施工過程,總共20步工況,以對溶洞樁、臺、墻組合結(jié)構(gòu)效果進行評價。4數(shù)值模擬結(jié)果4.1偏壓樁型基本特征通過以上開挖模擬過程,可得到樁基礎(chǔ)在不同工況下的受力狀態(tài),圖4為不同工況下樁基礎(chǔ)的水平位移?？拷淼酪慌艠稙橛覀?cè)樁,遠離的為左側(cè)樁,并且按開挖面向前編號為1#~6#樁,特征點均為樁頂中心點,特征點如圖3。繪制樁頂部水平位移與開挖距離的關(guān)系曲線圖,負值表示與X正方向相反,正值表示與X正方向同向。根據(jù)圖4計算結(jié)果可看出:(1)在隧道開挖完成后,兩排樁基水平位移都為負向,說明在偏壓下,樁發(fā)生了偏向溶洞的側(cè)向位移。(2)在隧道開挖過程中,右側(cè)樁的水平位移大于左側(cè)樁的位移,并且右側(cè)3#樁的位移值最大,達到了0.35mm,而左側(cè)樁最大值為0.15mm。(3)在隧道開挖過程中,開挖面離樁越近,樁的水平位移值增加越大,當開挖到與樁同一個斷面時,水平位移值達到峰值,隨后逐漸減小,其影響距離為10m左右。4.2考慮開挖開挖后,上分層點豎向位移繪制承臺位移與開挖距離的關(guān)系曲線圖,負值表示與X正方向相反,正值表示與X正方向同向,特征點示意圖如圖5。根據(jù)圖6計算結(jié)果可看出:(1)特征點均發(fā)生了向下豎向位移,靠近隧道一側(cè)的點豎向位移很小;遠離隧道一側(cè)的點豎向位移變化大,最大值為2mm,且離開挖面越近的點釋放的豎向位移越小;特征點豎向位移大于水平位移見圖6(a);(2)在隧道開挖過程中,7#~9#特征點隨開挖面向前掘進,其水平位移和豎向位移值逐漸增大;(3)從圖6(b)、(c)可知,特征點均發(fā)生了偏向溶洞一側(cè)的水平位移,所以隧道K2178+084~112設(shè)置橫向聯(lián)系梁是有必要的,設(shè)置與承臺預(yù)留鋼筋共同連接的橫向聯(lián)系梁,其可以很好地彌補基礎(chǔ)不抗側(cè)向壓力缺點,大大增加了樁、臺、墻組合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。4.3圍巖豎向應(yīng)力分析圖7為不同工況下支撐墻的水平(X向)位移,其中負值表示位移與X軸方向相反,正值表示位移與X軸方向相同。在支撐墻頂面與隧道圍巖交匯處布設(shè)特征點1#~3#,支撐墻與初期支護界面布設(shè)4#~6#點,按開挖面向前編號,2#、5#在墻體縱向中間部分,其它特征點在兩端。根據(jù)圖7計算結(jié)果可看出:在隧道開挖過程中,1#~6#點均發(fā)生了偏向溶洞的水平位移,且隨開挖面向前掘進,其水平位移值逐漸增加,3#點變化最大,最大值為1.2mm;所以在墻體另一側(cè)采用反壓回填,可以對隧道的偏壓起到反壓作用。繪制支撐墻底面豎向位移與開挖距離的關(guān)系曲線圖,負值表示與Y正方向相反,正值表示與Y正方向同向。根據(jù)圖9計算結(jié)果可看出:在隧道在隧道開挖過程中,1#~6#點均發(fā)生了向下豎向位移,隨開挖面向前掘進,其豎向位移值也逐漸增大,最大值為2.75mm。圖10為不同工況下支撐墻的豎向(Y向)應(yīng)力圖,其中負值表示受壓,正值表示受拉。從支撐墻的豎向(Y向)應(yīng)力圖10看出:(1)在隧道開挖過程中,豎向應(yīng)力最大發(fā)生在支撐墻的右腳處,最大值為13MPa;而承臺支撐墻與溶洞頂交界處為0.5~3.3MPa。(2)在隧道開挖過程中,隨開挖面向前掘進,豎向應(yīng)力最大值沿墻體右腳向前移動,并且豎向應(yīng)力值也逐漸增加。(3)最大豎向應(yīng)力出現(xiàn)在墻體拱腳,所以其與承臺的連接部位在隧道施工中應(yīng)加強該位置的施工質(zhì)量。4.4水平位移計算結(jié)果隧道圍巖各特征點布設(shè)情況如圖11。圖12為不同工況下隧道圍巖Z=0斷面的位移圖,其中負值表示位移與Y(X)軸方向相反,正值表示位移與Y(X)軸方向相同。根據(jù)圖12計算結(jié)果可看出:(1)在隧道開挖過程中,拱頂水平位移偏向溶洞一側(cè),其他特征點水平位移方向均向隧道外擴張;(2)隧道拱腰、拱腳、側(cè)墻和隧底中心水平位移受隧道開挖影響很小,趨于一個恒定值,而拱頂下沉隨著開挖面的不斷推進而逐步增大;(3)隧道底中心豎向位移方向向上,其他特征點豎向位移方向向上,而拱頂豎向位移變化最大,變化值為2.7mm,隧道底部豎向位移值為2.5mm;(4)隧道圍巖豎向位移遠大于其水平位移。4.5初期支護部位不確定圖13為不同工況下隧道初期支護的位移圖,其中負值表示受壓,正值表示受拉。從圖13可看出:(1)在隧道開挖過程中,初期支護的應(yīng)力逐步增大,并且主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力;(2)在初期支護中,最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在初期支護拱腳以及先、后施工的連接部位,在隧道施工中應(yīng)加強該位置的施工質(zhì)量,特別是初期支護應(yīng)落在基巖上,上下臺階連接部位應(yīng)保證拱架連接質(zhì)量;(3)在初期支護中,與支撐墻連接部分壓應(yīng)力也有1.5MPa,在隧道施工中應(yīng)加強該位置的施工質(zhì)量,應(yīng)保證拱架連接質(zhì)量;(4)計算結(jié)果反映初期支護的壓應(yīng)力值為0.1~4MPa,小于C20噴射混凝土的抗壓強度(15MPa),表明噴射混凝土受力是安全的。5監(jiān)測數(shù)據(jù)分析5.1承力墻支護情況分析樁基礎(chǔ)變形采用JMZX-212型智能弦式應(yīng)變計進行測量,在人工挖孔樁澆注完成后,在樁基礎(chǔ)頂面以下大于2m處,布置3個方向的表面應(yīng)變計,現(xiàn)就靠外的1#樁外側(cè)測試情況分析:由圖14可以看出,7月4日~7月底期間,在承臺上澆注承力墻過程,樁基礎(chǔ)應(yīng)變比較小,承力墻澆注完成后開始穩(wěn)定;8月初主洞該斷面開挖時,樁基礎(chǔ)應(yīng)變加速度變大,說明主洞開挖后,承力墻承擔了來自圍巖壓力一部分壓力;9月中旬該段開始澆注二次襯砌,10月初開始澆注橫向聯(lián)系梁,期間圍巖壓力也不再增大,樁基礎(chǔ)應(yīng)變趨于穩(wěn)定。監(jiān)測結(jié)果與4.1節(jié)計算結(jié)果顯示:當開挖到與樁同一個斷面時,水平位移值達到峰值,其影響距離10m左右,兩者較吻合。5.2承力墻承力墻承力墻上壓力盒分析承臺支撐墻與溶洞頂交匯處采用JMZX-5206A型智能弦式壓力盒,監(jiān)測開挖過程中墻體受圍巖應(yīng)力的水平分力情況,以圖7中3#點附近斷面溶洞頂上壓力盒分析:從圖15可以看出:7月底到8月底進口方向的掘進對該段承力墻壓力影響比較小;等到9月初該段開挖時,承力墻上壓力盒變化迅速加大,9月中旬變化的速率開始減小,到10月初趨于穩(wěn)定,說明應(yīng)力重分布已經(jīng)完成,圍巖壓力也趨于穩(wěn)定,該處壓力盒是也是變化最大的。監(jiān)測結(jié)果與5.2節(jié)計算結(jié)果顯示:3#點變化最大,待隧道開挖到該斷面時位移變化最大,兩者吻合。5.3初始壓力值的測定沿隧道周邊拱頂、拱腰、拱腳位置埋設(shè)JMZX2050A型智能弦式壓力盒,壓力盒布設(shè)時先用砂漿將噴射混凝土面找平,然后使壓力盒承壓面(壓力盒比較光的一面)緊貼圍巖面并進行固定,測讀初始壓力值并進行調(diào)0,然后按一定的頻率量測讀數(shù)并整理數(shù)據(jù),共布置5個測點。從圖16量測結(jié)果可看出:初期支護與圍巖之間最大壓力為0.08MPa,最大壓力出現(xiàn)在與支撐墻連接部分的左拱腰位置,比數(shù)值分析結(jié)果略小,主要由于壓力盒測試中很難絕對貼近圍巖面。6圍巖應(yīng)力分析(2)在隧道開挖過程中,樁基處治結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了偏向溶洞一側(cè)的位移,開挖面離樁越近,樁的水平位移值增加越大,當開挖到與樁同一個斷面時,水平位移值達到峰值,隨后逐漸減小,其影響距離為10m左右。并且內(nèi)側(cè)樁的水平位移大于外側(cè)樁的位移。(3)施工開挖工程中,承臺和支撐墻水平位移也偏向溶洞一側(cè),所以聯(lián)系梁的設(shè)置及墻后