1 工程概况
小团山隧道位于昆(明) —石(林) 高速公路上单向三车道单向行驶的大断面隧道, 下行线全长1 195m , 位于R = 1 850m , Ls = 100m 的左转曲线上; 上行线全长1 125m , 位于R = 2761188m , Ls =100m 的左转曲线上. 该隧道限界宽13175m , 限界高5m , 设计净跨为14180m , 净高为819m 的半圆拱曲墙断面, 开挖面积为159m2 、净空面积为105m2. 小团山隧道的断面跨度在国内尚无先例, 其断面形状、结构受力、围岩稳定性和施工方法均具有显著的特点. 笔者就小团山隧道下行线的K18 + 161 断面数值模拟. 对小团山隧道的稳定性进行分析. 小团山隧道XK18 + 161 断面埋深约115m , 围岩是灰褐、黄褐色玄武岩, 岩石节理发育, 碎石—块状, 原设计时围岩划分为Ⅳ 类, 在施工过程中, 发现岩石节理很发育, 实际应为Ⅲ 类围岩. 在K18 + 161 位置, 两洞中心间距70m 左右. 隧道围岩开挖到该断面时, 毛洞高12110m , 宽1614m (不计超挖和预留变形量), 断面形式为单心圆. 由于围岩状况较设计差, 施工中对隧道的支护参数作了进一步优化, 支护参数调整如下:11 初期支护:
① 采用湿喷钢纤维、微硅粉C25 砼, 厚20cm. ② I16 型钢拱架, 间距80cm. ③WTD25 锚杆, L = 400cm , 间距100cm , 按梅花形布置.21 二次衬砌: 由厚50cm , C25 素砼变更为40cm 厚, 单层钢筋网靠围岩设置, 环向主筋<18 , 中距25cm ; 纵向钢筋<8 , 中距25cm , 保护层315cm. 31 仰拱: 取消隧道底初期支护及预留变形量, C25 防水砼仰拱厚由015m 变为016m ; 中部填充层由C10 砼变为C10 片石砼, 厚度由2133m 提升至1135m. 支护具体情况见图1. 为便于施工, 该段隧道采用三台阶法, 分17 道工序完成, 具体情况见图2.
2 结构计算211 地层材料性态的模拟
地层材料可选用的模型有各向同性线弹性、非线弹性及弹塑性体等. 一方面, 由于2D2σ分析软件中的弹塑性模型很难收敛, 即使收敛, 计算误差也很大; 另一方面, 围岩是坚硬的玄武岩, 其弹性模量很大, 因此可以近似地把围岩体按线弹性模型、平面应变单元来考虑. 围岩与支护结构的力学参数按《公路隧道设计规范》中Ⅲ 类围岩的物理力学指标, 取值如下:
图1 横断面设计 玄武岩: E =5 ×105N/ cm2 , μ =0125 , r = 01022N/ cm3 , c = 30N/ cm2 , < = 45° . 围岩的侧压力系数λ将按λ= (1 -μ)/ μ 自动生成.
212 支护结构的材料性态模拟
对于本计算截面, 支护结构主要有锚杆、钢拱架、喷射砼和模筑二次衬砌, 所有支护结构均假设为弹性体. 对于锚杆的作用机理, 在软件中用锚杆单元来模拟; 喷射砼与钢拱架实际上是紧裹在一起, 共同变形、共同受力, 因此, 可把喷射砼与钢拱架按照同一实体单元来考虑, 该实体的参数按照综合参数来考虑; 而二次衬砌与初期支护间被防水板隔开, 二次模注衬砌可以按照梁单元来单独考虑. 各单元的参数取值如下:
C25 喷射砼( 综合参数): E =3114 ×106N/ cm2 , μ =01167 , r =010369N/ cm3 , c = 22315N/2cm , < =531526°. <25 锚杆: E = 211 ×107N/ cm2 , < = 215cm , l = 400cm. 二次衬砌(按梁单元考虑): E = 2185 ×107N/24cm , μ= 01167 , I = 5133 ×105cm , A = 4 000cm2. 仰拱(按梁单元考虑): E = 2192 ×106N/ cm2 , 42μ= 01167 , I = 1197 ×106cm , A = 611832 ×103cm . 213
有限元模型的建立
分析范围选取以洞轴线为基准, 三倍洞径范围作为有限元的分析范围[ 2 ] , 左侧延伸到65m , 右则延伸到左、右两洞的中心线, 为35m , 上下部分分别延伸到65m. 分析区域的左、右边界只有水平方向的约束( X 方向), 上部为自由面, 下部只有竖直方向约束( Y 方向). 根据结构情况, 采用平面应变单元, 弹性模型进行计算. 围岩体、初期支护、二次衬砌、锚杆等的结构自重, 计算中程序可以根据容重γ值自动加载. 该模型共划分为2 622 个单元, 7 975 个节点. 计算中的第一步是模拟隧道未开挖时的原始地应力状态, 在分析区域顶部施加132N/ cm2 的应力, 模型见图3 —图6. 随着计算过程的发展(按图2 的施工过程, 模拟围岩开挖, 施作支护等阶段), 逐步减去围岩体单元, 加入锚杆单元、砼单元(模拟初期支护) 、梁单元(模拟二次衬砌).
3 计算结果分析
选取有代表性的A 、B 、C 、D 、E 、F 、G 点(图2) 作为分析对象. 从计算结果来看, 随着开挖步骤的进行, 隧道围岩拱顶下沉量不断增加, 锚杆轴力也逐渐增大. 在整个施工过程中, 拱顶围岩下沉总量最大, 为0177cm , 在规范许可范围内, 可以判定围岩在整个施工过程中处于稳定状态. 锚杆的最大轴力也只有34470N , 小于锚杆的抗拉强度; 喷射砼层, 除了第三阶段B 、C 两处压力较集中, 砼内部可能压坏外, 其他阶段砼的抗压强度都可以满足要求, 但是C 、E 两处可能会因为抗拉强度不够而出现开裂或局部掉块, 但不会危及到整个断面. 从监控量测的数据分析, 拱顶的下沉量也基本上是呈逐渐增加的趋势; 上台阶开挖过程中, 拱顶下沉量只有01177cm ; 中台阶开挖过程中, 拱顶下沉量增加到01312cm ; 最后, 拱顶下沉量稳定在01376cm 的位置. 实际监测的拱顶下沉值比理论计算的要小, 主要是由于在实际监测过程中, 从上台阶开挖到第一次测量需要一段时间, 这段时间的拱顶实际位移值就是不可知的. 但是, 中台阶和下台阶开挖时拱顶下沉的监测值和计算波动值分别为01135cm 、01064cm 和01132cm 、01061cm , 两者相差较小, 因此, 数值模拟基本上是与实际物理过程同步的. 各阶段施作时, 围岩位移, 喷层应力, 锚杆轴力的计算值分别列于表1 、表2 、表3. 具体分析如下.
图3 有限元计算模型图4 仰拱施作后主应力σ1 图(N/ cm2)
图5 仰拱施作后主应力σ2 (N/ cm2) 图6 仰拱施作后锚杆轴力(N) 表1 洞周围岩位移变化(单位: cm)
该阶段除了C、E 两点拉力较大, 此处初期支护可311 上台阶开挖能局部开裂或掉块外, 整个结构基本上处于稳定状监控量测的上台阶开挖后, 地应力释放55 % 态. (主要根据的位移释放比率确定), 拱顶的位移值最314 仰拱施作大, Ux =-01006cm , Uy =-01329cm. 但是, 拱仰拱的施作除了对F、G 两点的锚杆轴力影响顶处基本没有出现拉应力, 而拱脚的压应力较大, 较大外, 对其他各点各因素的影响都比较小. F、达到1252N/cm2. G 两点分别由原来的-17 793N 和-19 521N 的受压
上台阶施作初期支护后, 地应力全部释放, 拱状态转变为15 436N 和13 169N 的受拉状态, 反映顶的位移值进一步增大, 最大值达到Ux = 了锚杆通过发挥自身的强度来约束围岩位移的作01008cm , Uy =-01574cm , 两拱脚处的位移绝对值用. 初期支护的C、E 两点仍然保持较高的拉应基本相同, 但由于开挖洞室的矢跨比较小, 两拱脚力, 此处初期支护仍有可能局部开裂或掉块, 除此有向外扩张的趋势. 该阶段拱顶出现了拉应力, 但之外, 整个结构处于安全状态. 并不大, 只有6517N/ cm2 , 远小于拱顶初期支护所能承受的最大拉应力190N/ cm2 , 但拱脚初期支护
4 结 语
内侧的压应力达到1 750N/ cm2 , 初期支护可能压综合以上结构计算和阶段分析, 可以得出如下坏. 锚杆的最大拉力为19 869N , 出现在A 点. 该结论: 阶段除了B 、C 两角点由于应力集中, 初期支护可11 从数值模拟分析, 小团山大断面公路隧道能局部损坏外, 整个结构基本上处于稳定状态. XK18 + 161 断面在整个施工过程中除了C、E 两处312 中台阶施作可能开裂或掉块, 需要局部加强外, 整个断面结构中台阶施作完毕后, 拱顶围岩的位移值进一步处于稳定状态. 增大, Ux =-01022cm , Uy =-01706cm , 初期支21 从表1 可以看出, 观测点的位移释放率随护在C 点出现较大拉应力, 超过1 900N/ cm2 , 而着台阶约束的解除而逐渐增加; 同时, 距观测点距拱顶拉应力基本被卸除. 中导拱脚处的压应力还离越远, 台阶开挖对该点位移的影响越小. 拱顶A 是较大, 达到1 250N/ cm2 , 但是B 、C 两点的应力点的位移释放率在上台阶施作时为7414 % , 中台集中现象已消除, 最大压应力只有375N/ cm2. 该阶施作时为9115 % , 下台阶施作时达到9914 % , 阶段B 、C 两点的锚杆轴力值增加较大, C 点的轴仰拱施作时该点位移只释放了016 %. 从这一数据力值达到33 484N. 该阶段除了C 点拉力较大, 此可以看出, 控制该段面施工安全的重点应放在上台处初期支护可能局部开裂或掉块外, 整个结构基本阶和中台阶两个施工阶段上. 上处于稳定状态.31 从图6 和表3 可以看出, B 点和C 点附近313下台阶施作的锚杆轴力较大, 且杆件末端轴力也比较大, 说明此阶段施作完毕后, 进一步对拱顶围岩的位移锚杆长度不够, 在这两个部位应该加大锚杆长度. 值产生影响, 不过较之中台阶的影响小得多, A 点水平方向和垂直方向的位移分别达到-01025cm -01767cm. 此阶段位移变化最明显的是D 点和E [ 1 ] 点. 初期支护在C 点和E 点继续出现较大拉应力,[M] . .
