论述某公路隧道施工技术
摘要:随着我国公路建设的快速发展,在修建隧道时,往往会出现2条甚至多条隧道的平面交叉,形成公路主隧道和支隧道的交叉分岔段,因此掌握交叉部位结构施工技术显得十分重要。目前大跨度隧道设计、施工有较多关键技术尚待深入研究,尤其是大跨度隧道交叉结构的力学行为研究目前国内尚为空白,故对此进行深入研究具有深远的意义。
关键词:公路隧道；施工方案；有限元计算
1引言
由于支隧道的存在,交叉段结构受力复杂,围岩应力高度集中,给施工带来很大困难。为获得交叉段合理施工方案,结果表明,每种方案中交叉段围岩的竖向位移和应力集中程度均较其他部位高20%以上;开挖后立即支护或分部份开挖,可明显降低交叉部围岩的应力集中程度;对交叉部控制截面进行线型优化,可改善裸洞受力情况。研究结论对设计、施工交叉隧道有一定指导意义。
右岸高低干线公路包括右岸高线公路和右岸低线公路,2条公路均起于电站下游交通桥右岸桥头,沿桥轴线方向经过短暂明线过渡后直接进入隧道,并很快在洞内分开,形成平面交叉。隧道交叉部技术上的难点在于多次施工使得交叉段隧道围岩应力多次重分布,其受力特点复杂多变;另外,由于交叉部位主隧道的拱形支撑作用被切断,结构受力已不再是单一轴向受力,产生了部分弯曲受力的复杂受力状况,围岩应力集中程度高,因此掌握交叉段结构施工技术十分重要。鉴于隧道交叉分岔段施工的难度大,需对该隧道洞口交叉段标准断面范围以及标准断面向小洞过渡区段进行全三维开挖过程有限元分析。
2隧道施工方案研究
根据地质报告和现场变形试验,交叉部位工程地质状况较好,主要由Ⅲ级围岩组成。隧道平交段计算,考虑到实际施工过程,采用多种方案模拟施工过程,以确定合适的开挖方案。
方案1:一次开挖后加15cm一次衬砌。
方案2:一次性全部开挖,不考虑衬砌。
方案3:先开挖3m高区域,然后立即加15cm一次衬砌,最后开挖剩余部分。
方案4:隧道交汇区洞室线型优化后,全断面开挖,不考虑衬砌。
方案5:隧道交汇区洞室线型优化后,全断面开挖,考虑15cm一次衬砌。施工方案1～3中的最小开挖围岩方案19-19断面衬砌线型,以及方案4～5中进行隧道交汇区洞室19-19断面衬砌线型优化后的线型见图1。
图119-19断面衬砌示意
3有限元计算模型
3.1地应力场模拟
根据工程地质勘察报告,右高线1#隧道和右低线1#隧道交叉范围的隧道围岩最大埋深约为70m,岩性主要为二叠系下统平川组(P1p)上段(P1p2)灰色厚层角砾状生物碎屑灰岩、含少量燧石及硅质灰岩团块;岩层与洞线近于平行加之地势较陡,岩体风化、卸荷强烈。推测隧道区构造应力残存较小,因此地应力场按自重应力场进行模拟。
3.2有限元计算模型
本文用ANSYS对建立有限元模型进行开挖模拟,并根据围岩与衬砌的性质,分别采用三维实体单元和三维壳单元计算。实体单元模拟围岩,壳体单元模拟衬砌。对系统锚杆支护,按整体锚杆加固圈方式考虑,通过提高锚固范围内围岩参数(提高10%材料参数),实现对系统锚杆支护的模拟。具体计算参数见表1。
表1围岩和衬砌计算参数
分析隧道结构特点,建立如图2所示的坐标系,将平交口段隧道沿洞身方向划分为26个断面,然后在每个断面上建立节点,依次连接前后断面上的节点,完成单元的划分,从而建立三维有限元计算模型。
图2隧道断面分布
同时在关键控制断面将有限元模型加密,以更准确地反映此区段围岩及其衬砌的位移、应力变化,提高计算精度，为保证计算结果合理,按隧道力学理论和边界理论,取洞室开挖直径4倍范围、上覆70m围岩作为隧道的计算范围,进行有限元离散。整个三维结构共划分了7355个节点,7307个单元。
4三维计算结果分析
根据圣文南原理,系统锚杆锚固范围内围岩是岩体开挖应力释放最密切相关的岩体,是隧道开挖有限元计算的重点区域,故在每种方案下,均取对隧道发生主要作用的隧道外径向6m(部分锚杆长)范围内围岩为研究对象,以此分析各施工方案下隧道整体和特殊断面的受力特点。
4.1各方案隧道围岩变形比较
变形是最直观的,也是最基本的。隧道在自重荷载作用下发生变形,在Z方向产生最大竖直位移。在不同的施工方案中,结构的最大位移也不同。
1)隧道一次全断面开挖不加衬砌与一次全断面开挖加一次15cm厚衬砌相比,最大位移由3.97cm下降到2.36cm,降低约40%,可见开挖后立即加初期衬砌支护,有利于降低围岩结构变形。
2)隧道分次开挖与全断面开挖加一次衬砌相比,最大位移由2.36cm下降到2.14cm,降低约9%,说明分次开挖比全断面开挖施工有利。
3)隧道交叉部位由于开挖面大,同时主隧道的拱形支撑作用被切断,故计算控制断面处为结构的最大数值位移发生处。说明在支隧道施工前和施工后,都需要加强对交叉部的支护措施。
4.2各方案围岩应力集中效应比较
众所周知,修筑隧道时隧道的拱脚或拱腰处存在应力集中现象。由于右低线1#隧道的施工,不仅破坏了原主隧道的成拱效应荷载分布,而且影响交叉部围岩应力分布,使交叉部成为结构的最薄弱部位。各方案交叉部围岩压应力。可得到如下认识:
1)交叉部围岩应力局部增大,其集中程度比一般部位要大,因此从施工安全考虑,在支隧道施工前,对交叉部拱部范围采用超前锚杆等预加固支护措施是十分必要的。
2)隧道分次开挖和全断面开挖加一次衬砌的压应力极值均比一次全断面开挖不加衬砌小30%以上,且明显减小交叉部围岩的应力集中程度,故在施工时加一次衬砌或分次开挖十分必要。
3)隧道分次开挖时压应力极值发生在开挖边界上,且应力极值较方案2增大,说明在施工过程中应充分考虑开挖边界的处理。
4.3交叉部围岩拉应力分析
隧道交叉部计算控制断面范围是位移、应力极值易出现范围,也是结构的薄弱部位。由分析数据可知计算控制断面处隧道拱顶的拉应力最大。分析可知:
1)由于支隧道的开挖,交叉部拱顶出现较大的拉应力区,需对拉应力区分布范围给予密切关注。特别是垂直裂隙发育时,即使很小的拉应力也使岩体产生张性裂隙,从而造成拱顶的坍落。
2)抬高高低线交汇区隧道的室高,对结构拱顶轴线线型优化后,拱顶的最大拉应力降低约38%;拱顶的最大拉应力降低约42%。因此对计算控制断面衬砌线型进行优化,使其形成自然拱性结构,可改善裸洞自然成拱的能力,有利于降低拱顶的拉应力。
5结束语
1)隧道交叉部由于开挖面大,同时主隧道的拱形支撑作用被切断,是结构的最薄弱部位。无论采用何种施工方案,在支隧道施工前后,都需加强对交叉部的支护措施,以确保该部位的安全。
2)开挖后立即加支护或进行分部开挖,有利于降低围岩的变形量,且明显减小交叉部围岩的应力集中程度,故在施工时加一次衬砌或分次开挖十分必要(特别是交叉部施工时)。
3)交叉部隧道最小开挖土方方案未能形成自然压力拱,需对计算控制断面衬砌线型进行优化,使其形成自然拱性结构,从而改善裸洞自然成拱的能力,有利于降低拱顶的拉应力。
4)从理论、数值分析看,对交叉分岔段隧道的最安全施工方案为对隧道交汇区洞室线型优化后进行分部开挖,且施工后尽快实施初期支护。
参考文献：
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