厦门文兴路隧道施工过程支护力学行为探究.docVIP

厦门文兴路隧道施工过程支护力学行为探究摘 要:厦门文兴路隧道属城市山岭隧道,城市山岭隧道的设计、施工方法有别于城市浅埋暗挖隧道,又由于城市环境保护的要求高,特别是水资源的保护,从而又不同于普通的山岭深埋隧道施工工艺。本文从施工开挖、支护的力学行为分析的角度出发,运用三维数值分析软件,得出了在富水、软硬交互的地层条件下的一般城市山岭隧道的支护力学行为变化规律,旨在提出文兴路隧道在富水复杂地层段施工过程中的控制重点。 关键词:城市山岭隧道;数值分析;支护力学行为 1 背景 1.1 厦门文兴路道路工程起点位于县黄路与文兴路一期的交叉口处,通过隧道穿越无尾塔山及龙舌山中部,终点与文兴路浦南小学相接,为城市II级次干道,道路全长3.39Km。其中,左线隧道全长2021米,右线隧道全长1993米。文兴路隧道工程地质状况极其复杂,在左线隧道ZK1+200～+600段东侧临近水库,平面最小距离20m左右,隧道顶距离水库底部40多米,隧道与水库的平面关系如图.1;隧道洞身穿越F3断层破碎带(ZK1+309～328,YK1+335～+390),断层破碎带与东山水库相连,属于压扭性断裂带。该地区构造裂隙发育,不排除其它地段裂隙水与东山水库地表水有连贯的可能性等状况。隧道施工方式以台阶法为主,在靠近水库的停车带大断面采用CD法施工。 1.2 城市山岭隧道的设计、施工往往由于其所处的水文、地质条件等因素而有别于现阶段广泛的城市浅埋暗挖隧道。一般情况下城市山岭隧道都处于地层深处,与城市浅埋隧道有着本质的不同,导致了两者的预加固措施和开挖方式的不同,前者强调根据围岩条件,决定是否采取预加固措施,使隧道周边的围岩成为整体支护体系的一部分,常规的开挖方法有台阶法、CD法、CRD法等[1];而后者一般属于浅埋、软弱的围岩条件,要求采取各种措施预加固地层,从而近可能得减少松散压力,常规的开挖方法有CRD法、眼睛工法、洞桩法等等[2]。本文以厦门文兴路隧道为例,重点分析了城市山岭隧道的开挖、支护过程中的支护力学行为的变化规律。 图1 水库与隧道的平面关系 2 隧道开挖、支护的数值模拟 为了详细了解隧道施工过程的支护力学行为变化,以靠近水库段为例,进行了三维数值模拟。本次数值模拟基于大型岩土工程有限差分软件FLAC3D,由于三维模型计算分析相当耗时,为了节约计算时间,提高计算效率,考虑到各种最不利的因素,仅取ZK1+250~ZK1+300段做分析(对应计算模型的里程为ZK0~ZK-50),如图2。 图2 整体三维有限差分模型 2.1 计算模型 此段里程含有构造裂隙发育带、紧急停车带,隧道施工为短台阶法和CD法。弱风化花岗岩岩层和支护混凝土采用线弹性的本构模型,强风化花岗岩和裂隙发育带采用m-c理想弹塑性本构模型,各岩层和混凝土参数分别如表.1、表.2,三维有限差分模型如图.2,总共155100个单元,161874个节点。水库的边界条件比较复杂,本次计算仅对水库的水压作等效水压力处理,水库水的渗流问题以及相应的流固耦合暂未考虑。 2.2 计算结果分析 三维模型中隧道里程方向前10m采用短台阶法开挖,中间30m采用CD法开挖,后10m采用短台阶法开挖,考虑最不利施工工况,模型中的隧道断面全部采用紧急停车带的大断面。计算过程中开挖阶段考虑荷载释放30%,初期支护阶段荷载释放60%,二次衬砌阶段荷载释放10%,对于坐标轴的Y向对应为竖直方向,X向对应为隧道横断面方向,Z向对应为隧道里程方向。 2.2.1 左侧隧道0～-10m台阶法开挖完后初期支护结果 图3 初期支护Y向位移 从图3～图4可以看出隧道的最大拱顶沉降为-0.7mm,初期支护的最大压应力为0.5Mpa,最大拉应力为0.8Mpa。因此,隧道在弱风化的花岗岩中掘进时,围岩、初期支护的位移、应力都处于可控范围之内,隧道施工安全。 图4 初期支护第一主应力 2.2.2 左侧隧道CD法开挖-10～-40m右侧隧道台阶法开挖0～-5m 基于隧道施工最不利的力学影响因素以及模型简化的考虑,计算过程中假设模型中的隧道里程-10～-40m段全部穿越裂隙发育带,并且左、右隧道掌子面拉开35m的间距。 从图5可以看出隧道的初期支护施作完后,初期支护的最大拱顶沉降为5.5mm。另一方面,隧道在此推进过程中遭遇构造裂隙发育带,所以,在此过程中,开挖引起的位移较隧道在弱风化岩层中推进工况的大,并且该区与水库之间存在水力联系的可能性,一旦水力联系存在,势必进一步引起隧道围岩的弱化,并进一步加速开挖后围岩位移的发展。从应力云图6可以得出初期支护的最大压应力为10MPa。 图5 初期支护Y向位移 图6 初期支护的第三主应力