大跨度软岩隧道开挖方法对比研究.docx
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大跨度软岩隧道开挖方法对比研究
大跨度软岩隧道开挖方法对比研究
摘要:
大跨度软岩隧道的开挖方法,常用的有台阶法、全断面法、CRD法等。
本文对这三种开挖方法的定义及适用条件作了阐述,并以某一隧道为工程背景,运用ANSYS软件建立模型,对这三种方法进行数值模拟研究,分析围岩应力、位移变化规律及支护结构安全性,对比和优选出大跨软岩隧道合理的开挖方法。
关键词:
大跨度;软弱围岩;隧道开挖方法;对比
1引言
随着我国交通的快速发展,迫切需求修建大量的大跨度隧道,其中不少隧道需要穿越承载力低、节理裂隙发育、结构破碎的软弱围岩地区。
然而随着跨度的增大,高跨比的减小,隧道围岩和支护结构的受力状况将会产生不利影响。
支护结构的内力有所增加;围岩变形,特别是拱顶位移增大,严重时可直接危及隧道围岩和支护结构的稳定与安全,因而设计和施工中需兼顾围岩地质和施工、经济等多方面因素来综合考虑[]。
由于软弱围岩自承能力低,施工方法对工程顺利与否起着关键的作用。
如果隧道施工方法选择不当,将直接影响到隧道施工进度、施工安全、工程投资、运营养护等[]。
因此,大跨度软岩隧道开挖方法的选择具有十分重要的地位。
2大跨度软岩隧道开挖方法
目前,大跨度软岩隧道常用的开挖方法有台阶法、全断面法、中隔壁法(CD法)、交叉中隔壁法(CRD法)、双侧壁导坑法等。
国内外学者对这些开挖方法进行了大量研究,通过查阅相关资料,本文对台阶法、全断面法和CRD法的定义及适用条件进行了归纳整理。
2.1台阶法
台阶法开挖是将隧道设计断面分成两次或三次开挖,上台阶超前一定距离,超前长度大于50m或5倍洞径以上叫长台阶开挖;上下台阶并进,台阶长度仅3~5m,临时支护或衬砌快速闭合,叫微台阶开挖[]。
台阶法的适用条件:
台阶开挖法是隧道施工中采用最广泛的方法。
Ⅱ、Ⅲ级围岩适用二台阶法开挖,也可采用全断面开挖,究竟采用哪种开挖方法,不仅仅取决于围岩的级别,还需要考虑开挖断面的大小是否与施工设备匹配,围岩的稳定情况,施工进度要求与施工习惯等因素。
断面过大对施工设备要求较高,一次起爆用药量也很大,对围岩的扰动较大,围岩稳定时间短,这种情况一般不采用全断面而采用二台阶开挖。
Ⅳ、Ⅴ级围岩在采用型钢拱架和锚、网喷等有效支护后采用三台阶或微台阶开挖。
微台阶开挖法也用在变大跨为小跨的大断面隧道分部开挖施工中。
三台阶和微台阶开挖方法由于受作业空间限制,工序相互干扰大,进度慢,且不适合用大型设备施工,很少有项目采用。
三台阶预留核心土开挖法和三台阶七步开挖法均适合Ⅴ级围岩的土层、沙砾石地层隧道开挖,以人工开挖为主。
2.2全断面法
全断面开挖法是指按隧道设计轮廓线将其一次爆破成型,再进行下一步工序施工。
全断面法的适用条件:
主要适用于较好的围岩级别和适度的开挖断面。
而围岩级别低,其自稳性差,若采用全断面开挖必须先行预加固,对施工进度和效益并无益处;断面面积过大,不但对钻爆设备性能有特殊要求,而且起爆顺序复杂,雷管段位多,超过常用段位需要生产厂家特制,费用较高,一次起爆药量大,对围岩的扰动较大。
对水工隧道来讲,松动圈过大,不但对结构的耐久性有影响,而且加大固结灌浆费用[]。
从施工实践来看,只要满足以下两条件即可考虑采用全断面开挖:
①隧道围岩为Ⅰ、Ⅱ级;②设计断面不大于120m2。
另外断面面积小于60m2的Ⅲ级围岩隧道也可考虑采用全断面开挖。
2.3交叉中隔壁法(CRD法)
交叉中隔壁法与中隔壁法相似,是在中隔壁法的基础上改进发展的开挖方法。
中隔壁法即将隧道开挖面分为左右两部分,先在隧道一侧自上而下分层开挖,完成初期支护,当喷射混凝土达到设计强度的70%后,按同样的方法开挖另一侧。
交叉中隔壁法核心技术是将隧道左右分部、上下分层循序开挖。
上部按台阶法左右循序掘进,再交叉先左后右开挖下台阶,每开挖一部既单独将支护闭合成环,即左右交换,步步成环开挖技术[]。
交叉中隔壁法的适用条件:
主要适用于浅埋、大跨、软弱围岩隧道,对控制变形和地面沉降要求很高的城市地铁暗挖隧道具有较强优势[],适合围岩级别为部分Ⅳ级、Ⅴ级。
3开挖方法对比研究
本文以重庆市某一隧道为工程背景,利用有限元分析软件ANSYS对台阶法、全断面法和交叉中隔壁法(CRD法)三种开挖方法进行数值模拟研究。
通过分析不同开挖方法下围岩应力、位移变化规律及支护结构安全性,对比和优选出大跨度软岩隧道合理的开挖方法,为类似工程的设计和施工提供一定的指导[]。
3.1工程概况
该隧道围岩级别为V级,隧道埋深约40米,隧道开挖跨度12.14m,开挖高度9.84m。
隧道初期支护采用锚杆、喷射混凝土、钢筋网、工字钢加劲联合支护。
喷射混凝土等级为C20,喷层厚度24cm;加劲钢支撑为I18工字钢,纵向间距0.8m;锚杆为B22砂浆锚杆,按照0.8×0.8m的间距梅花形布置。
CRD法临时中隔墙及临时仰供采用20cm厚C20喷射混凝土加I18工字钢联合支护,I18工字钢纵向间距0.8m。
二次衬砌采用C30防水钢筋混凝土,厚度50cm,抗渗等级不低于S8。
3.2模型建立
计算区域水平方向左、右两侧均为3B(B为隧道跨度),共计92米,隧道下部同样取3倍的隧道跨度,上部至地表,竖直方向为40米。
所施加的约束条件:
水平方向约束(两侧边界);竖直方向约束(底部)。
单元选取:
模型中,围岩采用平面应变单元,衬砌结构为梁单元,锚杆采用了杆单元。
有限元网格:
二维三角形单元,系手动划分网格和程序划分相结合的方法。
台阶法、全断面法和CRD法施工模型见图1、图2、图3。
图1台阶法施工模型网格图2全断面法施工模型网格图3CRD法施工模型网格
围岩与衬砌的计算参数见表1。
表1围岩与衬砌计算参数
项目
弹性模量(Pa)
泊松比
粘聚力(Pa)
内摩擦角(°)
抗拉强度(Pa)
容重(N/m3)
地层(Ⅵ级)
0.8×109
0.27
13×104
24
3×105
2×103
锚杆
200×109
0.26
-
-
-
7.85×104
喷射混凝土
26×109
0.22
-
-
-
2.4×104
运用ANSYS软件建立计算模型,并模拟分析台阶法、全断面法、CRD法施工对隧道开挖后的应力场和位移场。
3.3计算结果分析
(1)台阶法
①围岩应力场分析
台阶法开挖最终导致的围岩第一主应力和第三主应力变化过程如图4所示。
a)上台阶开挖第一主应力值b)下台阶开挖第一主应力值
c)上台阶开挖第三主应力值d)下台阶开挖第三主应力值
图4台阶法开挖围岩应力分布图(单位:
Pa)
从上图可以看出:
隧道在开挖过程中,因开挖边界的不断变化以及支护结构的影响,隧道围岩的应力状况也是不断变化的。
隧道周边围岩的主应力均为压应力,隧道围岩受力条件较好,可以充分发挥围岩的拱效应特征。
隧道围岩的应力随着开挖的进行其初始应力也在逐步释放和调整。
采用台阶法开挖最大和最小主应力成对称分布,上台阶开挖支护后,围岩应力基本对称分布,洞顶和上台阶底部的竖向围岩应力由于开挖卸载而产生较大的下降,形成低应力区,上半断面拱脚处出现围岩应力集中应力较大;下台阶开挖支护后,拱脚成为新开挖轮廓部位,由于隧道曲线曲率较大产生应力集中,应力增长最快,从拱脚到边墙到拱肩再到拱顶,主应力依次减小。
而拱顶的压应力值较上台阶开挖时明显减小。
在上下台阶法的施工过程中,拱脚及上下台阶交接处的拱腰部位都是应力集中较大的部位,在施工过程中要特别注意对这些部位进行处理。
②围岩位移场分析
台阶法开挖施工过程所引起隧道围岩位移场变化如图5和图6所示。
a)开挖上台阶横向位移图b)开挖下台阶横向位移图
图5台阶法开挖围岩横向位移图(m)
a)开挖上台阶竖向位移值b)开挖下台阶竖向位移值
图6台阶法开挖围岩竖向位移图(m)
从上图可以看出:
采用上下台阶法开挖隧道,当隧道上台阶开挖支护完成后,上台阶拱脚处水平位移较大,最大水平方向位移发生在开挖面拱脚下方,拱脚处的水平位移指向洞内;下台阶开挖支护完成后,拱脚处横向位移最大;当隧道上台阶开挖支护完成后,围岩竖向位移显对称分布,地表处的竖向位移有明显的下沉趋势,说明该段受到隧道的开挖而对地表处的竖向位移影响较明显,下台阶开挖支护完成后,拱顶和两侧拱肩下沉量略有反弹,说明下台阶的开挖对拱顶下沉的影响很小,是因为上台阶开挖后,围岩应力重分布使拱部应力释放,变形已基本稳定。
③支护结构内力分析
隧道开挖、支护完成,支护结构的内力如图7所示。
a)上台阶开挖弯矩图b)下台阶开挖弯矩图
a)上台阶开挖轴力图b)下台阶开挖轴力图
a)上台阶开挖剪力图b)下台阶开挖剪力图
图7台阶法开挖后支护结构内力图
(单位:
弯矩/kN·m,轴力/N,剪力/N)
从上图可以看出:
隧道采用台阶法开挖完成上台阶后,喷射混凝土层弯矩是对称的,在拱顶部分是内侧受拉,从拱顶向两边渐渐减小,到拱肩部位时弯矩有个突变,由内侧受拉变为外侧受拉,上断面开挖支护后弯矩最大值出现在拱脚上方;喷射混凝土层轴力在上断面拱脚处最小,在拱腰处最大;喷射混凝土层在上断面拱脚处产生最大剪力值。
台阶法开挖支护完成后,隧道顶部的喷射混凝土层弯矩明显减小,上断面拱脚处围岩受到的原先由下断面岩体施加的约束转由支护结构承担,支护性能改善,弯矩大大减小,最大弯矩值且转移到下断面拱脚下方;喷射混凝土层轴力在拱底处最小,在边墙中间处达最大;喷射混凝土层在左右拱脚及仰拱外侧产生较大剪力。
分析主要控制点的内力值,在开挖面的拱脚出现了最大弯矩,最大弯矩值为109kN·m;初期支护的边墙处所受的轴力最大,最大轴力为4497kN;最大剪应力出现在拱脚和拱腰下部较小的范围内,其值为176kN。
施工中应采取合理的加固措施增强边墙与仰拱交接部位的抗剪强度,以防止其发生剪切破坏。
从上下台阶开挖的过程来看,锚杆轴力呈增大趋势,即下台阶开挖后锚杆的轴力大于上台阶开挖时锚杆的轴力。
对一个断面开挖完后的锚杆轴力分布来看,拱腰以下的锚杆受力很小,所以锚杆主要以拱部锚杆受力为主,拱脚部位锚杆作用较小。
锚杆施工中及时起到了控制围岩压力和塑性应变的作用。
(2)全断面法
①围岩应力场分析
全断面法开挖最终导致的围岩第一主应力和第三主应力变化过程如图8所示。
a)全断面开挖第一主应力值b)全断面开挖第三主应力值
图8全断面开挖后应力分布图(Pa)
从上图看出:
隧道采用全断面法开挖最大和最小主应力成对称分布,在左右拱脚部位由于隧道曲线曲率较大产生应力集中,主应力最大,从拱脚到边墙到拱肩再到拱顶,主应力依次减小。
隧道顶部和底部附近在开挖完成后的应力最小。
分析主要控制点的应力值,围岩的第一主应力最小值为-181kPa,出现在拱底附近;最大值为-1243kPa,出现在左右拱脚部位;对于第三主应力分布位置和第一主应力有类似的规律,最小值为-408kPa,出现在拱底附近;最大值为-2660kPa,出现在左右拱脚部位。
②围岩位移场分析
全断面法开挖最终导致围岩位移场变化如图9所示。
a)全断面开挖后围岩横向位移图b)全断面开挖后围岩竖向位移图
图9全断面开挖后围岩位移图(m)
从上图可以看出:
由于受围岩应力重分布的影响,周围的围岩总的移动趋势是拱顶下沉、两侧边墙张开、仰拱向上鼓起。
围岩横向位移最大位移值为2.036mm,主要集中在左右拱脚附近;围岩竖向位移成对称分布,竖向位移的最大值为68.367mm,主要集中在地表处,且竖向位移有明显的下沉趋势,说明该段受到隧道的开挖对地表处的竖向位移影响较明显。
在隧道开挖过程中,拱顶处的围岩主要在自重作用下向洞内收敛,而拱腰处围岩不仅受重力作用还受到侧向压力的作用,拱底处主要受侧向压力作用,有水平移动趋势受约束后产生向上的位移。
分析主要控制点的横向位移,拱顶和拱底处的横向位移为0,左右拱脚附近的横向位移受隧道全断面开挖的影响最大;分析主要控制点的竖向位移,拱顶处竖向位移最大,最大值为56.588mm,拱底竖向位移最小为35.423mm。
③支护结构内力分析
隧道开挖、支护完成,支护结构的内力如图10所示。
a)全断面开挖后弯矩图b)全断面开挖后轴力图
c)全断面开挖后剪力图
图10全断面法开挖后支护结构内力图
(单位:
弯矩/kN·m,轴力/N,剪力/N)
从上图可以看出:
隧道采用全断面法开挖完成后,喷射混凝土层弯矩在拱顶部分是内侧受拉,从拱顶向两边渐渐减小,从拱肩开始弯矩为外侧受拉,向两边渐渐增加,到两边边墙下部时弯矩有个突变,由外侧受拉变为内侧受拉,再变为外侧受拉。
仰拱弯矩分部均为内侧受拉,只两边角上是外侧受拉,中间弯矩最小,向两边渐增大;喷射混凝土层轴力在拱顶处最小,向两边渐渐增大,到边墙中间处达最大,然后减小至到拱脚。
相应的喷射混凝土层在左右拱脚及仰拱外侧产生较大剪力。
分析主要控制点的内力值,当隧道开挖、支护完成后喷射混凝土层承受最大正弯矩为111kN·m,发生在左右拱脚处;喷射混凝土层承受最大轴力值为-4599kN,发生在左右边墙处。
最小轴力值为-2179kN,发生在拱底附近;喷射混凝土层承受最大剪力值为181kN,发生在左右拱脚处。
(3)CRD法
①围岩应力场分析
CRD法开挖最终导致的围岩第一主应力和第三主应力变化过程如图11、图12所示。
a)先行导坑上台阶开挖支护后b)先行导坑下台阶开挖支护后
c)后行导坑上台阶开挖支护后d)后行导坑下台阶开挖支护后
图11洞周围岩第一主应力云图(单位:
Pa)
a)先行导坑上台阶开挖支护后b)先行导坑下台阶开挖支护后
c)后行导坑上台阶开挖支护后d)后行导坑下台阶开挖支护后
图12洞周围岩第三主应力云图(单位:
Pa)
从上图可以看出:
采用CRD法开挖隧道,由第一主应力云图知,当隧道先行导坑上台阶开挖支护完成后,隧道上台阶拱脚处隧道顶部中间产生应力集中;先行导坑下台阶开挖支护完成后,下台阶右侧拱脚部位应力集中同时隧道顶部中间产生应力变大;后行导坑上台阶开挖支护完成后,围岩应力集中区域主要出现在左侧拱脚以及后行未开挖导坑的隅角位置;后行导坑下台阶开挖支护完成后,左右拱脚位置产生应力集中。
由第三主应力云图知,当隧道先行导坑上台阶开挖支护完成后,隧道上台阶拱脚下方产生应力集中;先行导坑下台阶开挖支护完成后,下台阶右侧拱脚部位应力集中同时隧道顶部中间产生应力变大;后行导坑上台阶开挖支护完成后,围岩应力集中区域主要出现在左侧拱脚以及后行未开挖导坑的隅角位置;后行导坑下台阶开挖支护完成后,左右拱脚位置产生应力集中。
分析主要控制点的应力值,围岩的第一主应力最小值为-282kPa,出现在拱底附近,左右拱脚部位应力集中,第一主应力最大值为右拱脚的-1162kPa。
第三主应力最小值为-439kPa,出现在拱底附近,右拱脚部位第三主应力最大,最大值为-2647kPa。
②围岩位移场分析
CRD法开挖施工过程所引起隧道围岩位移场变化如图13、图14所示。
a)先行导坑上台阶开挖支护后横向位移值b)先行导坑下台阶开挖支护后横向位移值
c)后行导坑上台阶开挖支护后横向位移值d)后行导坑下台阶开挖支护后横向位移值图
图13CRD法开挖围岩横向位移图(m)
a)先行导坑上台阶开挖支护后竖向位移值b)先行导坑下台阶开挖支护后竖向位移值
c)后行导坑上台阶开挖支护后竖向位移值d)后行导坑下台阶开挖支护后竖向位移值图
图14CRD法围岩竖向位移图(m)
从上图可以看出:
采用CRD法开挖隧道,由横向位移图知,当隧近产生较大的水平位移;先行导坑下台阶开挖支护完成后,右拱肩水平位移值略有增大,右侧壁水平位移增大并向中间靠拢,同时在右侧仰拱外侧位置有较大水平位移;后行导坑上台阶开挖支护完成后,拱脚下方横向位移最大,拱顶和拱肩位置的横向位移值减小;后行导坑下台阶开挖支护完成后,左右拱脚位置产生横向位移值最大。
由竖向位移图知,当隧道先行导坑上台阶开挖支护完成后,隧道拱顶右侧到右拱肩位置附近产生较大的竖向位移;先行导坑下台阶开挖支护完成后,产生最大竖向位移的区域向左移动至拱顶右侧到左拱肩附近位置;后行导坑上台阶开挖支护完成后,产生最大竖向位移的区域进一步扩大至左侧拱腰,隧道底部的竖向位移值进一步减小;后行导坑下台阶开挖支护完成后,竖向位移成对称分布,在左右拱肩到拱顶的范围内竖向位移最大。
分析主要控制点的横向位移,左右两侧拱脚处的横向位移最大分别为1.949mm和2.171mm,右拱脚处的横向位移大于左侧拱脚处的横向位移值,说明隧道拱脚附近的横向位移受隧道开挖的影响最大。
拱顶和拱底的横向位移值最小分别为0.168mm和0.103mm;分析主要控制点的竖向位移,拱顶处竖向位移最大,最大值为55.763mm,从拱顶到拱底竖向位移值依次减小,拱底竖向位移最小为36.562mm。
③支护结构内力分析
隧道开挖、支护完成,支护结构的内力如图15所示。
a)开挖后的弯矩图b)开挖后的轴力图
c)开挖后的剪力图
图15CRD法开挖后支护结构内力图
(单位:
弯矩/kN·m,轴力/N,剪力/N)
从上图可以看出:
隧道采用CRD法开挖完成后,喷射混凝土层弯矩在拱顶部分是内侧受拉,从拱顶向两边渐渐减小,从拱肩开始弯矩为外侧受拉,向两边渐渐增加,到两边边墙下部时弯矩有个突变,由外侧受拉变为内侧受拉,再变为外侧受拉。
仰拱弯矩分部均为内侧受拉,只两边角上是外侧受拉,中间弯矩最小,向两边渐增大;喷射混凝土层轴力在拱底和拱顶靠右侧轴力最小,向两边渐渐增大,到边墙中间处达最大,左侧边墙轴力值大于右侧。
相应的喷射混凝土层在左右拱脚及仰拱外侧产生较大剪力。
分析主要控制点的内力值,在开挖面的右拱脚出现了最大弯矩110kN·m;初期支护的左边墙处所受的轴力最大,最大轴力为-4035kN;最大剪应力出现在左右拱脚处,右拱脚承受剪力偏大其值为174kN,左拱脚剪力值为150kN。
施工中应采取合理的加固措施增强拱脚部位的抗剪强度,以防止其发生剪切破坏。
3.4开挖方法的比较
分析三种开挖方法的数值模拟结果,包括主要控制点的竖向位移、主应力和支护结构内力值可以得出以下结论:
①围岩在拱脚处受到的主应力值最大,也是应力集中的主要部位。
隧道在开挖过程中要注意拱脚处围岩的稳定,避免隧道发生失稳破坏。
同时应力集中还发生在开挖轮廓线与隧道两侧围岩的交接处。
因此,在施工过程中,应特别注意对这些部位进行加固和及时施作初期支护,加强对这些部位的监测,及时作好安全措施,确保洞室围岩的稳定性的施工的安全。
②对竖向位移比较可知,在拱顶处,不同开挖方法引起的隧道围岩变形从全断面到台阶法到CRD法依次减小,但采用CRD法开挖,施工为不对称开挖,引起的地表沉降中心线和隧道中心也就不重合,CRD法开挖是先从右侧开挖,右侧开挖后,初期支护的及时施作快速封闭,限制了这部分的移动,而左侧未开挖围岩由于约束不够,沉降位移相对较多,当左侧围岩开挖后,产生的累积位移也比左侧多。
③对应力比较可知,CRD法单步开挖跨度相对较小,施工过程临时拱脚处围岩的屈服接近度较小,可为初期支护提供较强的支撑,能有效地控制拱顶下沉、抑制围岩过度松弛,有利于围岩的稳定。
同时由于中曲壁的存在造成了初期支护在中曲壁支撑结点处的应力集中,施工中容易造成结点处初期支护的破坏。
采用CRD法施工时,要选用有适当刚度和曲率的中曲壁。
④对于本工程,隧道软弱围岩段应采用上下台阶法开挖施工,即可以减少初期支护闭合所用时间,改善初期支护的受力条件,同时有利于控制隧道收敛速度和量值,保证围岩稳定,也能有效地控制成本。
参考文献
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- 跨度 隧道 开挖 方法 对比 研究