软岩区大跨、 大跨高比储水隧洞施工力学特性模拟分析

隋涛 徐震

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司 200092)

引言

改革开放以来, 经济技术迅猛发展, 带动我国各行各业蓬勃发展。 作为基础设施的市政污水处理工程, 也紧随时代步伐, 由先前的地上处理模式、 半地下处理模式, 逐步发展至目前的全地下式污水处理模式。 最具代表性的山洞式污水处理厂便是全地下室污水处理模式之一, 利用山体的空间位置, 将主要水处理构筑物布置于山体中, 构筑物的体积由处理规模的大小确定。 目前, 地下式污水处理厂的规模较大(日处理≥10 万t/d), 由此设计的构筑物洞跨、 洞高大, 净宽约16m, 开挖宽度约18.8m、净高约16m, 开挖高度约18.8m, 洞跨比约为1, 其异常于大跨公路隧道和铁路隧道。 常规的施工工法是否适用于该类型的隧洞施工, 值得进一步研究探讨。

1 大跨隧洞施工工法

隧洞施工方法通常采用工程类比法, 并结合隧洞埋深、 断面大小、 围岩级别、 现场监测的围岩地质概况、 施工安全、 效率等进行及时调整。软岩区大跨隧洞施工开挖工法主要有台阶分部开挖法、 单侧壁导坑法(CD 法)、 双侧壁导坑法(眼镜工法或 DCD 法)和十字中隔墙法(CRD法)[1-7]。

1.1 各工法特性分析

软岩大跨隧洞施工法的特性对比见表1。

表1 各工法特性对比Tab.1 Characteristics comparison of each work method

1.2 大跨储水隧洞施工工法选取

大跨储水隧洞埋深较深(30m), 跨度大, 高度高, 跨高比大, 围岩强度差(Ⅴ)。 根据工程类比法及必要的计算分析, 以及施工工法的安全风险性, 同时应减小施工开挖对围岩扰动的影响,综合考虑选取以双侧壁导坑法为基础、 增加横向支撑的工法施工。

2 施工过程模拟分析原理

隧洞结构开挖施工过程主要包括隧洞开挖轮廓线内岩土体的开挖及支护结构的分层设置等。开挖施工模拟一般通过在开挖边界上施加释放荷载实现。 用于模拟不同施工阶段的力学状态的有限元方程为[8]:

式中:[K0]为地层开挖前岩土体等的初始总刚度矩阵；为施工过程中岩土体的支护结构刚度的增量或减量, 其值为挖去岩土体单元及设置或拆除支护结构单元的刚度；为任一施工阶段产生的节点增量位移列阵；为由于开挖释放产生的边界增量节点力列阵；为施工过程中增加的节点荷载列阵。

任一施工阶段i的位移{δi}、 应变{εi}和应力{σi}为:

式中: Δδk为各施工阶段的增量位移； Δεk为各施工阶段的增量应变； Δσk为各施工阶段的增量应力；σ0为初始应力。

3 工程案例及模拟分析

3.1 工程案例

某储水隧洞为复合式衬砌结构位于Ⅴ级围岩区, 隧洞埋深30m, 隧洞由多段圆弧组成, 隧洞净宽16.3m, 净高16.37m, 初衬厚40cm(喷锚支护, 锚杆长4m, 直径36mm, 钢筋为 HW340 型钢), 二衬厚1m(钢筋混凝土), 初衬、 二衬之间敷设防水板, 如图1 和图2 所示, 其材料参数如表2 所列。

图1 隧洞内轮廓示意Fig.1 Schematic diagram of the tunnel internal contour

图2 隧洞断面设计示意Fig.2 Schematic diagram of tunnel section design

表2 初衬、 二衬以及围岩材料参数Tab.2 Material parameter ofthe initial liner,the secondary liner and rock

3.2 模拟分析

1.模型本构及单元选取

隧洞施工过程采用有限元进行模拟分析。 锚杆采用弹性杆单元, 支撑、 钢架采用弹性梁单元模拟。 二衬采用弹性梁单元模拟, 初衬与二衬之间的相互作用采用弹性连接(仅考虑受压作用)模拟。 围岩采用摩尔库仑模型, 平面四边形单元模拟, 如图3 所示。

图3 有限元模型示意Fig.3 Schematic diagram of finite element model

2.模型边界及约束

为减小边界效应对隧洞衬砌结构位移、 内力的影响, 计算模型的水平向左右边界取距离相邻侧隧洞毛洞壁面的5 倍毛洞洞跨, 下部边界取距离隧洞毛洞底面为毛洞高度的5 倍, 上部边界取至地表处, 如图4 所示。

图4 模型边界范围示意Fig.4 Schematic diagram of boundary range of the model

作用边界为水平位移约束边界, 底部边界为垂直向位移约束边界, 上部边界为自由变形边界。

3.隧洞开挖顺序

隧洞开挖采用带横向支撑的双侧壁导坑法,开挖次序见图5。

图5 隧洞施工工序示意Fig.5 Schematic diagram of the construction process of the tunnel

4.初衬计算结果

隧洞初衬位移计算结果见图6, 初衬内力计算结果见图7。

5.结果分析

(1)通过隧洞位移计算结果可知, 隧洞开挖至过程5 时, 临时支撑的水平位移、 竖向位移和拱顶竖向位移最大, 分别为26mm、 13.3mm 和6.7mm； 隧道开挖至过程6 时, 初衬底板竖向位移最大, 约为14.1mm； 全部临时支撑拆除后,隧洞初衬结构的水平位移和竖向位移均达到最大, 分别为12.2mm 和14.6mm； 隧洞开挖至过程5 之前, 随着开挖过程的进行, 初衬水平位移随之增大, 开挖5 至6 之间衬砌水平位移变化小, 支撑拆除时衬砌水平位移最大。

(2)通过隧洞位移计算结果可知, 随着开挖过程的进行, 初衬结构、 临时支撑结构的轴力随之增大。 在临时支撑全部拆除后, 初衬结构的轴力达到最大值, 其位置为拱腰和侧墙与底板相接处。

(3)通过隧洞位移计算结果可知, 隧洞开挖至过程5 时, 临时支撑和初衬结构的弯矩最大,分别为404.9kN·m/m 和275.3kN·m/m, 且均为拱部与临时支撑相接处, 在完成开挖过程6 之后, 临时支撑、 除尘结构的弯矩均有不同程度的减小。 临时支撑全部拆除后, 衬砌结构的弯矩相比开挖过程6 的弯矩, 又有不同程度的减小。

图6 各施工工序位移(单位: mm)Fig.6 Displacement diagram of each construction process(unit: mm)

图7 各施工工序内力Fig.7 Internal force diagram of each construction process

4 结论

1.采用双侧壁导坑法进行大跨、 大跨高比隧洞施工, 其整个施工过程初衬结构变形小,变形可控, 由此可确保施工过程中围岩的稳定性。

2.双侧壁导坑法的隧洞施工时, 随着开挖推进的变化, 初衬结构的变形、 内力也随之变化。拆除临时支撑后, 封闭初衬结构的位移、 轴力较各开挖过程中的位移和轴力增大, 弯矩较各开挖过程中的弯矩减小。