复杂地层隧道式锚碇开挖方案研究

复杂地层隧道式锚碇开挖方案研究

0结构开挖方案研究作为悬索桥的主要承受部分，隧道锚作为主缆的巨大浮力负担，受到主电缆的巨大张力负荷，形成一个有机的承载系统。目前，针对不同形式隧道的开挖方案选择研究，学者们已经取得了一定的成就。李俊达等但是，对于具有大倾角、软弱岩层且埋深较浅的复杂地层隧道式锚碇的开挖方案研究较少，以伍家岗长江大桥北岸隧道锚为研究对象，采用层次权重决策分析法，对隧道开挖施工过程中的围岩变形沉降、施工难度、施工速度、工程造价进行比较分析，并结合数值分析软件FLAC3D对三台阶法、三台阶临时仰拱法、正台阶环形开挖法和CRD法进行数值模拟，得到四种开挖方案下的围岩变形、应力和塑性区大小。通过对比层次权重决策分析法的分析结论和数值模拟的计算结果，为软岩浅埋隧道锚开挖工法选择提供科学指导。1锚塞体结构伍家岗长江大桥位于湖北省宜昌市，主桥为跨度1160m的钢箱梁悬索桥，大桥北岸采用隧道式锚碇，南岸采用重力式锚碇结构。隧道锚由洞口、前锚室、锚塞体和后锚室组成，整体呈前小后大的楔形状。隧道锚结构图见图1所示，其轴线长度90m，轴线与水平面倾角为40°，后锚室距设计路面最大埋深为80m，前锚面尺寸为9.04m×11.44m，后锚面尺寸则为16m×20m。隧道锚场地区基岩裸露，主要为罗镜滩组杂色中厚至巨厚层状砾岩夹砂砾岩或含砾砂岩及砂岩，锚塞体整体位于微风化岩层，岩体的饱和抗压强度为15MPa，抗剪强度0.7MPa，属较软岩-软岩。地层总体近水平，产状倾向SE125°~143°、倾角4°~7°，岩体内构造不发育，未见断层和裂隙，隧道锚所处山体整体稳定性较好。2在层次权重决策分析方法下，挖掘方案的选择2.1前锚室段开挖伍家岗长江大桥北岸隧道锚，大倾角、变截面的结构特点给隧道施工带来较大困难，因此就施工机械的操作性和出渣的便利性而言，台阶法较为合适；同时考虑到洞口段的围岩情况，和锚塞体段大断面的特点，CRD法较为合适；由于前锚室段的截面尺寸较小，适合于简单台阶法开挖。综合考虑以上方法特点，再结合锚塞体对围岩整体性较高的要求下，初步确定三台阶法、三台阶临时仰拱法、正台阶环形开挖法和CRD法，作为隧道锚的开挖方案进行比较选择，四种开挖方法下的开挖断面图如图2所示。2.2基于统一评价指标的开挖方案量化层次权重决策分析方法是20世纪70年代，美国科学家提出的系统分析方法具体比选步骤为：(1)建立目标分层结构，即相应的比选方案和评价指标根据上述分析，伍家岗长江大桥北岸隧道锚的主要初选方案为：三台阶法、三台阶临时仰拱法、正台阶环形开挖法和交叉中隔壁法，而针对开挖方案的相应评价指标为：开挖时的施工难度、开挖后隧洞围岩的沉降变形量、施工进程速度和对应的工程造价，目标分层结构图如图3所示。(2)建立两两比较的判别矩阵在统一评价指标下各施工方法之间的难度对比如表1所示：根据评价指标将开挖方案两两比较，给出比分值然后确定判断矩阵B如下：元素对于不同的评价指标，各开挖方案的排序有所不同，具体就施工难度(3)一致性检验为尽量降低判别矩阵中元素取值的人为性影响，需要利用特征值检验判别矩阵一致性差异是否满足要求，即首先计算判别矩阵最大特征值通过计算得到各判别矩阵最大特征值从表中结果可知计算得到的(4)确定开挖方案总排序确定开挖方案总排序时，以变形沉降量大小和工程造价为主要考虑方面，且处于安全性考虑，控制变形沉降量权重将大于工程造价权重，根据相对权重计算公式求出层次单排序和总排序的结果，排序如表4所示。由表4可以看出当目标指标着重于变形沉降3计算值的模型3.1围岩模型分析使用岩土隧道工程通用计算软件FLAC3D，结合工程地质资料建立数值分析模型，模型以桥梁中心线为X轴，根据圣维南原理岩体开挖后的应力应变只对3~5倍开挖断面边长的范围内的岩体有影响岩体采用Mohr-Coulomb本构模型，用实体单元模拟，通过六面体为主的单元进行网格划分；衬砌采用线弹性本构模型，用shell单元模拟；锚杆采用线弹性本构模型，用cable单元模拟。由于隧道锚属于浅埋型隧道，其构造应力场很小几乎可以忽略，所以在模拟分析时仅考虑自重应力场的作用。模型中围岩力学参数的设定，将会直接影响到隧洞的拱顶沉降大小和洞周围岩的收敛情况式中，--喷射混凝土弹性模量；--钢拱架弹性模量；--钢拱架横截面积；--喷射混凝土横截面积。根据以上材料参数建立四种开挖方案下的数值模型，其不同的开挖支护模拟图见图5所示。模拟开挖时开挖时严格按照“开挖一段、支护一段、封闭一段”的原则，每次开挖进尺为每2榀钢架(0.6m/榀)一个循环，上下台阶长度为4.8m，各级台阶采用平行于锚体轴线的方式进行开挖。3.2数值模拟结果的分析3.2.1围岩变形控制通过数值方法模拟四种不同开挖方案下的隧道施工过程，得到开挖完成后的隧洞拱顶沉降数据和围岩水平位移量，见图5所示。根据图中数据得到不同开挖方法下的围岩最大位移见图6所示。对比分析围岩的变形结果可以得到如下结论：四种开挖方案在对隧洞围岩变形的控制上差异不大，隧道拱顶沉降和水平位移量均较小，由此可见隧道锚所处山体围岩的整体稳定性较好。对于四种开挖方案而言，CRD法的拱顶沉降值最小，其次是三台阶临时仰拱法，正台阶环形开挖法最大；三台阶法、三台阶临时仰拱法和正台阶环形开挖法的拱顶沉降分别是CRD法的1.15倍、1.10倍和1.17倍。CRD法的水平位移值最小，其次是三台阶临时仰拱法，三台阶法最大；三台阶法、三台阶临时仰拱法和正台阶环形开挖法的水平位移分别是CRD法的1.26倍、1.18倍和1.24倍；对比三台阶法和三台阶临时仰拱法可知，在隧道开挖过程中设置临时仰拱，能够明显降低拱顶沉降量和水平位移，从而保证隧道锚的安全性和稳定性。3.2.2台阶法开挖的围岩应力通过数值模拟得到四种不同开挖方案下隧道开挖完成后的围岩及初期支护最大应力如图7所示。由图7分析可知，对于围岩最大拉应力，三台阶临时仰拱法最小，CRD法次之，三台阶法最大，其中三台阶法开挖的围岩最大拉应力是三台阶临时仰拱法的1.27倍；四种开挖方案下的最大围岩剪应力大小排序和围岩最大拉应力相同，仍然是三台阶临时仰拱法最小，三台阶临时仰拱法下的围岩最大剪应力是三台阶法下的72.3%；就围岩最大压应力而言，四种开挖方案在数值上差距相对较大，CRD法最小，三台阶临时仰拱法次之，其中三台阶法是CRD法的1.24倍，三台阶临时仰拱法是三台阶法的82.4%。因为支护荷载的来源为隧道围岩变形，而围岩变形量的大小是围岩荷载与支护抗力相平衡的结果3.2.3单元不同屈服状态图8是开挖完成后的塑性区分布图，由于塑性区主要分布在隧道锚洞的周围，而地表和内部岩体较少，故仅对比锚洞周围的塑性区分布。FLAC3D中采用now表示现在该区域内的单元处于屈服面上，past表示该区域内的单元过去处于屈服面上，而现在降到屈服面以下。因此在分析实际工程的塑性区时，重点关注的是处于now状态的屈服区域，只有这些单元才可能使模型发生破坏。从四种开挖方案的围岩塑性区分布可以看出，塑性区主要分布在锚洞的中后段部分，且主要沿洞周分布，两侧壁和拱部塑性区多于底板部位。开挖完成后的塑性区大部分都处于past状态，而now状态的塑性区只有局部很小的范围，这些塑性区主要分布在锚塞体段的拱脚和后锚室的端墙，即：四种开挖方案下开挖完成后的岩体大部分都处于弹性变形阶段，只有极小部分区域现在处于剪切屈服状态，对隧道锚的安全稳定基本没有影响。4方案选择上的模型建立将层次权重决策分析法和数值模拟方法相结合，为软岩地质条件下隧道锚的开挖提供了科学依据。主要结论如下：(1)利用层次权重决策分析法，对伍家岗长江大桥北岸隧道锚开挖进行了分析，当目标指标着重于沉降变形和工程造价时，三台阶临时仰拱法开挖最优；(2)采用FLAC3D数值分析软件，分别对四种开挖方案下的隧道锚进行单独建模，分析结果