特长公路隧道斜井三维数值分析

特长公路隧道斜井三维数值分析

随着我国高速公路建设的发展，已形成了一条通往秦岭南部山地隧道、大相岭-巴山隧道和乌池水库隧道等特写镜头。由于隧道施工与通风的需要,大部分特长公路隧道要修建斜井,而目前关于斜井数值分析方面国内可供借鉴的资料文献非常少。基于此,本文对斜井进行的三维数值分析,详细研究了设置斜井后围岩与支护的力学行为特征,以期为今后的斜井设计与施工提供参考。1地层及排污水井位位置雅泸(雅安至泸沽)高速公路位于四川省西南部的雅安市、凉山州境内,是国家高速公路网7条首都放射线北京至昆明的一段,也是西部大通道甘肃(兰州)至云南(磨憨)公路的重要组成部分。泥巴山隧道全长10km,是雅泸高速公路的重要控制性工程之一。泥巴山隧道穿越四川盆地边缘向青藏高原过渡的山区,属于大渡河与青衣江两大水系的分水岭地带,为深切割高中山区。隧址区受构造影响严重,地质条件十分复杂,断裂、褶曲发育。泥巴山隧道雅安端排风斜井主要穿越的岩层为流纹岩,设计中将其划分为Ⅳ、Ⅲ级。综合考虑隧道通风、地质条件、水文条件、施工条件、后期营运的经济性等多方面因素后,确定了雅安端排风斜井的具体位置:起点位置为YK56+320.5,起点高程1574.64,出口高程1998.00,全长924.21m,井位倾角27.84°,见图1。斜井洞口段选用的衬砌类型为Ⅳ浅、Ⅲ型衬砌,见图2。2斜井工程中的力学行为研究2.1计算模型选取计算中,依据设计资料严格按照斜井轮廓建立模型,同时参照隧道力学的相关资料,模型边界水平方向取3～5倍的开挖洞径,垂直方向取2～3倍的开挖洞径。为了充分考虑地形因素对原始地应力场的影响,尽量减小边界效应,计算模型沿斜井横断面方向取180m,沿斜井纵向取177m,斜井距离计算模型下边界的最小距离为40m。模型顶面依据实际地形建立。最终建立计算模型见图3。在模型的4个侧面施加横向约束,在计算模型的底面施加竖向约束。由于洞口段埋深较小,初始应力场用重力场模拟,不考虑构造应力作用。地层采用实体单元模拟,本构模型选用摩尔—库仑准则;锚杆采用植入式桁架单元模拟,喷射混凝土采用板单元模拟。由于该计算模型比较复杂,单元划分采用自由划分,为保证计算精度,又便于划分单元,网格划分时对于重点研究的斜井区域采用了相对较密的单元划分,单元基本尺寸为2m,而对于模型边缘划分较稀,单元基本尺寸为10m,总共划分70000多个单元。2.2围岩计算参数的确定泥巴山排风斜井洞口段为Ⅳ级围岩,之后过渡到Ⅲ级围岩,围岩计算参数的选取在参考《公路隧道设计规范》及泥巴山隧道岩体物理力学参数室内试验的基础上综合确定,见表1。2.3围岩开挖方案开挖与支护分别用程序中的“钝化”“激活”功能模拟,施工阶段完全模仿现场施工步骤,具体步骤如下:①生成原始地应力场,位移清零;②开挖一段岩体:均采用全断面开挖,Ⅳ级围岩段每步开挖1.2m,开挖后应力释放30%;Ⅲ级围岩段每步开挖2.0m,开挖后应力释放40%;③进行喷锚支护:Ⅳ级围岩中锚杆与喷射混凝土被激活后,应力释放剩余的70%;Ⅲ级围岩中锚杆与喷射混凝土被激活后,应力释放剩余的60%;④开挖下一段岩体。为了避免边界效应的影响,斜井不贯通模型,保留40m不开挖。2.4力学行为分析2.4.1拱顶与拱底的倾斜角度由图4可以看出,①斜井洞口段拱顶与底部有比较明显的朝向X正向(洞口方向)的位移,随着埋深的增加,位移量逐渐减少。②拱顶位移略大于拱底位移,因此,设置斜井钢架时,为了防止拱顶围岩发生较大的朝向洞口的相对位移,钢架顶部应朝洞内有一个倾斜角;随着埋深的增加,拱顶与拱底的相对位移逐渐减小,倾斜角度也应逐渐减小。由图5可以看出,洞口浅埋段拱顶与底部位移均朝向Z(竖直方向)正向,随着埋深的增加,朝向Z正向的位移值逐渐减小,并慢慢演变成朝向Z负向的位移。洞口浅埋段的位移朝向Z正向,主要是由于该段处于山凹之中,周围三个方向的地势明显高于洞口段,斜井开挖之后应力释放,周围岩体产生朝向斜井洞口浅埋段的变形,并对该段的围岩与支护产生挤压,使该段出现了朝向Z正向位移。2.4.2围岩扰动后的安全系数围岩某一点的安全系数指的是该点应力圆圆心到强度包络线的垂直距离(极限抗剪强度)除以应力圆的半径所得的值。由图6可以看出,随着斜井的掘进,围岩被扰动后安全系数有所降低,但是没有出现安全系数<1的情况。拱顶、底部的安全系数随着埋深的增加逐渐变大。由于洞口Ⅳ级围岩浅埋段拱顶的围岩安全系数只是略大于1,接近破坏的临界状态,因此该浅埋段施工时,应当加强超前支护以及对围岩的监控量测,避免坍塌冒顶的事故发生。2.4.3钢筋的企业强度由图7可以看出,93.1%的锚杆应力分布在2.57～29.81MPa,且为拉应力。而钢筋的抗拉强度设计值为268MPa,大部分锚杆没有充分发挥抗拉作用。拱墙部位锚杆受力较小,拱腰、拱肩、拱顶部位锚杆受力较明显,各部位锚杆受力不均匀。锚杆设计存在进一步优化的空间:可以适当的加大锚杆间距,减少锚杆数量,尤其是拱墙锚杆的数量。2.4.4喷射混凝土的相对性由计算结果可知,99.5%的喷射混凝土外侧表面的最大主应力值分布在0.74MPa以下,0.5%的喷射混凝土外侧表面的最大主应力值分布在0.74～0.99MPa(该部分应力值较大是由于局部网格形状不规则导致的)。97.5%的喷射混凝土内侧表面的最大主应力值分布在0.95MPa以下,2.5%的喷射混凝土内侧表面的最大主应力值分布在0.95～1.96MPa。均小于C20喷射混凝土的抗拉强度设计值,洞口段施工过程中喷射混凝土处于相对安全状态。喷射混凝土的最小主应力均为压应力(负值表示受压),外侧表面的最小主应力绝对值均小于3.8MPa,内侧表面的最小主应力绝对值均小于4.46MPa,C20喷射混凝土的轴心抗压强度设计值为10MPa。由此可以判断,斜井洞口段施工过程中喷射混凝土出现受压破坏的概率极小。2.4.5塑性拉应变区在斜井开挖过程中,除洞口段拱顶出现塑性拉应变区外,其余段落的拱部位置均未出现塑性拉应变区;斜井仰拱部位存在塑性拉应变区。另外,开挖段斜井全长均未出现塑性压应变区。因此可以判断斜井洞口段施工过程中围岩稳定性较好,除进洞位置的拱部应采用超前支护措施外,其余段落可取消超前支护措施。此外,施工过程中应当加强对无仰拱段落的拱底隆起监控量测,若变形过大,应及时采取工程措施,防止侵入限界。3锚杆安装角度和间距1)在斜井施工过程中,围岩安全系数没有出现小于1的情况,证明围岩的自稳能力较好;设计与施工中应当充分发挥围岩的自承载能力,除洞口浅埋、围岩较破碎地段外,可以取消超前支护措施。2)洞口段拱顶围岩相对于拱底围岩有比较明显的朝向洞口的位移,因此钢架应向井底倾斜,倾斜角度一般为斜井倾角的一半,但不得超过9°,见图8;随着埋深的增加,拱顶围岩朝向洞口的相对位移值逐渐减小,所以钢架倾角也应逐渐减小,具体角度应根据现场量测数据确定。3)锚杆受力普遍较