導(dǎo)語：高速公路隧道施工優(yōu)化研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

［摘要］近些年,我國在公路隧道方面的研究日漸深入,其中公路隧道的安全性與經(jīng)濟(jì)性備受關(guān)注。因此基于對(duì)惠龍高速紅花頂隧道的研究,采用MIDAS/GTS有限元軟件建立隧道數(shù)值模型對(duì)紅花頂隧道Ⅳ級(jí)圍巖進(jìn)行數(shù)值模擬,用荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算襯砌內(nèi)力,建立全斷面法和臺(tái)階法施工階段模型,對(duì)比兩個(gè)開挖方法,選定臺(tái)階法為Ⅳ級(jí)圍巖施工方案,最后進(jìn)行臺(tái)階法的施工優(yōu)化,雖然降低了一定的支護(hù)強(qiáng)度,但使得工程更加經(jīng)濟(jì),對(duì)施工具有一定的指導(dǎo)意義。

［關(guān)鍵詞］公路隧道；施工優(yōu)化；數(shù)值模擬；惠龍高速紅花頂隧道

近20年,隧道工程的建設(shè)無論是隧道長度還是規(guī)模都在不斷刷新著世界紀(jì)錄,在科研、設(shè)計(jì)或者施工過程中遇到的技術(shù)問題在不斷的被解決。在高速鐵路隧道的規(guī)模上,特長大斷面高速鐵路隧道的建設(shè)技術(shù)也得到了解決,多年的工程實(shí)踐中也積累了大量經(jīng)驗(yàn),大量新技術(shù)、新工藝、新理念被提出和廣泛運(yùn)用,為設(shè)計(jì)隧道遇到的問題提供了很多有效的解決辦法。從公路隧道設(shè)計(jì)理念上來看,基本上已從荷載－結(jié)構(gòu)理論轉(zhuǎn)化到了圍巖－結(jié)構(gòu)理論,設(shè)計(jì)方法上也從傳統(tǒng)的工程經(jīng)驗(yàn)為主導(dǎo),過渡到了“數(shù)值模擬分析＋經(jīng)驗(yàn)對(duì)比”法,同時(shí)更加重視安全運(yùn)營環(huán)境與工程環(huán)境的保護(hù)；從建設(shè)工法上,鉆爆法仍然是主流,盾構(gòu)法緊隨其后,沉管法也越來越受到青睞,反之明挖法隧道越來越少；同時(shí)輔助工法如冷凍法、水平旋噴加固、管幕法等也多有應(yīng)用。鉆爆法更多地傾向于大斷面開挖以減少多次擾動(dòng)圍巖,并發(fā)揮機(jī)械化施工的優(yōu)勢[1]。代表性的工程為秦嶺終南山隧道(鉆爆法,18.02km）、上海長江隧道（盾構(gòu)法）、港珠澳海底隧道(沉管法）、珠海拱北隧道(管幕凍結(jié)暗挖法）。然而,在對(duì)于公路隧道的設(shè)計(jì)與施工中,仍然會(huì)出現(xiàn)一些問題,這些都亟待我們?cè)诤笃诠こ汤碚搶?shí)踐以及相關(guān)的科研中予以繼續(xù)改進(jìn)與完善[2]。惠龍高速紅花頂隧道正是利用新的技術(shù)與理念選擇合理的施工方法,然后運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行施工方法的優(yōu)化,更加保證了隧道的穩(wěn)定性與安全性。

1工程概況

1.1項(xiàng)目概況

擬建紅花頂隧道為分離式隧道,洞室凈空（寬×高）15.59m×8.0m,起訖樁號(hào)左線ZK50+250~ZK51+346,左線長度為1096m；右線K50+260~K51+364,長度為1104m；對(duì)于進(jìn)出洞口標(biāo)高進(jìn)行分別設(shè)置,左線進(jìn)洞口設(shè)計(jì)標(biāo)高為87.72m,出洞口設(shè)計(jì)標(biāo)高設(shè)置為80.32m；右線進(jìn)洞口設(shè)計(jì)標(biāo)高為87.57m,出洞口設(shè)計(jì)標(biāo)高設(shè)置為80.28m。隧道左線最大埋深為142.95m、隧道右線最大埋深為144.26m,紅花頂隧道屬于長隧道。隧道進(jìn)出口的坡腳均可由鄉(xiāng)村道路抵達(dá),隧道周邊的交通狀況一般。

1.2工程地質(zhì)條件

1.2.1地理位置擬建紅花頂隧道位于廣東省惠州市博羅縣泰美鎮(zhèn)與惠城區(qū)汝湖鎮(zhèn)交界,進(jìn)口位于博羅縣泰美鎮(zhèn)東坑村扁排嶺附近,出口位于惠城區(qū)汝湖鎮(zhèn)大良村還里附近。1.2.2工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)整理勘測結(jié)果,表1為工程地質(zhì)評(píng)價(jià)。

2基于紅花頂隧道的數(shù)值模擬

2.1建模過程

計(jì)算參數(shù)：圍巖級(jí)別：Ⅳ級(jí)圍巖圍巖容重：γ=22kN/m3彈性抗力系數(shù)：K=400MPa/m二次襯砌材料：C30混凝土,彈性模量為30GPa二次襯砌材料容重：γh=25kN/m3二次襯砌襯砌厚度：d=0.5m2.1.1定義材料、屬性、幾何形狀1）建立隧道斷面用隧道截面命令進(jìn)行隧道截面的建立,選擇5心圓加仰拱,其中R1=8.40m,R2=5.050m,R3=2.00m,R4=22m。2）定義材料與屬性定義C30混凝土材料,選擇模型類型為彈性,各向同性,彈性模量為3×107kN/m2,泊松比為0.3,容重為25kN/m3。定義屬性,選擇梁屬性,截面H=0.5m,B=1m。2.1.2劃分網(wǎng)格采用分割方法生成網(wǎng)格,見圖1,左側(cè)板和右側(cè)板分別等分為10個(gè)網(wǎng)格,頂板等分為20個(gè)網(wǎng)格,仰拱等分為30個(gè)網(wǎng)格。2.1.3設(shè)置荷載與邊界條件1）為了分析方便,進(jìn)行單元坐標(biāo)系的修改,將單元坐標(biāo)系統(tǒng)一方向。2）設(shè)置荷載選擇自重選項(xiàng),設(shè)置自重。選擇梁單元荷載,設(shè)置水平土壓力與垂直土壓力。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》,Ⅳ級(jí)圍巖三車道隧道復(fù)合式襯砌二襯承擔(dān)荷載的比例取60%。經(jīng)過折減后取值：q土壓'=97.84kPa,q可變'=12kPa；e左'=19.57kPa,e可變左'=0；e右'=45.97kPa,q可變右'=0。2.1.4設(shè)置工況1）根據(jù)荷載組合系數(shù)表設(shè)置2種工況,見表2,建立荷載組合：構(gòu)件變形計(jì)算、基本組合構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算,為了與前文計(jì)算做對(duì)比分析,下文主要分析構(gòu)件變形計(jì)算荷載組合。2）設(shè)置邊界條件Ⅳ級(jí)圍巖,中風(fēng)化砂巖,取地基反力系數(shù)為2×104kN/m3建立曲面彈簧邊界條件。為了計(jì)算更加準(zhǔn)確,將頂點(diǎn)添加橫向x的約束。

2.2結(jié)果分析

由圖可知,隧道斷面在X方向最大位移出現(xiàn)在兩側(cè)為18mm；隧道斷面在Y方向最大位移出現(xiàn)在拱頂,為61mm,符合實(shí)際情況。由圖4、圖6,對(duì)比之前手動(dòng)計(jì)算襯砌內(nèi)力,其中手算襯砌軸力最大值存在于邊墻與仰拱部分交界區(qū)域,為1479.56kN,Midas建模分析得襯砌軸力最大值也存在于邊墻與仰拱部分交界區(qū)域,為1488.17kN,與手算基本一致,可以互相驗(yàn)證；手算襯砌最大正彎矩在邊墻部分,為282.731kN·m,最大負(fù)彎矩在邊墻與仰拱部分交界區(qū)域,為-1318.45kN·m,而通過Midas建模分析得最大正彎矩在拱頂,為648.77kN·m,最大負(fù)彎矩在邊墻部分,為653.92kN·m,最大正彎矩與最大負(fù)彎矩分布位置與手算部分差別,推斷可能與建模過程的簡化與參數(shù)取值的誤差有關(guān),但數(shù)量級(jí)和分布趨勢基本一致,具有參考價(jià)值。經(jīng)過Midas分析,如圖5所示,剪力集中部分在仰拱左右端部,為432.11kN,因此施工時(shí)應(yīng)注意仰拱與邊墻的連接,防止因?yàn)榧袅^大而發(fā)生破壞。

2.3Ⅳ級(jí)圍巖施工優(yōu)化

設(shè)計(jì)基于大型有限元仿真軟件MIDAS/GTS,對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖全斷面法與臺(tái)階法兩種施工工法分別建立二維施工模型,分析兩種施工方法,設(shè)置施工階段,運(yùn)行程序,對(duì)紅花頂隧道的工法優(yōu)化進(jìn)行數(shù)值模擬分析。2.3.1全斷面法與臺(tái)階法對(duì)比1）模型建立如圖7,其中左圖為全斷面法施工模型,右圖為臺(tái)階法施工模型,利用平面單元對(duì)圍巖和二襯進(jìn)行模擬,利用梁單元對(duì)初次支護(hù)（噴射混凝土）進(jìn)行模擬,利用植入式桁架對(duì)錨桿進(jìn)行模擬,模型采用庫倫－摩爾本構(gòu)模型。根據(jù)惠龍高速紅花頂隧道地勘資料和相關(guān)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范,整理模型參數(shù),其中隧道截面埋深為71m；噴射混凝土作為初次支護(hù),為C25混凝土,拱部以及邊墻噴混厚度設(shè)置為23cm,仰拱噴混厚度設(shè)置為10cm；二次襯砌為C30混凝土,厚度為50cm；錨桿為HRB400,直徑為0.022m。2）圍巖變形如圖8~圖11,分別為全斷面開挖和臺(tái)階法開挖總位移和豎向位移云圖。①總位移將拱頂位移、水平收斂最大值進(jìn)行整理,見表3。對(duì)比可知,無論是拱頂下沉還是水平收斂數(shù)據(jù),臺(tái)階法開挖都比全斷面法位移小,源于臺(tái)階法將隧道斷面分為兩部分先后開挖,開挖后圍巖相對(duì)更加穩(wěn)定,支護(hù)更加及時(shí),為了保證施工的安全性,初步擬定開挖工法為臺(tái)階法。3）初次支護(hù)（噴射混凝土）受力情況如圖12、圖13,分別為全斷面開挖和臺(tái)階法初次支護(hù)所受軸力。將軸力與剪力最大值以及出現(xiàn)位置進(jìn)行整理,見表4。由對(duì)比可知,由于一次性開挖面大,全斷面法軸力的最大值更大,出現(xiàn)在邊墻與仰拱交界處；而臺(tái)階法軸力最大值出現(xiàn)在上下臺(tái)階交界處,在施工中可以針對(duì)交界處進(jìn)行有效加固。為了保證施工的安全性,選定紅花頂隧道Ⅳ級(jí)圍巖開挖工法為臺(tái)階法。

2.4臺(tái)階法施工優(yōu)化

通過改變支護(hù)參數(shù)（即錨桿的布置以及噴射混凝土的厚度）,使在保證允許位移變化范圍內(nèi),獲得最優(yōu)支護(hù)方案,根據(jù)規(guī)范,設(shè)置拱頂最大允許下沉位移為10mm,水平收斂最大值為12mm。運(yùn)行程序,如表5,得到各個(gè)方案的拱頂下沉值和水平收斂。通過對(duì)比可以顯示,隨著錨桿數(shù)量的減少和噴射混凝土厚度的降低,拱頂下沉值與水平收斂都表現(xiàn)一定程度的增大趨勢。其中,四個(gè)方案都在允許位移范圍內(nèi),為了在保證施工安全的前提下,節(jié)省開支,雖然方案4的位移最大,但是花費(fèi)材料最少,最經(jīng)濟(jì),選擇方案四為最終支護(hù)方案。

3結(jié)論

本文以紅花頂隧道為研究對(duì)象,先確定施工方法為新奧法,之后確定開挖方法采用臺(tái)階法。為了使得隧道更具安全性和經(jīng)濟(jì)性,最后使用數(shù)值模擬技術(shù)驗(yàn)證之前選擇的方法以及進(jìn)行施工方法的優(yōu)化。1）隨著錨桿數(shù)量減少,噴射混凝土厚度降低,拱頂下沉值與水平收斂值都在增加,最后綜合安全與經(jīng)濟(jì)的考慮,選用13根錨桿,拱頂及邊墻噴射21cm厚混凝土,仰拱噴射10cm厚混凝土。2）臺(tái)階法軸力最大值出現(xiàn)在上下臺(tái)階交界處,在施工中可以針對(duì)交界處進(jìn)行有效加固。

參考文獻(xiàn)

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作者：劉昌盛 吳東炎 單位：廣東鴻高建設(shè)集團(tuán)有限公司