公路偏压隧道量测与有限元模拟分析

第 8卷 � 第 1期 2011年 2月 铁道科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学报 JOURNAL OF RAILWAY SC IENCE AND ENG INEER ING Vo l�8� No�1 Feb. 2011 公路偏压隧道量测与有限元模拟分析* 肖剑秋 (湖南省娄新高速公路建设开发有限公司,湖南 长沙 410011) 摘 � 要: 针对公路偏压隧道,利用有限元对高速公路隧道左线出口端施工全过程进行动态模拟。有限元模型中隧道初次衬 砌及钢拱架采用直梁单元、锚杆采用锚杆单元进行模拟。并对该公路隧道施工过程中进行现场监控量测,对某些区域变形 异常阐明了原因。通过量测数据与有限元模拟分析结果对比分析, 研究了偏压作用下隧道施工过程中围岩位移的变化规 律, 阐述了现场监控量测与有限元仿真模拟相结合的方法对实现隧道信息化施工的重要性,为优化设计参数, 调整施工工艺 提供了依据。 关键词: 偏压隧道;监控量测; 有限元模拟; 信息化施工 中图分类号: TU457� � � 文献标志码: A � � � 文章编号: 1672- 7029( 2011) 01- 0082- 05 Dynam ic monitoring and fem smi u la tion analysis of an expressway tunnelw ith unsymmetrica l load ings XIAO Jian�qiu (H unan Lou- X in Expressw ay C onst ru ct ion and D evelopm ent L td. , Ch angsha 410011, Ch ina) Abstract: Based on the fin ite e lem entmethod, the dynam ic construction procedure of the left entrance of one tun� nel on expressw ay w as simu la ted and the deform ation behaviors of the tunne lw ere stud ied. In the FEM mode,l the ancho rs are simu lated w ith the ancho rage elements, w hile the cement lin ing and the steel- arc shelfwere sim� u lated w ith the stra igh t beam elements. The causes of abnorm ity deformation in some zonesw ere presented. Fur� thermore, the time series of in- situmeasures for the entrance of one tunnel on expressw ayw ere performed so as to verify the FEM simu lation valid ity. A ccord ing to the comparison of the FEM calcu lation resu lts and the ob� served data, it is show ed that the deformat ion behav ior of the surround ing rockmass is contro lled by unsymmetr i� ca l load ings during the process of construction. It is proposed that no t on ly the in - situ dynam ic measurem ents but also the analysis of FEM are importan t for successfu l construction of the tunne,l wh ich can provide the sc ien� t ific basis for opt im izing design parameters and adjust ing construction technics. Key words: unsymmetrica l loading tunne;l dynam icmon itoring; FEM simu lation; informat ion- based construct ion 1� 工程概况 该隧道地处石牙山低山丘陵区, 丘陵属粤桂边 界的云雾山脉部分。隧道穿越区地面相对高差 392 m,丘陵脊线明显,由于受区域上断裂控制,脊线大部 分为北东 ~南西方向。隧道围岩类型复杂, 为震旦 系石英岩、云母石英片岩、硅质岩、石英砂岩和三叠 系上统小云雾山组砂砾岩、砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥 岩、页岩两套地层呈角度不整合接触或断层接触关 系。隧道穿越涵盖 II~ V级围岩。由于隧道所穿越 的围岩类别多、变化大, 而勘探工作的密度有限,使 隧道所穿越的实际围岩类别与设计所提供的围岩类 * 收稿日期: 2010- 07- 25 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 50708116 ) ;湖南省交通厅科技进步与创新计划项目 ( 200810) 作者简介:肖剑秋 ( 1970 - ) , 女, 黑龙江勃利人, 高级工程师, 从事岩土工程研究 第 1期 肖剑秋: 公路偏压隧道量测与有限元模拟分析 别有出入。在隧道开挖与围岩支护等环节中, 可能 会出现各种不可预见的因素, 对施工进度与人员安 全造成影响。因此,加强隧道施工全过程的监控量 测,实现信息化施工, 及时掌握围岩与支护动态,确 保隧道施工过程中围岩稳定与支护安全 [ 1- 5] ; 同时 为二次衬砌支护合理时间的选择、验证支护结构型 式及支护参数,评价支护结构与施工方法的合理性, 并为优化设计参数,调整施工工艺提供最直接、最有 效的原始数据至关重要 [ 6- 10]。 主要就该隧道出口端围岩受偏压作用情况下, 隧道断面开挖过程中,围岩监控量测成果与有限元 仿真模拟进行对比研究,以此分析隧道受偏压作用 下围岩位移的变化规律。 2� 有限元模拟 为了从深入研究隧道受偏压作用时围岩受力 与变形规律,将根据隧道实际开挖步骤, 利用有限 元方法对该隧道左线出口端 (桩号: ZK 88+ 476 ~ ZK88+ 760)施工全过程进行动态模拟。 ( 1) 基本假设 对有限元分析模型做如下基本假设: � 将隧 道围岩受力与变形视为平面应变问题加以研究; � 锚杆、钢拱架以及隧道衬砌材料为弹性介质, 隧道 围岩为弹塑性介质。 ( 2) 屈服准则 根据隧道围岩的工程地质条件与力学性态,模 拟其弹塑性特性时屈服条件宜采用 Drucker– Prager准则。 ( 3) 隧道衬砌、锚杆与钢拱架的模拟 隧道初次衬砌采用直梁单元、锚杆采用锚杆单 元进行模拟。为简化起见, 钢拱架亦采用直梁单元 进行模拟。 利用上述有限元模型, 对该隧道根据实际施工 步骤对其进行有限元动态施工模拟 [ 11 ]。 ( 1) 隧道断面施工步骤 整个隧道断面划分为 5个开挖步进行施工。 第 1步:开挖拱顶部分岩体并对其进行锚喷网加钢 拱架支护;第 2步: 开挖下部台阶; 第 3步: 开挖右 侧边墙岩体和进行边墙锚喷网加钢拱架支护以及 矮墙施工;第 4步:开挖左侧边墙岩体和进行边墙 的锚喷网加钢拱架支护以及矮墙施工; 第 5步: 开 挖仰拱部分岩体并进行仰拱混凝土浇注。 ( 2) 有限元计算与分析 根据提供的地质资料,石牙山隧道进口段围岩 从上至下分别为第四系黄色、褐黄色砂质粘土, 含 少量风化白云岩; 深灰色中厚层至薄层状白云岩、 泥质白云岩夹角砾状白云岩, 灰色中厚层状白云 岩、泥质白云岩。计算区域上边界取至地表, 左右 部及下部边界取离隧道外缘周边约为 50 m; 已知 边界条件均取为位移约束,其中上部为自由边界, 左右为水平位移约束边界,下部为竖直位移约束边 界。围岩及支护材料的力学参数如表 1所示,所划 分的有限元计算网格如图 1所示。根据模拟结果, 各开挖步拱顶测点的位移量如表 2所示,隧道开挖 终了时围岩塑性屈服区分布如图 2所示,各主要开 挖步围岩的变位规律如图 3所示。 表 1� 材料力学参数 Tab le 1� M echanical param eters o f them ater ia ls 材料类型 弹性模量 /MP a 泊松比 容重 / ( kN� m - 5) 黏聚力 /M Pa 内摩 擦角 抗拉强度 /MP a 砂质黏土 白云岩 混凝土喷层 锚杆 钢拱架 200 2 000 25 500 210 000 280 000 0. 31 0. 42 0. 20 � � 18. 5 20. 0 25. 0 78. 0 78. 0 0. 050 2. 00 2. 50 � � 36 72 38 � � 0. 0 0. 05 1. 50 � � 表 2� 拱顶各测点竖向位移计算值 Tab le 2� C alcu lation values of disp lacem ent of arcpo ints 开挖步 计算值 /mm左 中 右 第 1步 第 2步 第 3步 第 4步 第 5步 2. 80 3. 60 - 1. 00 - 1. 60 - 0. 35 2. 6 3. 8 25. 3 20. 7 23. 9 3. 1 4. 2 45. 5 36. 6 36. 9 图 1� 有限元计算网格 Fig. 1 The FEM m esh of ca lcu la tion 83 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2011年 2月 图 2� 围岩塑性屈服区分布图 Fig. 2 D istributions o f plasticity zones in the surround ing rock m ass ( a)第 2开挖步; ( b )第 3开挖步; ( c)第 4开挖步 图 3� 各开挖步隧道变位示意图 F ig. 3 Deform a tion o f the tunne l in excava tion steps 从计算结果可以看出, 各开挖步拱顶竖直位移 以及隧道围岩的变位规律与监控量测结果相吻合。 即当隧道开挖至第 3步 (右侧边墙开挖 ) , 监测工 作进行到第 10 d时拱顶右、中两测点的下沉量与 隧道周边 AC与 BC两测线的收敛位移突然增大; 而当开挖至第 4步 (左侧边墙开挖 ) , 监测工作进 行到第 22 d时拱顶右、中两测点突然上升,拱顶总 下沉量突然减少;隧道周边 AC与 BC两测线的收 敛位移突然增大;而拱顶左测点与 AB 测线的变位 受开挖步的影响均较小,且左侧拱顶始终具有上升 的趋势; 同样从有限元分析结果可知第 5开挖步 (即仰拱开挖 )对隧道拱顶下沉与周边收敛位移的 影响不大。这些规律与隧道施工过程中围岩表现 出来的变位规律完全一致。 3� 现场监控量测 对于隧道监控量测而言, 最直接、最具有代表 性的项目为拱顶下沉与周边位移收敛量测, 同时可 对有限元分析结果的正确性进行验证。该隧道施 工监控量测主要采用这两种方法,其中拱顶下沉量 测是在隧道开挖毛洞的拱顶及轴线左右各 2 m处 设置 3个带挂钩的膨胀螺钉作为测桩;埋设前先用 小型钻机在待测部位成孔,然后将膨胀螺钉拧紧即 可。对于稳定性较差的围岩,测桩可在锚喷支护后 布置, 量测时需用一把长度适宜的钢卷尺, 尺端连 一个自制的挂钩挂在测点上,稳定后用电子水准仪 量测。隧道围岩周边位移量测测点的埋设方法与 拱顶下沉相同; 对于预设点的断面,在隧道开挖爆 破之后,沿隧道周边在拱顶、拱腰和边墙部位分别 埋设测桩; 拱顶部分的测桩可利用拱顶下沉的测 桩;采用钢尺式周边收敛计量测周边收敛变形。监 测断面的间距, 按交通部有关 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 要求, 设置为 20 m。考虑到围岩条件复杂并受偏压作用, 在隧道进 出口处监测断面间距适当加密,隧道进出口处连续 3个监测断面的间距为 10 m。为测试方便, 将拱顶 下沉与周边收敛位移量测点布设在同一断面上 (如 图 4所示 )。 图 4� 围岩塑性屈服区分布图 F ig. 4 D istr ibution o fm easurem ent po ints � � 通过对该隧道左线 ZK88+ 476断面进行为期 1个月的观测,得到拱顶下沉与周边位移收敛数据 84 第 1期 肖剑秋: 公路偏压隧道量测与有限元模拟分析 如表 3、4所示,将量测结果绘制成变位曲线如图 5 所示。由图 5可知,拱顶下沉曲线与周边收敛位移 曲线中均出现两个突变点,即在第 10 d时拱顶右、 中两测点的下沉量与隧道周边 AC与 BC两测线的 收敛位移量突然增大;此时对应于隧道右侧边墙开 挖施工,隧道受偏压作用围岩压力向右侧拱脚转 移,导致右侧拱脚围岩产生塑性破坏所致。在第 22 d时隧道拱顶右、中两测点突然上升, 拱顶总下 沉量减少; 而隧道周边 AC与 BC两测线的收敛位 移突然增大;原因在于此时正在进行左侧边墙的开 挖,破坏了隧道围岩业已形成的稳定平衡, 围岩内 力发生重分布。 表 3� ZK88+ 476断面拱顶下沉监控量测结果 Tab le 3� M easured se ttlem ents at the top o f the arch 量测时间 第 n d 开挖顺序 实测值 /mm 左 中 右 2 4 6 8 10 14 18 22 26 30 第 1步 第 2步 第 3步 第 4步 第 5步 2. 8 3. 0 4. 1 3. 8 - 0. 5 - 1. 0 - 1. 1 - 1. 8 - 2. 1 - 0. 4 3. 1 2. 6 3. 9 3. 8 15. 5 25. 5 27. 3 20. 5 22. 8 23. 9 3. 3 3. 7 4. 8 4. 7 36. 4 45. 2 47. 1 37. 2 39. 6 40. 3 表 4� ZK88+ 476周边位移监控量测结果 Table 4� M easured tunnel perim eter deflection 量测时间 第 n d 开挖顺序 实测值 /mm AB AC BC 2 4 6 8 10 14 18 22 26 30 第 1步 第 2步 第 3步 第 4步 第 5步 4. 85 12. 19 12. 36 12. 21 11. 45 11. 50 12. 00 10. 36 10. 49 10. 52 0. 70 4. 17 5. 18 5. 51 14. 28 16. 20 17. 35 27. 42 28. 45 29. 20 5. 88 10. 85 10. 42 10. 82 29. 50 33. 42 34. 56 45. 12 47. 34 47. 80 � � 注:围岩类别:测线长度 AB = 7 980mm, AC = 8 200 mm, BC = 10 430 mm。 � � 同时由于隧道受偏压作用, 围岩压力有向隧道 的右侧转移的趋势,但此时隧道右侧边墙已做了喷 射混凝土与钢拱架支护, 右侧矮墙也已施工完毕, 具有一定的支承力; 在左右侧压力共同作用下, 迫 使拱顶上升。值得注意的是在进行左右两侧边墙 开挖时,拱顶左测点与 AB测线的变位受开挖的影 响均相对较小, 且左侧拱顶始终具有上升的趋势, 这都是由于隧道受偏压作用所致。 图 5� 现场监控量测结果 F ig. 5 Resu lts o f in- situ m easurem en t 4� 结 � 论 ( 1)与一般地段相比较,偏压隧道施工过程中 围岩变位受开挖步的影响更大。在进行现场监控 量测工作时应密切注意各种监控信息的变化,及时 分析研究找出其内在原因,并及时反馈给施工与监 理单位;以便于及时发现问题和解决问题, 以免造 成重大安全事故。 ( 2)采用有限元方法对施工全过程进行仿真 模拟, 可以预先掌握隧道开挖过程中围岩的变位规 律,以便于监控量测工作中有针对性的制订相应的 监测 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 , 对可能发生的不良现象做到心中有数。 ( 3)文中阐述了隧道顶下沉与周边位移收敛 量测方法, 通过量测结果分析找出了隧道周边部分 85 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2011年 2月 区域变形异常区的原因, 为优化设计参数提供 依据。 ( 4)通过有限元模拟及现场控制监测结果相 互验证,表明了有限元建模的正确性及所得隧道变 形规律的可靠性,为信息化施工提供参考。 参考文献: [ 1] 王忠勋. 隧道围岩变形监控量测的实践 [ J]. 铁道建 筑, 2000( 2): 7- 10. 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