四车道公路隧道动态施工力学研究

第25卷增1岩石力学与工程学报Vol.25Supp.12006年2月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringFeb.，2006收稿日期：2005–08–16；修回日期：2005–11–29作者简介：吴梦军(1973–)，男，现为高级工程师、博士研究生，主要从事隧道工程方面的研究、设计工作。E-mail：[e-mail]四车道公路隧道动态施工力学研究吴梦军1，2，黄伦海2(1.重庆大学土木工程学院，重庆400045；2.重庆交通科研设计院，重庆400067)摘要：四车道公路隧道由于跨度特大和断面扁平，加上施工期间各道工序的相互影响、围岩的多次扰动等诸多因素，导致施工过程中的动态施工力学行为极为复杂，围岩极易发生失稳乃至坍塌。利用“公路隧道结构与围岩综合实验系统(CTSSSRH)”和有限元分析程序，对四车道公路隧道在不同施工方法下的施工动态过程进行相似模型试验与数值模拟，研究四车道公路隧道围岩与结构位移、应力、应变及破坏区等的分布与发展规律，得到四车道公路隧道在不同施工方法下的动态施工力学特征，并提出合理的施工方法。关键词：隧道工程；公路隧道；四车道；动态施工力学；模型试验；数值模拟中图分类号：U451+.2文献标识码：A文章编号：1000–6915(2006)增1–3057–06RESEARCHONDYNAMICCONSTRUCTIONMECHANICSOFFOUR-LANEHIGHWAYTUNNELWUMengjun1，2，HUANGLunhai2(1.CollegeofCivilEngineering，ChongqingUniversity，Chongqing400045，China；2.ChongqingCommunicationsResearchandDesignInstitute，Chongqing400067，China)Abstract：Duetothefour-lanehighwaytunnelhavingsuper-spanandflat-section，togetherwiththeinfluenceofdifferentprocessesandthemultipledisturbanceofsurroundingrockinperiodofconstruction，thedynamicconstructionmechanicsoftunnelisextremelycomplicated，thesurroundingrockisveryeasytolosestabilityandcollapseoccurs.Byusingthe“CTSSSRH”andfiniteelementanalysis，physicalmodeltestandnumericalsimulationarecarriedouttoresearchthedistributionandthedevelopinglawofdisplacement，stress，strainandfailurezoneonsurroundingrockandstructureofthetunnel.Theresultsthatthesettlementoncrownismuchgreaterthanthehorizontaldisplacement，sothesettlementcanbeusedastheindexofsurroundingrockstability.Inaddition，forthecaseofrockextrusion，themaximumprincipalstressofsidewallistensilestress，andtheaxialforceofboltisgreaterthanotherbolt.Somedynamicconstructionmechanicsrulesinvaryingconstructionmethodareobtained，andthereasonableconstructionmethodoffour-lanehighwaytunnelisputforward.Keywords：tunnellingengineering；highwaytunnel；four-lane；dynamicconstructionmechanics；physicalmodeltest；numericalsimulation1引言随着我国国民经济的日益发展，对公路隧道日交通量的要求越来越高。在一些经济发达地区，双向四车道乃至六车道公路隧道已不能适应交通量增长的需求，双向八车道公路隧道已开始修建。已建成的如沈大高速公路的金洲隧道、贵州省凯里市大阁山隧道、上海外环隧道，在建的如广州东二环高速公路龙头山隧道、深圳南坪快速路雅宝隧道等。双向八车道隧道的开挖宽度一般都大于20m，而断面形式一般采用三心圆或四心圆等扁平断面。由于·3058·岩石力学与工程学报2006年四车道公路隧道开挖跨度特大和断面扁平，加上施工期间诸多工序的相互影响、围岩的多次扰动以及支护衬砌相互之间的非同步施工等诸多因素，结构将承受较大的围岩压力，导致施工过程中的动态施工力学行为极为复杂，围岩极易发生失稳乃至坍塌。因此，对四车道公路隧道在施工开挖过程中的动态力学特性进行研究是十分必要的。对于三车道公路隧道与大断面地下工程施工开挖力学行为的研究，日本、德国等一些发达国家起步较早[1]，从20世纪80年代就开始了施工方法及力学响应等方面的研究。而我国在这方面的研究起步较晚，直到20世纪90年代的中后期才陆续开展这方面的研究[2～8]，对大断面地下工程的受力特征及施工方法等进行了一定的研究。而对于四车道公路隧道施工动态力学行为的研究，因实际工程修建较小，国内研究基本处于空白状态。本文针对这一现状，就四车道公路隧道进行了一系列的大型相似模型试验和数值模拟研究，研究了四车道公路隧道在不同开挖方案下的动态施工力学特性，为今后四车道公路隧道的设计与施工提供一定的依据与指导。2模型试验研究2.1试验概况(1)试验系统本次试验采用重庆交通科研设计院成功研制的“公路隧道结构与围岩综合实验系统(CTSSSRH)”进行，如图1所示。该试验系统由外、内加载系统、液压控制系统及数据采集处理系统等组成。它基于“先加载、后挖洞”的原理，采用液压千斤顶在模型试件外部加载以模拟上覆岩土层自重应力，用内置千斤顶及位移计模拟开挖体应力响应及位移变化。从而使模型试验应力状态与原型基本一致，能真实地反映原型的开挖变形特征。模型试件尺寸为1.6m×1.6m×1.6m，共分为8个测试断面，每一断面在拱顶、两拱腰及两边墙处共设5个测点。(2)相似条件与力学参数根据四车道隧道设计断面尺寸及试验系统内加载几何尺寸可得几何相似比38=lC，由相似原理[9]推导出容重相似比γC、抗压强度相似比σC、弹性模量相似比EC等。另外，由静力平衡方程及物理方程可推导出研究隧道开挖过程力学形态的地质力学图1公路隧道结构与围岩综合实验系统图Fig.1TestsystemofCTSSSRH模型试验相似准则为1=rLCCCσ及1=σCCE。根据各配比的相似程度，选择相似程度最好的配比进行模型试验，原型与模型的主要物理力学参数见表1。表1原型与模型物理力学参数Table1Prototypeandmodelphysico-mechanicalparameters类别容重γ/(kN·m－3)抗压强度σ/MPa泊松比μ弹性模量Ee/GPa内摩擦角ϕ/(°)原型2714.4000.2932.2052模型150.3780.220.58472.2试验方案四车道隧道施工方案主要是根据围岩地质和施工机械等条件来确定，常采用的施工方案有中壁工法(CD法)、双侧壁导坑法、交叉中壁工法(CRD工法)、三导坑(洞)法、台阶法和台阶分部法等。根据隧道围岩地质情况，本次模型试验采用双侧壁导坑法(开挖方案I)和上下台阶法(开挖方案II)进行比较研究，两开挖方案的主要施工工序分别见图2，3。图2开挖方案I示意图Fig.2SketchofexcavationprojectI第25卷增1吴梦军等.四车道公路隧道动态施工力学研究•3059•图3开挖方案II示意图Fig.3SketchofexcavationprojectII隧道围岩初始地应力仅考虑自重应力，按埋深70m计算得初始地应力后，由相似比及试验系统的有关几何尺寸，可得模型试验的加载压力。同时根据油压系统尺寸可计算内外加载系统油压，按计算出的油压均等分为4级逐步加载。2.3试验结果与分析模型试验共进行了2组，模型试验时，通过数据采集系统对数据进行采集，然后通过对数据进行计算，得出各测点在每一开挖步时的径向位移，作出每断面各测点的位移历时曲线，并利用各种函数对典型断面位移历时曲线进行拟合分析。通过综合的比较、分析后可得以下一些结论。(1)测点3(拱顶)的位移远大于其他测点位移，即拱顶下沉远大于水平收敛，特别是边墙(测点1，5)位移较小，且部分位移为向外发生膨胀。说明对于四车道隧道而言，围岩开挖后拱部岩体在自重应力场作用下向洞内变形，并导致两侧岩体向外挤压。因此，对于四车道公路隧道，拱顶下沉应作为围岩稳定判据的关键因素。(2)位移历时曲线总体形状呈S形，位移随开挖步呈台阶式增加。利用多种函数对位移历时曲线进行拟合分析后认为，用Hill函数拟合其拟合程度最好(拟合曲线如图4，5)，Hill函数表达式为nnnxBxAy+=(1)式中：A，B，n均为回归系数。(3)对位移历时曲线进行分析，可得出四车道隧道开挖的空间效应为：工作面前约1倍洞跨到工作面后2～3倍洞跨为其影响范围。(4)模型试验结束后，拆除外传力板对模型试件裂缝及破坏情况进行了观测。对于开挖方案I，试件表面存在部分裂缝，拱部存在少量的坍落，而对于方案II，试件表面裂缝开展较多，隧道拱部坍落范围较大。说明对于四车道隧道III类(IV级)围图4方案I的位移历时拟合曲线Fig.4Fitting-displacementcurvesofprojectI图5方案II的位移历时拟合曲线Fig.5Fitting-displacementcurvesofprojectII岩，采用开挖方案I时，须及时施作初期支护，必要时采取超前支护，以控制围岩的变形；而采用开挖方案II时，必须采取强超前支护措施，并及时施作初期支护，否则，围岩将失稳。3数值模拟研究3.1本构关系与模型建立数值模拟采用日本软脑株式会社(SoftBrainCo.Ltd.)成功开发的2D-σ程序进行。岩体本构模型采用Drucker-Prager(D-P)模型，计算时采用弹塑性非线性有限元法。Drucker-Prager屈服准则[10]的表达式为021=−+=KJIFα(2)式中：1I为应力张量第一不变量，2J为应力偏张量第二不变量，且1I，2J，α，K的值为3211σσσ++=I[]2132322212)()()(61σσσσσσ−+−+−=Jy/mmy/mm·3060·岩石力学与工程学报2006年ϕϕα2sin39sin+=ϕϕ2sin3cos3+=cK根据相关工程计算经验[10]，模型计算范围水平方向两边各取3倍洞跨宽；在垂直方向，上边界取隧道净高的3倍，下边界为隧道净高的2倍。模型边界条件采用位移边界，其下边界固定垂直位移，左右边界固定水平位移。岩体单元采用平面应变单元。自动划分网格和优化网格后的模型见图6。图6有限元计算模型及网格划分Fig.6Finiteelementcalculatingmodelandmesh3.2模拟结果与分析(1)最大主应力1σ开挖过程中最大主应力1σ的典型等值线图见图7，8。通过分析发现，施工过程中，围岩的最大主应力以压应力为主，但在结构端部(如顶部、底部)最大主应力会出现拉应力，在最终阶段，边墙部位最大主应力为拉应力，这正是四车道隧道围岩开挖(a)第8开挖步(b)第12开挖步图7σ1等值线图(开挖方案I