復(fù)雜地層隧道式錨碇開挖方案研究

復(fù)雜地層隧道式錨碇開挖方案研究

0結(jié)構(gòu)開挖方案研究作為懸索橋的主要承受部分，隧道錨作為主纜的巨大浮力負(fù)擔(dān)，受到主電纜的巨大張力負(fù)荷，形成一個(gè)有機(jī)的承載系統(tǒng)。目前，針對(duì)不同形式隧道的開挖方案選擇研究，學(xué)者們已經(jīng)取得了一定的成就。李俊達(dá)等但是，對(duì)于具有大傾角、軟弱巖層且埋深較淺的復(fù)雜地層隧道式錨碇的開挖方案研究較少，以伍家崗長(zhǎng)江大橋北岸隧道錨為研究對(duì)象，采用層次權(quán)重決策分析法，對(duì)隧道開挖施工過程中的圍巖變形沉降、施工難度、施工速度、工程造價(jià)進(jìn)行比較分析，并結(jié)合數(shù)值分析軟件FLAC3D對(duì)三臺(tái)階法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法、正臺(tái)階環(huán)形開挖法和CRD法進(jìn)行數(shù)值模擬，得到四種開挖方案下的圍巖變形、應(yīng)力和塑性區(qū)大小。通過對(duì)比層次權(quán)重決策分析法的分析結(jié)論和數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，為軟巖淺埋隧道錨開挖工法選擇提供科學(xué)指導(dǎo)。1錨塞體結(jié)構(gòu)伍家崗長(zhǎng)江大橋位于湖北省宜昌市，主橋?yàn)榭缍?160m的鋼箱梁懸索橋，大橋北岸采用隧道式錨碇，南岸采用重力式錨碇結(jié)構(gòu)。隧道錨由洞口、前錨室、錨塞體和后錨室組成，整體呈前小后大的楔形狀。隧道錨結(jié)構(gòu)圖見圖1所示，其軸線長(zhǎng)度90m，軸線與水平面傾角為40°，后錨室距設(shè)計(jì)路面最大埋深為80m，前錨面尺寸為9.04m×11.44m，后錨面尺寸則為16m×20m。隧道錨場(chǎng)地區(qū)基巖裸露，主要為羅鏡灘組雜色中厚至巨厚層狀礫巖夾砂礫巖或含礫砂巖及砂巖，錨塞體整體位于微風(fēng)化巖層，巖體的飽和抗壓強(qiáng)度為15MPa，抗剪強(qiáng)度0.7MPa，屬較軟巖-軟巖。地層總體近水平，產(chǎn)狀傾向SE125°~143°、傾角4°~7°，巖體內(nèi)構(gòu)造不發(fā)育，未見斷層和裂隙，隧道錨所處山體整體穩(wěn)定性較好。2在層次權(quán)重決策分析方法下，挖掘方案的選擇2.1前錨室段開挖伍家崗長(zhǎng)江大橋北岸隧道錨，大傾角、變截面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)給隧道施工帶來較大困難，因此就施工機(jī)械的操作性和出渣的便利性而言，臺(tái)階法較為合適；同時(shí)考慮到洞口段的圍巖情況，和錨塞體段大斷面的特點(diǎn)，CRD法較為合適；由于前錨室段的截面尺寸較小，適合于簡(jiǎn)單臺(tái)階法開挖。綜合考慮以上方法特點(diǎn)，再結(jié)合錨塞體對(duì)圍巖整體性較高的要求下，初步確定三臺(tái)階法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法、正臺(tái)階環(huán)形開挖法和CRD法，作為隧道錨的開挖方案進(jìn)行比較選擇，四種開挖方法下的開挖斷面圖如圖2所示。2.2基于統(tǒng)一評(píng)價(jià)指標(biāo)的開挖方案量化層次權(quán)重決策分析方法是20世紀(jì)70年代，美國科學(xué)家提出的系統(tǒng)分析方法具體比選步驟為：(1)建立目標(biāo)分層結(jié)構(gòu)，即相應(yīng)的比選方案和評(píng)價(jià)指標(biāo)根據(jù)上述分析，伍家崗長(zhǎng)江大橋北岸隧道錨的主要初選方案為：三臺(tái)階法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法、正臺(tái)階環(huán)形開挖法和交叉中隔壁法，而針對(duì)開挖方案的相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)為：開挖時(shí)的施工難度、開挖后隧洞圍巖的沉降變形量、施工進(jìn)程速度和對(duì)應(yīng)的工程造價(jià)，目標(biāo)分層結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。(2)建立兩兩比較的判別矩陣在統(tǒng)一評(píng)價(jià)指標(biāo)下各施工方法之間的難度對(duì)比如表1所示：根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)將開挖方案兩兩比較，給出比分值然后確定判斷矩陣B如下：元素對(duì)于不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)，各開挖方案的排序有所不同，具體就施工難度(3)一致性檢驗(yàn)為盡量降低判別矩陣中元素取值的人為性影響，需要利用特征值檢驗(yàn)判別矩陣一致性差異是否滿足要求，即首先計(jì)算判別矩陣最大特征值通過計(jì)算得到各判別矩陣最大特征值從表中結(jié)果可知計(jì)算得到的(4)確定開挖方案總排序確定開挖方案總排序時(shí)，以變形沉降量大小和工程造價(jià)為主要考慮方面，且處于安全性考慮，控制變形沉降量權(quán)重將大于工程造價(jià)權(quán)重，根據(jù)相對(duì)權(quán)重計(jì)算公式求出層次單排序和總排序的結(jié)果，排序如表4所示。由表4可以看出當(dāng)目標(biāo)指標(biāo)著重于變形沉降3計(jì)算值的模型3.1圍巖模型分析使用巖土隧道工程通用計(jì)算軟件FLAC3D，結(jié)合工程地質(zhì)資料建立數(shù)值分析模型，模型以橋梁中心線為X軸，根據(jù)圣維南原理巖體開挖后的應(yīng)力應(yīng)變只對(duì)3~5倍開挖斷面邊長(zhǎng)的范圍內(nèi)的巖體有影響巖體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，用實(shí)體單元模擬，通過六面體為主的單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分；襯砌采用線彈性本構(gòu)模型，用shell單元模擬；錨桿采用線彈性本構(gòu)模型，用cable單元模擬。由于隧道錨屬于淺埋型隧道，其構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)很小幾乎可以忽略，所以在模擬分析時(shí)僅考慮自重應(yīng)力場(chǎng)的作用。模型中圍巖力學(xué)參數(shù)的設(shè)定，將會(huì)直接影響到隧洞的拱頂沉降大小和洞周圍巖的收斂情況式中，--噴射混凝土彈性模量；--鋼拱架彈性模量；--鋼拱架橫截面積；--噴射混凝土橫截面積。根據(jù)以上材料參數(shù)建立四種開挖方案下的數(shù)值模型，其不同的開挖支護(hù)模擬圖見圖5所示。模擬開挖時(shí)開挖時(shí)嚴(yán)格按照“開挖一段、支護(hù)一段、封閉一段”的原則，每次開挖進(jìn)尺為每2榀鋼架(0.6m/榀)一個(gè)循環(huán)，上下臺(tái)階長(zhǎng)度為4.8m，各級(jí)臺(tái)階采用平行于錨體軸線的方式進(jìn)行開挖。3.2數(shù)值模擬結(jié)果的分析3.2.1圍巖變形控制通過數(shù)值方法模擬四種不同開挖方案下的隧道施工過程，得到開挖完成后的隧洞拱頂沉降數(shù)據(jù)和圍巖水平位移量，見圖5所示。根據(jù)圖中數(shù)據(jù)得到不同開挖方法下的圍巖最大位移見圖6所示。對(duì)比分析圍巖的變形結(jié)果可以得到如下結(jié)論：四種開挖方案在對(duì)隧洞圍巖變形的控制上差異不大，隧道拱頂沉降和水平位移量均較小，由此可見隧道錨所處山體圍巖的整體穩(wěn)定性較好。對(duì)于四種開挖方案而言，CRD法的拱頂沉降值最小，其次是三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法，正臺(tái)階環(huán)形開挖法最大；三臺(tái)階法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法和正臺(tái)階環(huán)形開挖法的拱頂沉降分別是CRD法的1.15倍、1.10倍和1.17倍。CRD法的水平位移值最小，其次是三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法，三臺(tái)階法最大；三臺(tái)階法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法和正臺(tái)階環(huán)形開挖法的水平位移分別是CRD法的1.26倍、1.18倍和1.24倍；對(duì)比三臺(tái)階法和三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法可知，在隧道開挖過程中設(shè)置臨時(shí)仰拱，能夠明顯降低拱頂沉降量和水平位移，從而保證隧道錨的安全性和穩(wěn)定性。3.2.2臺(tái)階法開挖的圍巖應(yīng)力通過數(shù)值模擬得到四種不同開挖方案下隧道開挖完成后的圍巖及初期支護(hù)最大應(yīng)力如圖7所示。由圖7分析可知，對(duì)于圍巖最大拉應(yīng)力，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法最小，CRD法次之，三臺(tái)階法最大，其中三臺(tái)階法開挖的圍巖最大拉應(yīng)力是三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法的1.27倍；四種開挖方案下的最大圍巖剪應(yīng)力大小排序和圍巖最大拉應(yīng)力相同，仍然是三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法最小，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法下的圍巖最大剪應(yīng)力是三臺(tái)階法下的72.3%；就圍巖最大壓應(yīng)力而言，四種開挖方案在數(shù)值上差距相對(duì)較大，CRD法最小，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法次之，其中三臺(tái)階法是CRD法的1.24倍，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法是三臺(tái)階法的82.4%。因?yàn)橹ёo(hù)荷載的來源為隧道圍巖變形，而圍巖變形量的大小是圍巖荷載與支護(hù)抗力相平衡的結(jié)果3.2.3單元不同屈服狀態(tài)圖8是開挖完成后的塑性區(qū)分布圖，由于塑性區(qū)主要分布在隧道錨洞的周圍，而地表和內(nèi)部巖體較少，故僅對(duì)比錨洞周圍的塑性區(qū)分布。FLAC3D中采用now表示現(xiàn)在該區(qū)域內(nèi)的單元處于屈服面上，past表示該區(qū)域內(nèi)的單元過去處于屈服面上，而現(xiàn)在降到屈服面以下。因此在分析實(shí)際工程的塑性區(qū)時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注的是處于now狀態(tài)的屈服區(qū)域，只有這些單元才可能使模型發(fā)生破壞。從四種開挖方案的圍巖塑性區(qū)分布可以看出，塑性區(qū)主要分布在錨洞的中后段部分，且主要沿洞周分布，兩側(cè)壁和拱部塑性區(qū)多于底板部位。開挖完成后的塑性區(qū)大部分都處于past狀態(tài)，而now狀態(tài)的塑性區(qū)只有局部很小的范圍，這些塑性區(qū)主要分布在錨塞體段的拱腳和后錨室的端墻，即：四種開挖方案下開挖完成后的巖體大部分都處于彈性變形階段，只有極小部分區(qū)域現(xiàn)在處于剪切屈服狀態(tài)，對(duì)隧道錨的安全穩(wěn)定基本沒有影響。4方案選擇上的模型建立將層次權(quán)重決策分析法和數(shù)值模擬方法相結(jié)合，為軟巖地質(zhì)條件下隧道錨的開挖提供了科學(xué)依據(jù)。主要結(jié)論如下：(1)利用層次權(quán)重決策分析法，對(duì)伍家崗長(zhǎng)江大橋北岸隧道錨開挖進(jìn)行了分析，當(dāng)目標(biāo)指標(biāo)著重于沉降變形和工程造價(jià)時(shí)，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法開挖最優(yōu)；(2)采用FLAC3D數(shù)值分析軟件，分別對(duì)四種開挖方案下的隧道錨進(jìn)行單獨(dú)建模，分析結(jié)果