基于数值模拟与动态监测的长大公路隧道施工支护优化研究.pdf

内蒙古公路与运输 hi z h w a v st r a n s o o r t a t i o n i n i n n e r m o n g o h a 3 5 第 1 0 4期 文章编号 ： 1 0 0 5 0 5 7 4一( 2 0 0 8 ) o 3 0 0 3 5 0 6 基于数值模拟与动态监测的长大公 路隧道 施工支护优化研究 胡亮 ( 张承高速公路张家 口管理处 ， 河北 张家口0 7 5 0 0 0 ) 摘 要：以河北省张石高速黑石岭隧道为研究对象， 采用三维仿真数值模拟方法对隧道软弱破碎围岩段支护方案 进行了优化分析研究。并采用现场监控量测对优化方案进行了动态监测， 结果与数值模拟结论基本吻合， 可见采用数值 模拟方法在隧道工程分析上是可行的。 关键词： 公路隧道； 支护； 优化方案 ； 动态监测 ； 数值模拟 中图分类号 ： u 4 5 9 2 文献标识码 ： a a b s t r a c t ： b a s e d o n a c ase o f c o n s t r u c t i o n ， e n s i l i n g t u n n e l i n z h a n g fi a k o u t o s h i a z h u a n g e x p r e s s w a y i n h e b e i p r o d n c e ， t h e r e s e a r c h o n t h e s u p p o r t i n g s y s t e m a t t h e s o f t p e ri me t e r r o c k was d o n e wi th t h r e ed i me n s i o n n u me r a l s i mu l a t i n g me t h o d t h e d y n a mi c mo n i t o ri n g f o r the o p t i mi z e d p l a n wa s c o n d u c t e d t h r o u g h i ns i t u me as u r e me n t th e me a s u r e d d a t a i s o n t h e wh o l e c o i n c i d e n t wi t h t h a t o f s i mula t e d r e s ult ，an d i t i s o b v i o u s t h a t t h e n u me ri c a l s i mula ti o n me t h od i s f e a s i b l e i n the a n aly s i s o n the t u n n e l p m j e e t ke y wo r d s ：h i g h w a y t un n e l ；s u p p o a i n g ；o p t i mi z e d p l an ；d ynam i c mo n i t o ri n g；n u me ri c al s i mula ti o n 近年来 ， 随着我 国交通基础设施 建设规模 的逐步 扩大 ， 公路隧道修建的数量也 日益增多 ， 其 中不乏有一 些长大隧道 。在河北省太行山区， 由于受地形条件 的 限制， 隧道成为该省高速公路 隧道的主体。目前在建 的张石高速公路 二期 ( 化稍营至蔚 县 ) 就有 隧道 1 6 座 ， 其中最长的隧道为黑石岭隧道 ， 是本段控制工期的 咽喉工程。隧道 分左 、 右线， 左线3 7 2 0 m， 右线3 8 7 0 m， 有燕赵第一隧道之称。 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 所提供的围岩类别有出入。尤其是在 v级围岩中， 围 岩十分破碎， 其支护就显得尤 为重要。本文拟采用数 值模拟分析方法对黑石岭隧道左线 l k 7 3+3 6 8断 面 施工过程中 i v级围岩支护方案进行优化研究 ， 并采用 现场监控量测对优化方案进行验证。 1 隧道工程概况 黑石岭隧道净宽 l 3 2 5 r fl ， 净高7 8 0 m， 建筑限界 高度 5 0 0 r f l ， 均按新奥法原理设计和施工 ， 设计采用 柔性支护体系结构的复合式衬砌， 即以锚杆、 喷射混凝 土、 钢拱架等为初期支护， 二次衬砌采用添加抗裂防水 膨胀剂的模筑混凝土或钢筋混凝土 ， 并 在两次衬砌之 间敷设土工布及防水板。 设计提供隧道 围岩级别主要为 i i i 、 i v、 v三级 ， 其 中 i v级 围岩左线 2 1 5 m， 右线 2 2 0 r f l 。而在实际开挖 掘进施工中， 实际围岩类别与设计围岩类别有极大出 入 ， i v级围岩长度增加 ， 给施工带来 了难度 ， 致使进度 延缓 ， 工程投资加大。 左线 l k 7 3+ 3 6 8断面拱顶距地表约为 2 3 m， 所处 围岩为 级围岩 ， 微 一 未风化 白云岩 ， 粉晶结构 ， 层状 构造， 岩体较破碎， 岩层产状： 1 4 7 。 1 4 。 ， 小裂隙发育， 大多呈闭合状。发育有两组节理， 产状分别为 3 4 5 。 8 4 。 ， 1 5条 m， 7 5 。8 8 。 ， 3条 m， 抗压 强度 为 7 3 9 mp a ， 内聚力为 6 51 0 3 mp a ， 内摩擦 角在 3 3 5 。 3 7 2 。 之间 ， 围岩稳定性较差 ， 施工 时拱部无支护可产 生小坍塌， 但侧壁基本稳定， 洞内有滴水和渗流现象。 局部地段发育有溶蚀裂隙或小溶洞， 裂隙宽度一般为 0 2 0 5 rf l ， 最大可达 1 rf l 左右。充填有亚粘土、 碎石 和块石等， 裂隙两壁岩石破碎， 易塌落。本文以此断面 为研究对象采用数值模拟和监控量测进行了支护优化 研究。 作者简介： 胡亮( 1 9 6 4 一 ) ， 男， 本科， 北京交通大学公路工程与管理专业毕业， 主要从事道路与桥梁技术与管理工作。 维普资讯 内蒙古公路与运输 hi g h w a y s &t r a n s p o r t a t i o n i n i n n e r mo n g o l i a 2 0 0 8年第 3期 2 隧道数值模拟建模 随着计算机技术 的迅速发展， 数值模拟仿真分析 方法已经广泛应用 于岩土及地下工程的研究和设计 中 川 。f l a c 。 。( t h r e ed i me n s i o n a l f a s t l a g r a n g i a n a n a l y s i s o f c o n t i n u a ) 是一种显示有 限差分程 序 j 。 它是由美国 i t a s c a咨询公司开发的专门求解岩土力 学问题的大型软件 ， 能够模拟计算三维岩土体及其他 介质中工程结构的受力与变形状况， 尤其适合于材料 的弹塑性力学行为、 大变形分析 、 流变预测和施工过程 的数值模拟， 因此在岩土工程得到广泛应用。 2 1 模拟范围 模型左右边界为从隧道拱脚处向外各取 3倍的隧 道宽度 ， 下边界仰拱向下取 2 5倍洞跨 ， 上边界取至地 表( 拱顶距地表约为 2 3 m) ， 断面前后各取 2 0 m。建 立的模型如图 1 所示。 2 2 计算模型和计算参数 在计算模型 中， 围岩采用 了 f l a c 提供 的 m o h r c o u l o m b强度准则 ， 开挖采用了 n u l l 模型 j 。复合 图 1 模拟模型 图 式支护中的初次支 护( 喷浆和锚 杆) 分别采用了结构 单元 中的 s h e l l 单元和 c a b l e 单元 ， 而二次支护 ( 衬砌) 则是用网格单元来模拟， 本构模型为弹性。岩体的初 始地应力场考虑 了自重应力和构造应力 ， 侧压系数取 为 0 3 3 。在模拟过程中， 岩体 、 锚杆、 混凝土材料和钢 拱架的物理力学性质分别如表 1 4所示。 表 1 计算岩体物理力学参数 表4 钢拱架计算参数 2 3 模拟方案 原设计二衬厚度 4 5 c m， 仰拱 5 0 c m， 采用 o间距 4 0 c m小导管超前支护， 初期支护为 i 1 8工字钢， 钢架间 距1 0 0 c m， 单层钢筋挂网， 中空锚杆纵横间距为 8 0 c m ， 2 2 c m厚喷射砼 ， 按先拱后墙法施工。作为支护优化方 案 ， 将取消拱 间两侧锚杆 ， 把锚杆纵横向间距设为 1 4 m。因此， 计算过程中将分为上述两个方案进行计算 ， 隧道开挖模拟步骤按实际施工开挖顺序进行。 2 4 模拟计算结果图 图2 6为原支护方案的模拟计算结果图。图7 1 1为优化支护方案及支护效果图。 2 5 计算结果分析 由图 26可知 ， 施工过程模 拟后 ， 隧道周边净空 收敛值较大， 拱顶最大沉降 1 1 m m； 仰拱隆起值最大， 达到 1 5 m m， 由于仰拱的曲率较小， 开挖后毛洞仰拱的 受力性能最为薄弱； 两边侧墙最大位移值 3 4 m m， 超 出了设计要求 ， 必须采取支护措施 。按设计方案支后 ， 维普资讯 总 第1 0 4 期 胡 亮： 基 值 型 查鉴型 坌堕瞳壅蕉 塞 盟窒 三 由图5可知， 锚杆设置过 密 ， 且发挥的作用不大 ， 锚杆 的最大轴力值仅为 4 k n， 而且拱肩及拱肩 以下甚至出 现锚杆受压的现象。锚杆的屈服强度值高达 1 9 0 k n， 在这些区域锚杆没有发挥作用， 应减少锚杆的数量 ， 加 大锚杆的间距。隧道周边 围岩屈服的塑性 区范 围较 大， 尤其是在拱顶处。 由图7 1 1 可知， 优化支护方案后， 拱顶最大沉降 图2隧道开挖后横断面地层竖向位移云图 图4隧道开挖后横断面位移 矢量图 图 6 隧道周边 围岩屈服的塑性区范围图 图 8 优化方案横断面地层水平方向位移云图 6 mm， 仰拱最大隆起值为 7 m m， 两边侧墙最大位移值 2 mm， 锚杆的最大轴力值达到 5 2 5 k n。通过采取优 化措施 ， 隧道净空收敛值 减少 了 6 0 ， 锚杆 的数量减 少且更加充分发挥锚杆 的作用 ； 围岩塑性区范围明显 减小 ， 增强 了掌子面围岩的稳定性 ， 减少了塌方落石的 可能。 3现场 监测 图3 隧道开挖后横断面地层水平位移云图 fi c ， n ， o0 ； 篇 篇 p x i i 、 、 、 i= 品 h _一 图 5 计算 断面上 的锚杆轴力值 图7 优化方案横断面地层竖 向位移云图 图 9 优化 方案横 断面的位移矢量 图 维普资讯 3 8 内蒙古公路与运输 h i h w a y s&t r a n s o o r t a t i o n i n i n n e r m 2 0 0 8 年第 3期 图 1 o优化方粟计算断面上的锚杆轴力值 3 1 量测断面布设及量测 拱顶下沉测量是确认围岩 的稳定性、 判断支 护效果、 指导施工顺序、 预防拱顶崩塌、 保证施 工质量 和安全的最基本资料 ； 周边位移是 隧道围岩应力状态 变化最直观的反映。因此 ， 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 j 。 隧道监测主要采用这两种方法 ， 其中拱顶下沉量 测是在隧道开挖后的拱顶处 固定涂有十字交叉的反光 涂漆角铁作为测桩 ； 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角铁即可。对于稳定性较 差的围岩 ， 测桩可在锚喷支护后布置。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、 中墙和边墙部位分别埋设测桩。 为消除人为因素对量测精度的影响， 拱顶下沉和周 边位移采用徕卡 t c r a 1 1 0 0高精度全站仪进行测量。 3 2 断面观测步骤及量测频率 3 2 1 断面布置形式 监测断面如图 l 2所示。周边位移收敛的观测 步 骤为： 用全站仪分别测出d 、 b 的三维坐标值； 磊 ,o e d e 圈 1 2 拱顶下沉和位移收敛 右 侧 图 1 1 优化方案计算 断面 的塑性 区 利用观测的坐标点分别求出a a b b d b 、 d a 、 d b d a 的距离 ； 将每天观测值得到的距离和测点埋设后的初 次观测值距离相减， 得到的数值即为收敛值。 将每天测得 d、 e点 的高程与埋设后初次测得 的 高程相 比较 ， 得到拱顶下沉与仰拱隆起量。 3 2 2 量测频率 拱顶下沉、 仰拱隆起和周边位移 的量测频率如表 5所示 。 表 5 拱顶下沉与周 边位 移量测频率 注： b表不隧道 开挖宽度o 3 3 量测数据结果 通过对 l k 7 3+ 3 6 8断面进行 4 0 d的监控量测 ， 得 到拱顶下沉、 仰拱隆起与周边位移收敛数据 ， 各点位位 移变化曲线如图 l 3 2 o所示。 3 4 结果对 比分析 由图 l 32 o监测数据可以看 出 ， 隧道开挖后 ， 拱 顶最大沉降 5 r t l n l ， 仰拱最大隆起值为 6 5 r n n l ， 其他累 计收敛变化曲线在初期增长较快 ， 然后渐趋平缓。 通过与优化方案模拟数据结果对比可知， 数据模 拟分析结果与监测结果基本吻合。 4结论 隧道按原设计方案支护后， 围岩的变形及塑性 区范围虽然得到明显控制， 但锚杆没有发挥应有作用， 应减少锚杆的数量， 加大锚杆的间距。 采用优化支护方案后， 拱顶沉降、 两边侧墙位 移、 仰拱隆起值得到有效控制， 隧道净空收敛值减少了 6 0 ， 锚杆的数量减少且更加充分发挥锚杆的作用， 围 维普资讯 总第 1 0 4期 胡亮： 基于数值模拟与动态监测的长大公路隧道施工支护优化研究 3 9 8 l 6 道 疆4 蠢2 0 ，二 ： ： = ! 。 6 - 22 7 2 7 6 j 5 粤 4 錾s 2 礞l o 7 1 2 7 2 2 8 -1 日期 图 1 3 累计收敛值变化曲线 ， vt 、 p ： 、 ， 6 2 2 7 2 7 曩 0 7 1 2 7 2 2 8 1 日期 图 1 5 d b 累计 收敛值变化曲线 ! ! ： 二 一 ， 一 6 2 2 7 - 2 6 g 5 点 4 至 z 礞l 0 7 -1 2 7 2 2 8 -1 日期 图 1 7 d a累计收敛值变化 曲线 拱顶收敛 ! 土 一 一 、 6 2 2 7 2 7 1 2 7 2 2 8 1 日期 图 1 9 拱顶沉降曲线 岩塑性区范围明显减小， 增强了长子面围岩的稳定性 ， 减少了塌方落石的可能。 在工程中， 采用数值模拟分析与监控量测相结 合可以弥补单一的现场监测方法存在的预见性较弱的 缺陷。 将现场实际监测结果与优化方案数据模拟分 8 6 j 型 羹 蠢z 0 7 4 蠢 0 7 3 蠢 o t ： 丫 6 2 2 7 2 7 1 2 7 2 2 8 1 日期 图 1 4 b b 累计收敛值变化 曲线 db 生 t 6 2 2 7 2 7 1 2 7 2 2 8 1 日期 图 1 6 d b累计收敛值变化 曲线 ， _ _ 、 h 、 - t ， ， ， 6- 2 2 7 - 2 7 1 2 7 22 8 1 日期 图 1 8 d a 累计收敛值变化曲线 仰拱隆起 rr 1 r 6 2 2 7 2 7 1 2 7 2 2 8 1 日期 图 2 o 仰拱隆起曲线 析结果对比分析可知， 两者基本吻合， 从而验证了数值 模拟作为隧道工程施工分析方法的可行性与合理性。 参考文献 1 陈帅宇， 周维垣， 杨 强， 等 三维快速拉格朗 日法进行水布垭地下 厂房的稳定性分析 j 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 3 ， 2 2 ( 7 ) ： 1 0 4 7 一 】 q 5 3 5 2 5 l 5 o 5 l 5 2 。 o g 趔疆 礞 维普资讯 内蒙古公路与运输 t r a n s p o r t a t i o n i n i n n e r mo n o l i a 2 0 0 8年第 3期 文章编号： 1 0 0 5 0 5 7 4一( 2 0 0 8 ) 0 3 0 0 4 0 0 3 山区高速公路的病害原因及应对措施研究 贺玉辉 ( 河北石青高速公路有限公司， 河北 石家庄 0 5 0 0 5 1 ) 摘要：以石太高速公路的大修工程为依托， 分析山区高速公路所表现的主要病害形式、 病害原因和采取的应对措 施。并根据大修工程的实例来剖析病害的产生机理 ， 比较各种处理方案的实际效果， 提出根治病害的措施和在以后建设 中应注意的事项。 关键词： 山区高速公路； 病害原因； 治理措施 中图分 类号：u 4 1 6 3 6 6 文献标 识码 ：a a b s t r a c t ： b a s e d o n t h e p r a c t i c e o f h e a v y m a i n t e n a n c e p r o j e c t 。 i e 。 s h ij i a z h u a n g t o t a i y u a n e x p r e s s w a y 。 t h i s a r t i c l e ana - l y z e s t h e ma i n f o r ms 。c a u s e s 。and me a s u r e s f o r d e aii n g w i t h d i s t r e s s e s o f e x p r e s s wa y i n t h e mo u n t ain o u s a r e a a l s o。i t ana l y z e s t h e m e c h a n i s m o f c a u s i n g d i s t r e s s f r o m t h e h e a v y mm n t e n ane e p r o j e c t a n d c o m p a r e d t o t h e e ff e c t i v e n e s s o f t r e a t m e n t a n d p r e s e n t s t h e me a s u l 8 f o r c o n t r o l an d p rev e n t i o n。wi t h p res e n t a t i o n o f s o me p o i n t s f o r a t t e n t i o n ke y wo r d s ：e x p res s w a y i n mo un t mn o u s a _r e a ；d i s t res s c a u s e s ；me g s u i s f o r c o n t r o l an d p r e v e n t i o n 石太高速公路( 河北段 ) 通车于 1 9 9 5年 l o月， 作 为连接山西省和河北省的主干道及晋煤外运的主要通 道 ， 车流量和单车载货量一直处于较高的水平。 在重载车的破坏作用及随着道路使用年限的增 加 ， 道路的一些病害 日渐暴露出来。 1 石太高速公路山区段病害的主要类型和特点分析 石太高速公路( 河北段) 东起石家庄市 ， 西至晋冀 省界， 全长 6 8 k m， 其中靠近山西的4 6 k m为山岭重丘 区， 山区道路 的原有结构为土石混填路基 、 两层 1 5 c m 石灰土底基层 、 两层 1 2 c m二灰碎石基层和 5 c m+7 c m两层沥青混凝土面层。 因为山区道路地形复杂 ， 早期施 工各路段 的施 工 质量也不尽相同， 重载交通破坏性大 ， 各种原因综合 ， 造成各种形式的路面病害在路面的使用过程 中都有表 现， 现就各种不 同的病害分别介绍并进行机理分析。 1 1 路面病害 车辙： 受重载车影响 ， 上下行 两幅车道车辙严 重 ， 尤其行车道 ， 多数路段车辙严 重 ， 深度往往超过 l o c m， 严重影响车辆正常行驶 ， 每年都需要进行 中修挖 补。 网裂、 松散 、 坑槽 ： 由于雨水 和融雪剂的侵蚀 、 沥青 的自然老化以及基层发生松散 等原 因， 造成沥青 混凝土所含 的沥青质有效成分降低、 弹性下降、 路面层 强度被破坏， 致使很多路段大面积网裂， 进而导致松 散， 极易在雨水作用下产生坑槽。 唧浆： 由于面层、 基层脱离， 基层上的浮浆在外 2 邬爱清， 徐乎， 徐春敏， 等 三峡工程地下厂房围岩稳定性研究 j 岩石力学与工程学报， 2 0 0 1 ， 2 0 ( 5 ) ： 6 9 0 6 9 5