宁波某沿海公路隧道风险控制研究.pdf
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1、低温建筑技术-施工技术Jun.2023 No.300DOI:10.13905/ki.dwjz.2023.6.031宁波某沿海公路隧道风险控制研究STUDY ON RISK CONTROL OF A COASTAL HIGHWAY TUNNEL IN NINGBO黄佳敏1,徐亦冬1,2,吴萍2(1.重庆交通大学土木工程学院,重庆 404100;2.浙大宁波理工学院土木建筑工程学院,浙江 宁波 315000)HUANG Jiaming1,XU Yidong1,2,WU Ping2(1.School of Civil Engineering,Chongqing Jiaotong University
2、,Chongqing 404100,China;2.School of Civil Engineering and Architecture,Ningbo Tech University,Zhejiang Ningbo 315000,China)【摘要】为研究宁波某隧道围岩和支护参数对施工的影响,以便进一步制定施工控制措施,文中采用ABAQUS对某隧道施工段建立数值模型,并对围岩弹性模量、围岩内摩擦角、衬砌混凝土弹性模量进行参数敏感性分析。结果表明围岩弹性模量的敏感性因子最大,达到1.838,对隧道拱顶下沉影响最大;内摩擦角的敏感性因子最小,达到0.067,可以忽略不计。因此在施工时需要格外加
3、强围岩的抗变形能力。研究成果对制定施工技术控制措施具有一定的理论和现实意义。【关键词】公路隧道;风险管理;敏感性分析;有限元模拟【中图分类号】TU71【文献标志码】A【文章编号】1001-6864(2023)6-0142-05Abstract:The influence of surrounding rock and supporting parameters on the construction of a tunnel in Ningbo isstudied to enable further development of construction control measures.A n
4、umerical model of a construction sectionof the tunnel is established by ABAQUS software,in which parameter sensitivity analysis on elastic modulus of surrounding rock,internal friction angle of surrounding rock,and elastic modulus of lining concrete are carried out.Theresults show that the sensitivi
5、ty factor of surrounding rock elastic modulus is the largest,reaching 1.838,which hasthe greatest influence on the subsidence of tunnel vault.The sensitivity factor of internal friction angle is the smallest,reaching 0.067,which can be ignored.Therefore,the deformation resistance of the surrounding
6、rock needs to beparticularly strengthened during construction.The research results have a certain theoretical and practical significance for the formulation of construction technology control measures.Key words:highway tunnel;risk management;sensitivity analysis;finite element analysis0引言高速公路在我国交通运输
7、中起到重要的作用。作为高速公路快速发展必不可少的地下工程,隧道工程可以改善道路交通,提高道路服务质量,减少对环境的破坏,在实际工程中得到了广泛的应用。然而隧道工程作为一套较为复杂的系统工程,它具有投资大、技术复杂、工期长、施工安装能力大等特点。由于这些特点,隧道施工面临着许多风险和不确定性1。同时我国隧道工程建设起步较晚、相关技术不够成熟,加上复杂多变的工程地质条件、勘察资料的局限性和相关设计理论的不完善,在施工过程中容易发生塌方、岩爆、大变形等事故。一旦事故发生,不仅会造成工期延误、成本提高,严重者还会造成人员伤亡,产生巨大损失,甚至影响后续使用。因此,伴随着我国高速公路的快速发展,如何在施
8、工中进行有效的安全风险控制也成为一个亟待研究和解决的问题。目前的风险识别工具和技术主要集中在文献综述、问卷调查和专家访谈,大多数学者会采用两种或两种以上的方式联合使用2。相较之下,风险评价的应用则更多样。由于不可预测的不利地下条件是隧道工程最常见的风险,而采用模拟方法可以动态模拟隧洞真实的破坏过程,综合考虑各种因素,因此任何类型的风险评估方法都可以通过使用隧道施工过程的计算模拟。Deng X等3采用数值模拟方法对风险控制措施实施前后的隧道边坡进行模拟,验证了风险控制措施的合理性。Hou Y等4利用现场监测和数值模拟方法,对厦门机场公路隧道提出了公路隧道涉及建筑物最大沉降量、差异沉降量和裂缝宽度
9、的地面建筑物变形控制标准。Wu S等5应用FLAC3D对地铁隧道双侧壁导向坑的施工程序和临时竖向支护进行优化分析,通过对比不同工况,得出竖向临时支护对围岩应力和位移控制效果有限的结论。张明聚等6采用数值模拟方法分析提出控制沉降变形的关键工序,并通过施工监测揭示了沉降规律及变形控制重点,制定出一142系列施工控制措施。杨庆刚等7应用ABAQUS软件对南京地铁隧道建立分析模型,对不同情况下隧道施工引起的地表沉降及路基变形进行研究,并与监测数据进行比较,验证了工程的施工工艺的合理性。通过几十年的发展,国内外在隧道施工安全风险控制研究领域都已经取得了显著的进步与成就,将数值模拟技术引入隧道施工风险控制
10、中可以很好地研究隧道施工变形情况,这为后续的风险控制措施制定提供强有力的依据。基于此,文中采用ABAQUS对宁波某高速隧道部分施工段的开挖过程进行建模计算,并在此基础上引入内源性风险因素进行敏感性分析,以实现隧道施工安全风险管理的目标。1工程概况文中主要依托宁波某高速隧道,土建主线起讫桩号为K8+220K10+960,路线长2.74km,其中包括A段隧道、B段隧道。根据隧道围岩等级不同,工程隧道洞身开挖方法也不同。隧道级围岩主要采用留核心土法,部分小净距隧道采用双侧壁导坑法;级围岩主要采用上下台阶法,少数小净距隧道选择中隔壁法进行施工;级围岩主要选用全断面法,人行横通道按照级围岩开挖方法采用上
11、下台阶法进行施工。在主洞开挖初期支护稳定后再进行横洞开挖。2工程风险分类从风险因素的来源出发,可将风险因素分为内源性影响因素和外生性影响因素两大类。内源性影响因素主要是工程自身存在的、不受人为控制影响的因素,由于工程选址所面临的当地气候影响、周边的自然环境和设施条件、施工方案的缺陷都可以算作内源性因素。因此内源性因素可以划分为地质因素、水文条件、气候条件、周边环境、施工技术等。外生性因素主要指除隧道自身因素外,能够致使事故发生的其他风险因素,大致可分为人员因素、设备因素、材料因素、环境因素和管理因素。隧道施工过程中伴随着较多的风险,各种风险都会直接或间接影响作用下诱发风险事件。内源性因素作为在
12、施工中难以进行人为控制的因素,往往会造成施工的不确定性。探究内源性因素的规律,确定其对施工的影响及影响程度,则可以更好地从外生性因素着手制定施工措施,以进行施工风险控制。而其中围岩的力学属性对隧道施工的影响可以通过建立数值模型进行研究。3隧道施工变形数值模拟数值分析是研究连续问题算法的科学,最主要的概念就是算法与连续问题。有限元法属于数值分析方法,其工作原理是将问题的域划分为有限个子域的集合,每个子域用1个方程表示,最后将这些方程组重新组合成1个方程组进行求解计算。文中主要采用ABAQUS对工程进行模拟与分析。3.1ABAQUS模型建立3.1.1模拟开挖段的选取隧道所涉及的围岩级别为级、级、级
13、。首先,在隧道施工中,围岩等级越高,整体性越差,裂隙越发育,风化程度越高,其相对变形量较大。所以从施工变形的角度来看,选取可能产生较大变形的级围岩进行模拟。其次,对级围岩所采用的留核心土法和双侧壁导坑法两种开挖方法进行对比。双侧壁导坑法断面分块较多,施工复杂,对围岩扰动大,且施工工期长,但施工安全;留核心土法断面分块多,但施工工期相对双侧壁导坑法较短,施工安全性比双侧壁导坑法差,且预留核心土法在工程中相较于双侧壁导坑法数量多、更具有代表性。所以选择模拟分析区段为 A 段隧道:ZK9+196ZK9+211,YK9+204YK9+219。这段为级围岩,采用留核心土法施工,总长15m,位于A段隧道末
14、段,右洞距洞口637m,左洞距洞口645m。3.1.2计算模型及边界条件确定计算模型尺寸时,根据工程资料,洞口直径17.44m,斜坡坡度20,隧道长度15m,左右洞身间距25m。按照1:1的尺寸建立分析模型。根据隧道附近密集,远处土层稀疏原则进行网格划分。规定模型中X方向为隧道宽度方向,Y方向为隧道高度方向,Z方向为隧道长度方向。在计算中,初始应力只考虑围岩自重应力,对土体选用理想弹塑性计算模型。模型边界条件为固定前后面的Z方向位移,固定上下面的Y方向位移,固定左右侧面的X方向位移。得到计算模型如图1所示。3.1.3施工参数A 段隧道 ZK9+196ZK9+211,YK9+204YK9+219
15、,采用留核心土开挖方式,围岩等级级。YX图1计算模型143低温建筑技术-施工技术Jun.2023 No.300根据 公路隧道设计规范,各参数取值如表1所示。根据施工工序,取每次开挖0.75m,先开挖拱部,每进尺0.75m,喷射混凝土,再开挖底部,施作导坑周边的初期支护和临时支护,初喷混凝土,最后填充下部。共设定隧道土体模块80次,衬砌模块60次。3.2隧道开挖模拟在隧道开挖模型中,周边土体下沉量以Y轴方向位移来反映,计算结果如图2所示。从位移云图可知,由于隧道开挖引起周围土体沉降的主要影响范围在洞口周围,且拱顶与拱底的位移值相对较大,可见与实际工程的沉降变形规律一致。随着隧道的开挖,围岩的应力
16、重新分布,切应力和剪应力增大。由于隧道顶部和底部的剪应力,水平结构面发生张开变形,导致拱顶下沉和拱底隆起8。变形符合一般规律。3.3计算结果与实测数据分析为验证模型准确性,文中根据现场实际监测数据,取ZK9+210断面桩号(Z=-14m)进行分析。如图3所示,根据实测数据,ZK9+210测点累计下沉量8.1mm,有限元模拟算出的拱顶下沉量通常相较于实测数据小,主要原因是有限元模拟中忽略了非线性的大变形和沿弱面的不连续变形,且围岩参数不易确定,模型采用参数为 公路隧道设计规范 中规定的参数值,有限元模拟结果累计变形为3.31mm。通过上述沉降值对比可知,随着时间增加,实际监控下,ZK9+210测
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