第ｌ３卷第１期 ２ ０ １ ５年２月 水利与建筑工程学报 ｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．１３ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．，２０１ ５ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—１１４４．２０１５．０１．０４３ 一种斜向大断面拱座单桩基础隧道式ＣＲＤ法 开挖三维数值分析 王秋会，张金夫，宋 林 （中铁一局集团有限公司技术中心土木研究所，陕西西安７１００５４） 摘要：某大桥拱座基础为斜向大断面单桩基础，具有大型基坑和隧道受力的特点，空间受力复杂，很 有必要研究其力学行为。采用摩尔库伦屈服准则，考虑材料的弹塑性，通过ＭＩＤＡＳ ＧＴＳ软件建立三维整 体模型，计算分析了ＣＲＤ法开挖施工过程中围岩、初支、中隔壁、横撑应力、变形的情况，归纳出随着开 挖步施进初支最大主拉、压应力的分布曲线和位移曲线图。结果表明该施工方案初支拉、压应力及变形 均较小，开挖至距离基础底约８米处为变形和应力最大处，对施工方案的制定和施工监测有重要的参考 作用。 关键词：斜向基础；大断面；ＣＲＤ法；数值模拟；力学行为 中图分类号：ＴＵ４７３．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—１１４４（２【】ｌ５）０１—０２（】５—０５ ３－Ｄ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ａ Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｉｌｅ Ｓｋｅｗｂａｃｋ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ 、ｖｉｔｈ Ｌａｒｇｅ Ｉｎｃｌｉｎｅｄ Ｓｅｃｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ ＣＲＤ Ｔｕｎｎｅｌ Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ＷＡＮＧ Ｑｉｕ—ｈｕｉ，ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎ—ｆｕ，ＳＯＮＧ Ｌｉｎ （Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｆｉｒｓｔ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．Ｌｉｄ．，Ｘｉ’ａｎ，Ｓｈａａｎｘｉ ７１００５４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｆｏｒｍ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｐｉｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｏｂｌｉｑｕｅ ｌａｒｇｅ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ａｎ ａｒｃｈ ｂｒｉｄｇｅ ａｂｕｔｍｅｎｔ ｆｏｕｎｄａ— ｔｉｏｎ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ ａｎｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｓ ｕｎｄｅｒ ｃｏｍｐｌｅｘ ｍｅｃｈａｎｉ— ｃａｌ ｓｔｒｅｓｓ．Ｓｏ ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓ ｉｔｓ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｅｌａｓｔｉｃ－ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉ— ａｌｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ．ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ Ｍｉｄａｓ—Ｇｔｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｓｕｐｐｏｒｔ，ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋｓ，ｍｅｄｉｕｍ ｓｅｐｔｕｍ，ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｂｒａｃｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ＣＲＤ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ．Ａｎｄ ｔｈｅｎ ｗｉｔｈ ｈｅ ｔｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ ｎｄ ｄｉａｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｎｌ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｔｅｎｓｉｌｅ ａｎｄ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｓｕｐｐｏｒｔｔ ｗｅｒｅ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｕｇｇｅｓｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｎ— ｓｉｌｅ ａｎｄ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｓｕｐｐｏｒｔ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｒｅ ａｌｌ ｓｍａｌｌｅｒ ｂｙ ｔｈｅ ＣＲＤ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｎ＇ｌａｘｉｍｕｍ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ＯＣＣＵＬＴＳ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｂａｓｅ ｉｓ ａｂｏｕｔ ８ ｍｅｔｅｒｓ ｄｅｅｐ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅ— ｓｕｉｔｓ ｈａｖｅ ｓｏｍｅ ｒｅｆｅｒｅｎｔｉｌ ｓｉａｇｎｉｉｃａｆｎｃｅ ｔｏ ｔｈｅ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒｅｓｓ－ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｃｌｉｎｅｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ；ｌａｒｇｅ ｓｅｃｔｉｏｎ；ＣＲＤ ｍｅｔｈｏｄ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ １研究背景 对于开挖施工的三维问题，工程实际中一般将 其简化为二维问题。目前平面分析手段主要有广义 虚拟支撑力法…和等效初应力法［卜 ］等。该法带有 收稿日期：２０１４－１０－２０ 修稿日期：２０１４—１１－１５ 较强的经验性及某些适用条件等不足［ ，近似 反映了开挖面的空间效应。但是对一些复杂特殊的 工程，采取三维分析才能更好地反映开挖过程中围 岩变形及支护结构的空问效应。三维有限元分析目 前已在很多工程实际中被尝试和应用，如海底隧道 作者简介：王秋会（１９７６一），女，陕西｝胃南人，硕士，高级工程师，主要从事桥梁与隧道工程施工方案研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ：４３９９４３８８１＠ｑｑ．ｃｏｎｌ 水利与建筑工程学报 第１３卷 及浅埋、偏压隧道等工程ｌ 。 １．２开挖方案 本文以某实际桥梁工程为背景，该桥的拱座基 础同时具有基坑和隧道的特点，基础洞身穿越Ⅳ、Ｖ 拱座基础开挖采用ＣＲＤ（Ｃｅｎｔｅｒ Ｄｉａｐｈｒａｇｍ）法， 又称中隔壁法。该法将大断面隧道分割为小断面洞 级围岩段，且为浅埋隧道，具有特殊性和新颖性。计 算分析时着重考虑自重作用下的初始应力场，忽略 构造应力的影响。 １．１工程简介 室施工ｌｌ ｊ，有效的缩短了开挖围岩的早期施工时 间，扼止了开挖围岩应力变化，有利于隧道安全施 工。该施工方法主要适用于Ｖ级围岩浅埋强风化 层、土层、断层破碎带或熔岩发育区及Ⅳ围岩偏压、 该拱桥为１ １ＴＩ一３７０ １ＴＩ上承式钢筋混凝土ｘ形 浅埋软弱地层段施工。 （提篮）拱桥 １¨，其拱座基础为斜向大断面单桩基 础。受力复杂，斜向长４２ ｍ，为贯人式大体积嵌岩 基础，与水平方向夹角５５．１９。，平面位置夹角 ９．４８８。。 施工采取隧道式开挖，混凝土浇筑为大体积圬 工，施工分层多次灌注，并埋设散热水管等措施。属 低山构造剥蚀沟谷地貌，区内植被发达。施工范围 内地层为单斜构造，基岩性质为（９—５）砂岩夹泥岩 和（９—６）泥岩夹砂岩，依次交替，厚度为１０ ｒｆｌ、８．５ ｍ、２３ ｍ，围岩物理特性较好。覆盖层较薄，施工时 清表，不予考虑。斜向高度４２ Ｉｎ，长２２．５ ｍ，宽１６．３９ ＩＴＩ，具体尺寸、位置见图１。开挖初支（内衬）断面图 见图２ 图１拱座基础与斜向地层状况示意图 图２拱座单桩开挖内衬断面图（单位：（３１／１） 该基础具体施工开挖顺序，如图３所示：（ａ）拱 顶部１４５。范围采用Ａ４２超前小导管进行预加固，小 导管长３．５ ｍ，纵向间距２．０ ｍ，计算中不考虑该项 的加固效果；（ｂ）开挖①土体，安设ＨＷ３００×３００型 钢骨架，间距６０ ｃｍ，喷３５ ｅｌＴｌ厚Ｃ３０混凝土；同时施 做中隔壁，开挖完成后施做横撑，横撑采用２５ ｃｍ厚 Ｃ３０混凝土，内嵌ＨＷ２００×２００热轧型钢结构；（ｃ） 同样，开挖②土体，施做初支及支撑；（ｄ）开挖③土 体，施做初支及中隔壁；（ｅ）开挖④土体，初支闭合 成环。反复以上步骤，逐步进深。左右开挖纵向步 距５ ｍ，上下开挖的纵向步距１０ ｉｎ。 ． ＼ ⑧ ＼ 图３开挖顺序示意图 ２研究内容及方法 ２．１有限元模拟开挖的原理 一般隧道岩土开挖施工过程主要包括岩土分 步、分层开挖，进而分步、分层设置支护结构。有限 元分析中对不同施工阶段力学性态方程为： （［ ］＋［ＡＫ ］）｛△ ｝＝｛△， ｝＋｛△Ｆ ｝ （ｉ＝１， ） （１） 式中：Ｌ为施工阶段数；［‰］为初始状态岩土的初 始总刚度矩阵；［△Ｋ］为开挖施工中岩土体及支护 结构的刚度增、减量；｛△Ｆ ｝为开挖边界上的等效释 放力；｛△Ｆ 。｝为第ｉ阶段新增等效节点力；｛△ ｝为 第ｉ阶段产生的节点位移增量。 采用常刚度增量迭代法考虑土体的非线性和弹 塑性状态，其方程为： ［ ０］｛△ ｝ ＝｛△Ｆｉ｝ （ｉ＝１，Ｌ；ｋ＝１，Ｎ） （２） 第１期 王秋会，等：一种斜向大断面拱座单桩基础隧道式ＣＲＤ法开挖三维数值分析 ２００６，２５（３）：６２３—６２９． ２０９ 工方案。 参考文献： ［１］孙钧．地下工程设计理论与实践［Ｍ］．上海：上海科 学技术出版社，１９９６． ［７］ 牛泽林，谢永利，李德武．双层公路隧道各施工方案的 模拟与研究［Ｊ］．延边大学学报：自然科学版，２０１０，３６ （２）：１７４．１７６． ［８］孑Ｌ祥兴，夏才初，仇玉良，等．平行小净距盾构与ＣＲＤ ［２］王建宇．隧道开挖引起的围岩变形过程及岩体变形模 量的反分析［Ｊ］．土木工程学报，１９８６，１９（２）：７１—７９． 法黄土地铁隧道施工力学研究［Ｊ］．岩土力学，２０１１，３２ （２）：５１６．５２４． ［３］李新星，朱合华，丁文其，等．连拱隧道施工过程的三维 空问效应模拟与分析［Ｊ］．岩土力学，２００６，２７（Ｓ）：２５６— ２６ｏ． ［９］万俊峰．ＣＲＤ工法在客运专线隧道建设中的应用与思 考［Ｊ］．铁道勘察，２０１３，（３）：６５—６８． ［１０］赵永国，邵生俊，韩常领．浅埋、偏压隧道开挖施工方 案的仿真分析［Ｊ］．岩土力学，２００９，３０（ｓ２）：５０９—５１３． ［１１］ 中铁二院工程集团有限责任公司．改建铁路重庆至贵 阳线扩能改造工程施工图设计文件［Ｒ］．成都：中铁二 院工程集团有限责任公司，２０１２． ［４］牛泽林．伏龙坪双层隧道三维有限元分析［Ｊ］．中南公 路工程，２００７，３２（３）：１４４—１４６． ［５］王渭明，黄明琦，吴克新．厦门翔安海底隧道ＣＲＤ法施 工数值分析［Ｊ］．山东科技大学学报：自然科学版，２００７， ２６（２）：２７—３１． ［１２］铁道部经济规划研究院．ＴＺ ２０４—２００８铁路隧道工程 施工技术指南［ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００８． ［６］佘健，何川．软弱围岩段隧道施工过程中围岩位移 的三维弹塑性数值模拟［Ｊ］．岩石力学与工程学报， ！； 不 尔 希 ： 乖 Ｉ、 尔 乖 ’ 尔 尔 矫 尔 （上接第１９７页） 参考文献： ［１］郑海君．软岩特性研究及其对边坡影响的敏感性分析 析［Ｊ］．西安公路交通大学学报，２００１，２１（３）：５－９． ［５］贺汇文．秦岭变质岩区岩体结构特征及公路边坡稳定 性研究［Ｄ］．西安：长安大学，２００９． 以紫坪铺水利工程为例［Ｄ］．成都：成都理工大学， ２００５． ［６］ 丁秀丽．岩体流变特性的试验研究及模型参数辨识 ［Ｄ］．武汉：中国科学院，２００５． ［７］闫小波．软岩各向异性渗透特征及力学特征的试验研 究［Ｄ］．上海：同济大学，２００６． ［２］ 熊诗湖．层状岩体变形特性试验研究［Ｄ］．武汉：长江科 学院，２００７． ［３］ 陈文玲．黑河水库坝肩边坡云母石英片岩三轴蠕变机 理及蠕变模型研究［Ｄ］．西安：长安大学，２００９． ［４］杨更社，孙钧．中国岩石力学的研究现状及其展望分 ［８］张学民．岩石材料各向异性特征及其对隧道围岩稳定 性影响研究［Ｄ］．长沙：中南大学，２００７．
