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        隧道施工中現(xiàn)場監(jiān)測與分析作用的探討

        2010-06-15 01:42:32賀鵬飛
        城市道橋與防洪 2010年8期
        關(guān)鍵詞:錨桿圍巖方法

        賀鵬飛

        [湖南省隧道工程總公司(湖南省地礦局四一四隊(duì)),湖南益陽 413000]

        0 引言

        淺埋偏壓隧道在設(shè)計(jì)與施工時(shí)必須采取相應(yīng)的方法進(jìn)行防偏壓處理。在該隧道設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)施工方法只是簡單地提及而沒有進(jìn)行對(duì)比研究,這樣無形中會(huì)加大施工成本,造成施工中不安全因素的增加。本文以某公路隧道為例,對(duì)施工過程中的監(jiān)測資料進(jìn)行分析,提出了適合該隧道的施工方法;同時(shí),采用數(shù)值分析的手段,對(duì)該隧道可能采用的施工方法進(jìn)行了計(jì)算分析,從受力的角度提出了最佳的施工方案,為以后類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供了依據(jù)。

        該隧道的設(shè)計(jì)施工方法為“CD”施工方法??紤]到施工工期及經(jīng)濟(jì)因素,擬對(duì)進(jìn)口段采用正臺(tái)階施工方法進(jìn)行試開挖并進(jìn)行施工量測。通過對(duì)量測數(shù)據(jù)、施工進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)條件等因素的綜合分析提出最終適合于該隧道的施工方法。

        1 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

        根據(jù)現(xiàn)場條件及一般隧道的監(jiān)測內(nèi)容,該隧道的主要監(jiān)測項(xiàng)目為:周邊位移量測、拱頂下沉量測、地表下沉量測、鋼支撐內(nèi)力量測和錨桿軸力量測。各元件的具體布置見圖1所示。

        1.1 地表下沉

        圖2為地表下沉的監(jiān)測結(jié)果。從圖2中可以看出,當(dāng)圍巖開挖歷經(jīng)20 d之后,其地表下沉基本上就處于穩(wěn)定狀態(tài),而此時(shí)掌子面已經(jīng)推進(jìn)了將近100 m左右。上述情況表明:該斷面的地表沉降經(jīng)過20 d以后基本完成,可以進(jìn)行下一步的工作。

        1.2 收斂變形

        圖3為量測斷面上臺(tái)階開挖30~97 m的收斂變形曲線,量測時(shí)間共45 d。在上臺(tái)階開挖過程中,收斂量在3 mm以內(nèi),說明在上臺(tái)階開挖過30 m時(shí),圍巖的大部分應(yīng)力已經(jīng)釋放,圍巖的位移大部分已發(fā)生。水平測線AC數(shù)值最大,表明隧道側(cè)壓力比豎直壓力大,其中的主要原因可能是隧道左側(cè)成拱效應(yīng)比右側(cè)成拱效應(yīng)差,因此隧道左側(cè)受到更大的圍巖壓力。

        1.3 拱頂位移

        圖4為上臺(tái)階開挖后典型斷面拱頂實(shí)測位移曲線,該斷面圍巖主要為炭質(zhì)板巖,屬于Ⅲ類圍巖,圍巖較破碎。

        通過對(duì)測量線進(jìn)行擬合可知:

        (1)最終位移 u∞=38.83 mm,該值較大,這主要是由于該斷面所處圍巖比較破碎,且節(jié)理裂隙較發(fā)育。但在第6 d時(shí),位移即為33.43 mm,已達(dá)到最終位移的81%,這說明圍巖很快趨于穩(wěn)定。

        (2)當(dāng) t=16 d時(shí),位移速率為0.1 mm/d,以后隨著時(shí)間t的增長,位移速率將越來越小。

        1.4 鋼支撐內(nèi)力

        所選取的典型斷面,其主要圍巖類型為泥巖,屬于Ⅲ類圍巖。量測結(jié)果如圖5所示。

        從圖5可知,內(nèi)力變化曲線在時(shí)間上可分為4個(gè)階段:其中上臺(tái)階開挖后數(shù)據(jù)曲線形成了急劇增大→緩慢增大→趨于平緩,這Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)階段;下臺(tái)階開挖后形成了第Ⅳ階段。下臺(tái)階開挖后,鋼支撐左右兩側(cè)的內(nèi)力變化并不一致,說明鋼支撐所受的左、右兩側(cè)的壓力并不相等。

        由于各部位內(nèi)力變化在上臺(tái)階開挖后基本一致,因此可以對(duì)其中某個(gè)部位的內(nèi)力變化進(jìn)行分析,從而得到一般的規(guī)律?,F(xiàn)選取鋼支撐內(nèi)層的左側(cè)部位,經(jīng)分析其內(nèi)力最終值為2.393 kN;在L=50 m時(shí),為1.56 kN,占其最終值的65%;在L=100 m時(shí),為1.93 kN,占其最終值的81%,可見內(nèi)力的大部分在上臺(tái)階開挖后50 m內(nèi)產(chǎn)生。

        1.5 錨桿內(nèi)力量測結(jié)果

        錨桿內(nèi)力量測結(jié)果見圖6所示。從圖6可以看出,圍巖變形超過20 d之后,其變形基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。在最初的一周之內(nèi),其變形發(fā)展是最為顯著的時(shí)期,過此之后,其變形將逐漸趨于穩(wěn)定。因此,圍巖開挖之后的初始階段是值得注意的時(shí)期。

        1.6 施工方法調(diào)整

        鑒于實(shí)測的位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力較小且收斂較快,因此將原設(shè)計(jì)中采用的“CD”法開挖并輔助超前錨桿支護(hù)的施工方法變更為采用臺(tái)階法開挖的施工方法即可滿足要求。

        2 數(shù)值模型的建立與計(jì)算參數(shù)的選取

        為了更好地了解在不同施工方法下偏壓隧道的受力變形規(guī)律,以便從隧道受力變形的角度尋找出這種隧道的最佳施工方法,在本文中采用數(shù)值分析的手段,對(duì)該具體工程進(jìn)行建模分析。

        數(shù)值模型的建立:根據(jù)不同的施工方法建立的數(shù)值模型如圖7所示。為節(jié)省篇幅,在本文中只列出CD法開挖的網(wǎng)格剖分圖。

        計(jì)算參數(shù)的選取:綜合《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218-94)、《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD70-2004)、《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003-2005)等資料對(duì)各類圍巖物理力學(xué)參數(shù)的取值情況,取各類圍巖中值作為巖體的計(jì)算參數(shù)。對(duì)錨桿與型鋼拱架材料參數(shù)則根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果取舍。

        3 計(jì)算結(jié)果與分析

        表1、表2分別為采用數(shù)值模擬得出的幾種不同施工方法下隧道周邊與地表最大位移、隧道周邊最大圍巖應(yīng)力。而錨桿軸力和鋼支撐內(nèi)力由于受篇幅限制,在此不再一一在表中列出。

        表1 不同施工方法下隧道周邊與地表最大位移統(tǒng)計(jì)表(單位:cm)

        表2 不同施工方法下隧道周邊最大圍巖應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表

        從計(jì)算結(jié)果可以看出,不同施工方法下偏壓隧道的受力存在一些共同點(diǎn):(1)拱頂部分的錨桿與鋼支撐在不同的施工階段受力都很小。(2)完工后受偏壓較大的右墻所承受的圍巖應(yīng)力最大,而且拱腳與墻角往往都是應(yīng)力集中的地方。(3)錨桿與鋼支撐的受力在施工中間階段往往是右側(cè)受力稍大,而完工后則左側(cè)稍大。

        但也存在一些不同點(diǎn):(1)在位移方面,CD法無論是拱頂位移、地表位移,還是側(cè)墻位移都小于全斷面法與臺(tái)階法;臺(tái)階法在中間施工時(shí)的各項(xiàng)位移都小于全斷面法,完工后除左墻位移外,其余也比全斷面法施工的位移小。(2)錨桿所受軸力、鋼拱架所受軸力和彎矩以全斷面法施工最大,臺(tái)階法次之,CD法最小。

        根據(jù)以上分析可知,在偏壓隧道中,要優(yōu)先采用CD法進(jìn)行施工,如施工斷面較小,偏壓不大時(shí),也可采用正臺(tái)階法施工,一般情況下不要采用全斷面法施工。此外,筆者在采用CD法施工模擬時(shí)計(jì)算了兩種開挖方法,一種是先右后左;一種是先左后右,結(jié)果表明,前者無論從受力變形大小、收斂時(shí)間長短均優(yōu)于后者。因此,可以推斷:在采用CD法進(jìn)行施工時(shí)應(yīng)從偏壓較大的一側(cè)開始施工。

        4 結(jié)語

        通過采用現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值分析的方法對(duì)偏壓隧道的施工方法進(jìn)行對(duì)比研究,取得了如下成果:

        (1)通過用數(shù)值模擬方法對(duì)全斷面、正臺(tái)階和CD法施工動(dòng)態(tài)計(jì)算表明,在偏壓較大的情況下要優(yōu)先采用CD法進(jìn)行施工,且施工時(shí)先施工偏壓較大的一側(cè)。其次選擇臺(tái)階法,對(duì)全斷面法則要謹(jǐn)慎。

        (2)通過對(duì)該隧道的量測可知,實(shí)測的位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力較小且收斂較快,因此可將原設(shè)計(jì)中采用的“CD”法開挖的施工方法變更為采用臺(tái)階法開挖的施工方法。

        [1]陳秋南,張永興,等.連拱隧道的設(shè)計(jì)理論與動(dòng)態(tài)施工力學(xué)研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2005,(1):156-160.

        [2]劉庭金,朱合華,等.偏壓連拱隧道病害分析及治理措施[J].中國公路學(xué)報(bào),2005,(18):72-77.

        [3]劉濤,沈明榮,等.連拱隧道動(dòng)態(tài)施工模型試驗(yàn)與三維數(shù)值仿真模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,(25):1802-1808.

        [4]王松權(quán),陳逸群,等.大跨度軟弱圍巖公路隧道施工過程仿真[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究,2006,(27):52-56.

        [5]張顯書,劉新喜,等.襄武段聯(lián)拱隧道動(dòng)態(tài)施工力學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,(19):32-35.

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