王學(xué)增
(中交一公局橋隧工程有限公司,河北高碑店074000)
昌寧高速石馬隧道圍巖穩(wěn)定性分析
王學(xué)增*
(中交一公局橋隧工程有限公司,河北高碑店074000)
以江西昌寧高速石馬隧道為例,采用現(xiàn)場監(jiān)控量測和數(shù)值計算的方法,分析評價了該隧道在施工全過程的圍巖穩(wěn)定性情況。分析結(jié)果表明設(shè)計方案實際可行,現(xiàn)場隧道實際變形量較小,硐室安全穩(wěn)定。
隧道;監(jiān)控測量;數(shù)值模擬;穩(wěn)定性
南昌至寧都高速公路岡上至寧都段是起于南昌縣岡上鎮(zhèn)境內(nèi)的滬昆高速公路上,經(jīng)南昌縣、豐城市、樂安縣、永豐縣,終于寧都縣賴村鎮(zhèn)境內(nèi)的泉南高速公路上,路線全長248.601km。石馬隧道為一分離式隧道,其起止樁號為ZK175+035~ZK178+195,隧道長度為3160m,凈空寬×高為10.75m×5m,該隧道屬于公路特長隧道。進(jìn)洞口左線設(shè)計標(biāo)高302.019m,右線設(shè)計標(biāo)高302.132m,隧道洞軸線走向大致為南至北走向。
隧道洞身圍巖主要為Ⅳ級圍巖,采用超前錨桿預(yù)注漿預(yù)加固,開挖施工采用中長臺階法,盡量采用人工配合挖機開挖,每循環(huán)進(jìn)尺控制在2m以內(nèi)(破碎帶及淺埋段每循環(huán)進(jìn)尺控制在1.4m以內(nèi))。臺階長度控制在15~30m,裝載機配合大型運輸車裝渣運輸。施工順序:上半斷面開挖→上半斷面支護→下半斷面開挖→下半斷面支護→仰拱、填充→拱墻襯砌。
隧道開挖分為上臺階、下臺階、仰拱3個部分分部開挖:上臺階長度15~30m,每循環(huán)進(jìn)尺不超過2榀鋼架間距;仰拱每次開挖及支護不超過6m,每組仰拱填充砼澆筑長度12m,仰拱距掌子面距離不大于50m,襯砌距掌子面距離不大于90m。上臺階開挖,開挖作業(yè)高度5.0m,裝載機裝渣,人工搭設(shè)簡易操作平臺,鉆眼、裝藥、引爆,每循環(huán)進(jìn)尺2m左右,開挖一環(huán)后立即噴混凝土3~5cm,及時按設(shè)計要求打錨桿,掛網(wǎng)、安裝鋼支撐,并打設(shè)鎖腳錨桿進(jìn)行固定。鋼支撐懸空或者底部不密實時,在底部安裝砼墊塊。利用上臺階挖掘機扒渣及安裝鋼支撐、鋼筋網(wǎng)時間同步在下臺階采用裝載機配合自卸汽車出渣,出渣完畢后立即噴混凝土3~5cm,及時按設(shè)計要求打錨桿,掛網(wǎng)、安裝鋼支撐,并打設(shè)鎖腳錨桿進(jìn)行固定。上下臺階同時噴射砼封閉。開挖仰拱,每循環(huán)進(jìn)尺不大于6m,施作初期支護,仰拱砼澆筑每模長度6m,仰拱施工期間通過棧橋保持通行。
3.1 計算模型
有限元模型區(qū)域取約5倍洞徑范圍,區(qū)域高60.0m、寬130.0m,其中隧道位于模型區(qū)域中心,有限元計算按照平面應(yīng)變問題進(jìn)行分析,計算單元采用四邊形及三角形單元,計算模型共有單元5072個、節(jié)點7791個,其中隧道開挖區(qū)域單元720個,節(jié)點1083個,計算模型左、右邊界和下邊界施加豎直方向和水平方向的約束。
3.2 有限元計算結(jié)果
圖1是隧道下臺階開挖后圍巖位移場等值線云圖,其中豎向位移向上為正,向下為負(fù),水平位移向左為正,向右為負(fù),位移單位為米。
由圖1可見,拱頂最大沉降量為6mm,同時拱底向上抬升,其最大位移值為3mm,而隧道周邊圍巖水平位移的總體趨勢為使隧道徑向收斂,但位移量較小。隧道開挖后,由于圍巖應(yīng)力重新分布,在圍巖局部應(yīng)力集中的區(qū)域會造成圍巖剪切破壞或拉伸破壞。隧道周邊圍巖在開挖后,拱腳附近的圍巖處于塑性狀態(tài),呈現(xiàn)剪切破壞。通過塑性圖可知隧道此斷面處圍巖的自穩(wěn)性較差,開挖后應(yīng)及時進(jìn)行支護。
為驗證上述理論計算結(jié)果的正確性,對石馬隧道的圍巖變形情況進(jìn)行了長期的監(jiān)控量測,拱頂沉降監(jiān)測采用精密水準(zhǔn)儀,凈空收斂監(jiān)測采用收斂尺。圖2為石馬隧道ZK175+900處拱頂沉降和凈空收斂監(jiān)測結(jié)果。
圖1 隧道開挖后的豎向位移(m)
圖2 拱頂沉降和凈空收斂監(jiān)測結(jié)果
從圖2可以看出,隧道開挖后拱頂發(fā)生沉降,在25d左右變化穩(wěn)定,最終沉降量為7.5mm,凈空收斂在10d左右穩(wěn)定,收斂值為3~5mm。
(1)江西昌寧高速石馬隧道,隧道洞身圍巖條件較差,主要以Ⅳ級圍巖,設(shè)計采用超前錨桿預(yù)注漿加固,開挖施工采用中長臺階法。數(shù)值計算表明,隧道豎向位移和水平向位移較小,隧道開挖后拱腳附近的圍巖處于塑性狀態(tài),呈剪切破壞。現(xiàn)場監(jiān)控量測表明數(shù)據(jù)前期變化較大,后期不斷穩(wěn)定,隧道總體變化量較小。
(2)隧道總體上處于穩(wěn)定狀態(tài),設(shè)計方案實際可行,但開挖后應(yīng)及時支護,防止塑性區(qū)持續(xù)發(fā)展,造成硐室失穩(wěn)。
[1]張繼勛,劉秋生.地下工程圍巖穩(wěn)定性分析方法現(xiàn)狀與不足[J].水利科技與經(jīng)濟,2005,11(2):71-74.
[2]許傳華,任青文.地下工程圍巖穩(wěn)定性的模糊綜合評判法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,23(11):1852-1855.
[3]連建發(fā),慎乃齊,張杰坤.基于可拓方法的地下工程圍巖評價研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,23(9):1450-1453.
[4]范文,俞茂宏,孫萍,等.硐室形變圍巖壓力彈塑性分析的統(tǒng)一解[J].長安大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2003,23(3):14.
[5]李斯海.廈門市仙岳山隧道圍巖穩(wěn)定性三維有限元計算分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2000,19(2):211-214.
[6]王海軍,張社榮,練繼建.大型水電站導(dǎo)流洞圍巖穩(wěn)定分析[J].巖土工程學(xué)報,2006,28(7):869-873.
U452.12
A
1004-5716(2015)12-0163-02
2014-12-13
2014-12-17
王學(xué)增(1986-),男(漢族),山東聊城人,助理工程師,現(xiàn)從事公路工程施工工作。