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        某隧道塌方段支護(hù)變更設(shè)計(jì)及其安全驗(yàn)核

        2017-01-05 07:54:36
        福建交通科技 2016年6期
        關(guān)鍵詞:圍巖有限元結(jié)構(gòu)

        (福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院,福州 350004)

        某隧道塌方段支護(hù)變更設(shè)計(jì)及其安全驗(yàn)核

        ■馮希林

        (福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院,福州 350004)

        對(duì)某在建隧道塌方段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,認(rèn)為原支護(hù)設(shè)計(jì)不能滿足強(qiáng)度要求,并提出Z5-2復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)支護(hù)的變更方案?;诤奢d-結(jié)構(gòu)法和泰沙基理論,利用MIDAS-GTS軟件對(duì)Z5-2襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行塌方后隧道圍巖壓力計(jì)算模型模擬分析,驗(yàn)核各測(cè)點(diǎn)安全系數(shù)是否滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,結(jié)果可為類似隧道問(wèn)題提供借鑒。

        塌方 泰沙基理論 荷載-結(jié)構(gòu)法 襯砌支護(hù) 變更設(shè)計(jì)

        1 工程概況

        某在建隧道全長(zhǎng)2613.5m,為分離式雙洞四車道。其中左洞全長(zhǎng)2627m,右洞全長(zhǎng)2627m。左右洞進(jìn)口段分別位于半徑為R=1196.5m、R=1203.5m的平面曲線內(nèi),左右洞出口分別位于半徑為R=596.5m、R=590m的平面曲線內(nèi)。

        該隧道開(kāi)挖至YK45+028附近時(shí)發(fā)生塌方,坍塌體里程為Y45+028~YK45+030,坍塌段拱頂?shù)乇硇纬梢粋€(gè)約5m×5m的近似圓形陷穴,地表坍塌中心位于隧中側(cè)左的位置,坍塌底部最深處離原地表約為3m。塌方體長(zhǎng)度約為2m,坍腔高度約為28.61~29.55m。選取典型斷面,即塌方段樁號(hào)YK45+028處縱斷面,該段距右洞出口約167m,如圖1所示。

        圖1 塌方段縱斷面示意圖

        由于該塌方段地質(zhì)為Ⅴ級(jí)圍巖,原設(shè)計(jì)襯砌形式為Z5。但由于塌方引起圍巖擾動(dòng)[1],因此需對(duì)原有襯砌形式進(jìn)行變更設(shè)計(jì)。

        2 襯砌形式變更設(shè)計(jì)

        2.1 塌方段現(xiàn)場(chǎng)處置方案

        首先加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè),對(duì)于塌方體后方的初期支護(hù)應(yīng)進(jìn)行臨時(shí)加固,每榀鋼支撐用1根工25b型鋼作為臨時(shí)豎撐,并加強(qiáng)縱橫向豎撐之間的連結(jié),保證臨時(shí)豎撐的整體受力,臨時(shí)豎撐應(yīng)做好基礎(chǔ)和原鋼支撐的連接,以確保塌方處理人員的施工安全。用沙包對(duì)塌方體坡腳進(jìn)行反壓回填,然后在其表面噴一層20cm厚的C25早強(qiáng)混凝土將塌方體封閉,且根據(jù)具體情況在塌方體上設(shè)置平孔排水,然后在塌方體表面打入Φ50mm長(zhǎng) 5m的小導(dǎo)管[2-3],梅花形布設(shè),間距為100cm×100cm,如圖2。加壓注漿以固結(jié)塌方體保證洞內(nèi)塌方體的穩(wěn)定。

        圖2 注漿孔布置圖(單位:cm)

        2.2塌方段襯砌形式變更方案

        根據(jù) 《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2004)、《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70-2010)、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,需改變強(qiáng)化塌方段落的支護(hù)結(jié)構(gòu)[4,5]。具體方案為:超前支護(hù)采用F2-2型雙層小導(dǎo)管注漿,復(fù)合式襯砌支護(hù)由原設(shè)計(jì)的Z5型改為Z5-2型,其中工20b鋼支撐間距為0.5m,二襯施工前要對(duì)初支內(nèi)腔進(jìn)行測(cè)量,并判斷初支內(nèi)輪廓是否侵入二襯。Z5-2襯砌結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

        3 計(jì)算參數(shù)及荷載

        3.1 圍巖及襯砌力學(xué)參數(shù)

        隧道圍巖及Z5-2復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1及表2所示。

        3.2 圍巖壓力計(jì)算

        隧道塌方段位于V級(jí)深埋段,埋深34m,考慮隧道預(yù)留變形量,開(kāi)挖跨度為Bt=12.42m,開(kāi)挖高度Ht=10.44m。設(shè)計(jì)荷載根據(jù) 《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70-2010)深埋單洞隧道圍巖壓力經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,計(jì)算模型如圖4。

        圖3 Z5-2復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)圖(單位:cm)

        表1 V圍巖計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)表

        表2 Z5-2支護(hù)力學(xué)參數(shù)表

        圖4 深埋隧道圍巖壓力

        由于隧道頂塌方冒頂形成的寬約2.5m塌方體可視為散粒體,采用K·泰沙基理論[6]近似計(jì)算塌方體土柱對(duì)隧道產(chǎn)生的附加荷載,K值取為1.25,不考慮散粒體粘聚力和圍巖內(nèi)摩擦角,簡(jiǎn)化計(jì)算圖示如圖5,最終圍巖壓力如圖6所示。

        圖5 塌方體附加荷載簡(jiǎn)化計(jì)算圖示(單位:m)

        圖6 最終圍巖壓力圖示

        4 襯砌支護(hù)數(shù)值模擬

        4.1 有限元計(jì)算模型

        本次計(jì)算基于荷載-結(jié)構(gòu)法[7,8],采用MIDAS-GTS有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算內(nèi)容包括初支與二砌,采用梁?jiǎn)挝荒M襯砌結(jié)構(gòu),圍巖對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的作用采用彈性連接(受壓)單元模擬。初支及襯砌有限元模型如圖7。

        圖7 有限元計(jì)算模型

        4.2 初支計(jì)算結(jié)果

        根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行驗(yàn)算,采用綜合安全系數(shù)法,其中最不利位置位于拱頂4號(hào)節(jié)點(diǎn)處,其軸力為1310.7kN,彎矩為129.18kN·m,位移值為13.1mm,安全系數(shù)為 1.67,滿足規(guī)范要求。驗(yàn)算施工階段的強(qiáng)度時(shí),安全系數(shù)采用上述規(guī)范“永久荷載+基本可變荷載+其它可變荷載”欄內(nèi)的數(shù)值乘以折減系數(shù)0.9,得出其安全系數(shù)應(yīng)大于1.53。初支計(jì)算軸力圖、彎矩圖及位移如圖8所示,驗(yàn)算數(shù)值如表3。

        圖8 初支模擬計(jì)算結(jié)果

        表3 初支內(nèi)力及安全系數(shù)驗(yàn)算表

        4.3 二襯計(jì)算結(jié)果

        根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行驗(yàn)算,采用綜合安全系數(shù)法,其中最不利位置位于拱頂 4號(hào)節(jié)點(diǎn)處,軸力為 899.04kN,彎矩為415.04kN·m,位移為8.6mm,安全系數(shù)為2.56,滿足《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2004)中安全系數(shù)應(yīng)大于2.0的要求。模擬計(jì)算結(jié)果如圖9所示,驗(yàn)算數(shù)值如表4所示。

        圖9 二襯模擬計(jì)算結(jié)果

        表4 二襯內(nèi)力及安全系數(shù)驗(yàn)算表

        4.4 計(jì)算結(jié)果分析

        利用MIDAS-GTS有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,計(jì)算初支及二襯的軸力,彎矩及位移,按照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范,安全系數(shù)驗(yàn)算均滿足要求。即使在最不利位置即拱頂4號(hào)節(jié)點(diǎn)處,其安全系數(shù)最小,但仍能滿足要求,證明Z5-2復(fù)合襯砌支護(hù)的強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范要求,變更設(shè)計(jì)方案可行。

        5 結(jié)論

        通過(guò)對(duì)某隧道塌方原因分析,并提出現(xiàn)場(chǎng)處置方案,需要對(duì)支護(hù)形式進(jìn)行變更設(shè)計(jì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)-荷載法和泰沙基理論,并利用MIDAS-GTS有限元軟件,對(duì)變更設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值模擬,計(jì)算隧道各節(jié)點(diǎn)相關(guān)數(shù)值,并驗(yàn)算安全系數(shù)。證明Z5-2復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)能夠滿足規(guī)范要求,對(duì)塌方段可以進(jìn)行可靠有效支撐,該襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)可為類似隧道提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

        [1]范志新.隧道塌方處理技術(shù)研究[J].交通世界(建養(yǎng).機(jī)械),2016,03: 78-79.

        [2]張延峰.長(zhǎng)管棚配合小導(dǎo)管輔助施工方法在隧道塌方處理中的應(yīng)用[J].公路交通技術(shù),2016,04:1-5.

        [3]徐利鋒.小導(dǎo)管超前注漿在整治隧道塌方施工中的應(yīng)用[J].福建建設(shè)科技,2001,04:29-30.

        [4]周澤林,陳壽根,張海生,李巖松.高地應(yīng)力軟巖隧洞襯砌結(jié)構(gòu)受力及強(qiáng)度安全系數(shù)研究[J].工業(yè)建筑,2014,12:95-101.

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