黨 丁 李 暾
中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司
近些年來,我國公路隧道在山嶺區(qū)域越建越多,通??紤]到道路的線性要求,大部分隧道的隧址區(qū)通常無法避免危險區(qū)域,例如富水強風(fēng)化巖區(qū)域。隧道穿越富水強風(fēng)化巖區(qū)域時,容易失穩(wěn),會出現(xiàn)初期支護變形大,局部變形等問題。根據(jù)施工現(xiàn)場監(jiān)測,洞內(nèi)外觀測分析其原因,一方面時圍巖本身物理性質(zhì),較為破碎,表現(xiàn)為摩擦角大,粘聚力小,二是圍巖遇水軟化,容易失穩(wěn),自身承載能力降低,及其依賴初期支護與二次襯砌的承載能力[1]。另外施工過程中過多的擾動對于圍巖的穩(wěn)定性容易造成影響,尤其是CRD法開挖,以及過多、過長的系統(tǒng)錨桿打設(shè),增加了機械施工對圍巖的擾動時間。通過文獻(xiàn)綜述總結(jié)可知:國內(nèi)很多松散地層例如砂卵石地層的施工開始注重施工期間的擾動,在必要時,不施作系統(tǒng)錨桿。富水強風(fēng)化巖區(qū)域容易失穩(wěn),對于施工的擾動十分敏感,結(jié)合以往工程實例分析可知,富水強風(fēng)化巖區(qū)域常見工程災(zāi)害,有圍巖失穩(wěn),襯砌破損、洞口坍塌等。引發(fā)這些工程災(zāi)害最常見的因素就是水和斷裂帶,這兩者在富水強風(fēng)化巖區(qū)域較為常見,這給隧道施工帶來極大的不利。本文依托黃江1號隧道,根據(jù)隧道建設(shè)經(jīng)驗,對隧道的支護結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化措施,取消系統(tǒng)錨桿,增加鎖腳錨桿,并對隧道壁后空洞進行注漿增加圍巖的穩(wěn)定性。由于工程已經(jīng)結(jié)束,通過有限元法進行模擬,所得結(jié)論以期為隧道支護修正,經(jīng)驗積累提供參考。
黃江1號隧道位于位于廣東省河源市龍川縣黃布鎮(zhèn)松陽村附近,左線隧道長550m,右線隧道長560m,為中隧道。分離雙洞,測設(shè)線間距約21.8m~29.5m。該隧道區(qū)屬丘陵地貌,區(qū)內(nèi)地表水系稍發(fā)育,地表水主要為大氣降水形成的地表面流,地表徑流條件較好,隧道進、出口位于斜坡上,分布標(biāo)高較高,均有溝谷通過,匯水面積大,水量多。隧道建設(shè)過程中,掌子面時常滲水,圍巖收斂速度隨著下臺階、仰拱施作會有小幅度的增加。
錨桿的作用傳統(tǒng)的認(rèn)為是加固壓縮圍巖、懸吊作用,組合梁作用,但是對于破碎的強風(fēng)化巖巖體,錨桿不但難以起到作用,過多的擾動還會導(dǎo)致巖體破裂,隧道原設(shè)計系統(tǒng)錨桿在兩側(cè)邊墻打入自進式錨桿,但由于錨桿打入深度不足,效果不佳,取消系統(tǒng)錨桿。鎖腳錨桿支撐鋼架,不可取消也無法代替,考慮到圍巖初期壓力較大以及錨桿打入效果較差甚至失效等問題,或是將原設(shè)計鎖腳錨桿3.6m,單組設(shè)置,改為鎖腳錨桿1.8m,同一位置設(shè)置兩組。
對于圍巖的松散結(jié)構(gòu),有的地方不連續(xù),壁后空洞形成后會逐漸向上移動,圍巖的運動會導(dǎo)致承載能力的下降,甚至是發(fā)生小型坍塌,根據(jù)圍巖監(jiān)測所表現(xiàn)的初期支護收斂速度曲線來看,在小段時間內(nèi)速度存在突然增大的現(xiàn)象。除了測量誤差之外,更多的是圍巖的擾動。因此在支護結(jié)構(gòu)環(huán)向每隔1.5m預(yù)留一注漿管,在下部臺階施工完后進行上一臺階的注漿工作,確保初期支護背后連續(xù)完整。
采用有限元軟件MIDAS建立隧道通過富水強風(fēng)化巖地層數(shù)值模型。圍巖區(qū)域尺寸選取長×高為45m×40m,圍巖分為3個地層,各層深度依次為雜填土7m、粉質(zhì)細(xì)土10m、強風(fēng)化巖23m,采用摩爾-庫倫本構(gòu)。隧道凈高隧道建筑限界凈高4.8m,凈寬12.4m。隧道初期支護厚度28cm(C25噴射混凝土)、二次襯砌厚度60cm(C35 鋼筋混凝土)均采用板單元模擬,彈性本構(gòu)。鎖腳錨桿采用Φ51 自進式中空注漿錨桿;考慮到注漿錨桿注漿對圍巖的加固作用,注漿錨桿加固區(qū)域成一個小管棚式的加固區(qū),加固區(qū)中包含注漿錨桿,錨桿類采用植入式桁架單元模擬,彈性本構(gòu),路基及仰拱厚度2.4m采用摩爾-庫倫本構(gòu)。模型2是初支優(yōu)化模型,取消系統(tǒng)錨桿,增加鎖腳錨桿,建立等效加固區(qū)。模型邊界條件采用自由約束,即位移邊界條件,荷載為自重荷載。模型參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場測試所得數(shù)據(jù)以及JTG/TD 70—2010《公路隧道設(shè)計細(xì)則》選取。
圖1 有限元模型及參數(shù)
隧道開挖方法為三臺階預(yù)留核心土法,通過初期支護優(yōu)化,工程造價減小了。通過有限元結(jié)果分析判斷是否會對隧道質(zhì)量造成影響。由于計算后,云圖結(jié)果過多,不一一進行展示,僅對其結(jié)果進行描述。從模型豎向位移結(jié)果分析,模型總體沉降最大值處于拱頂?shù)奈恢锰帲O(shè)計模型沉降最大值29.2mm,支護優(yōu)化模型沉降值為21.58mm,僅為原模型沉降值的73.82%;從模型橫向位移結(jié)果分析,模型橫向位移最大值處于拱腰位置,呈收斂趨勢,原設(shè)計周邊收斂最大值約為12.10mm,支護優(yōu)化模型周邊收斂最大值約為8.69mm,僅為原模型周邊收斂值的71.82%。從數(shù)值模擬的結(jié)論來看,對于富水強風(fēng)化巖,鎖腳錨桿以及注漿加固效果優(yōu)于系統(tǒng)錨桿的加固效果。模型的模擬無法體現(xiàn)施工的擾動,在實際工程中,系統(tǒng)錨桿的打設(shè)對于圍巖的擾動遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鎖腳錨桿和注漿區(qū)域的施作。因此可以判斷對初期支護進行優(yōu)化后,不僅節(jié)省了工程造價,對于工程的穩(wěn)定有益。
在取消系統(tǒng)錨桿后,觀察鎖腳錨桿的受力情況可知:原設(shè)計模型鎖腳錨桿軸力受壓為主,上臺階鎖腳錨桿軸力相對于中臺階、下臺階的更大。原設(shè)計模型鎖腳錨桿軸力最大值為2719kN,取消系統(tǒng)錨桿后,初支優(yōu)化模型鎖腳錨桿軸力減少至2367kN,錨桿軸力為原設(shè)計的87.1%。原來錨桿一組為2 根,支護優(yōu)化后,鎖腳錨桿為兩組,但總長度不變,從數(shù)值模擬結(jié)果可以推測初支優(yōu)化后鎖腳錨桿的有效錨固長度增加了。另外錨桿打設(shè)過程可能存在錨固失效等情況。設(shè)置多組錨桿,如果有某根錨桿失效后,另外的錨桿可以承擔(dān)壓力。多組鎖腳錨桿的設(shè)置方式有利于防止單根鎖腳錨桿失效后,鎖腳錨桿失去其本身的加固作用。
壁后注漿能夠改善圍巖狀況,減少空洞現(xiàn)象,這一點是有限元軟件無法體現(xiàn)的優(yōu)勢,但是壁后注漿對于圍巖的加固作用,有限元軟件可以體現(xiàn)。在初期支護兩側(cè)建立了等效加固區(qū)模擬施工過程中的注漿作用。初期支護結(jié)構(gòu)受力最大處為拱腰區(qū)域,在對拱腰區(qū)域進行加固后,拱腰區(qū)域受力仍然最大,表現(xiàn)為受壓,這和公路隧道設(shè)計的線型相關(guān)。原設(shè)計模型初支軸力最大值為637kN,在進行初支優(yōu)化后模型初支軸力最大值為531kN,僅為原設(shè)計模型的83.4%。壁后注漿改善了初期支護受力狀況,減小了初期支護上承受的內(nèi)力,有利于圍巖的穩(wěn)定性。該隧道的工況決定了初期支護最大內(nèi)力位于拱腰及拱腳位置,對于兩側(cè)的壁后注漿是極為必要的。
從原模型二次襯砌應(yīng)力分析結(jié)果來看,隧道拱頂部位表現(xiàn)為拉應(yīng)力,應(yīng)力最大值為7.88kPa,隧道拱腰位置表現(xiàn)為壓應(yīng)力,應(yīng)力最大值為111.3kPa;通過初支優(yōu)化設(shè)計后,隧道拱頂部位表現(xiàn)為拉應(yīng)力,應(yīng)力最大值為6.91kPa,隧道拱腰位置表現(xiàn)為壓應(yīng)力,應(yīng)力最大值為111.5kPa;拉應(yīng)力有所減小,考慮到本依托工程原設(shè)計的合理性,初期支護優(yōu)化后,二襯作為安全儲備,安全性能仍然較高。
在對隧道進行施工后,根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果所反映出來的問題,對支護結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。通過有限元數(shù)值模擬分析可以得知,對支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,在富水強風(fēng)化巖區(qū)域修建隧道沉降值減小至原來的73.82%。鎖腳錨桿受力減小,可見總有效錨固長度增加了。初期支護所承受軸力僅為原來的的83.4%。初期支護優(yōu)化方案更有利于隧道穩(wěn)定,同時造價更少。
對于系統(tǒng)錨桿的取消,減小鎖腳錨桿長度,增加鎖腳錨桿數(shù)量并對圍巖背后進行注漿加固通過數(shù)值模擬的分析對隧道結(jié)構(gòu)不會造成不良影響。但對于系統(tǒng)錨桿取消這一點建議通過實驗等方式,進行驗證,在今后的隧道建設(shè)中對結(jié)果進行驗證。