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        軟弱圍巖隧道洞口段預(yù)加固技術(shù)分析與探究

        2020-05-13 02:39:16管連永
        四川水泥 2020年2期
        關(guān)鍵詞:管棚掌子面拱頂

        管連永

        (四川三江交通建設(shè)工程有限公司, 四川 宜賓 644000)

        0 引言

        近年來(lái),我國(guó)公路行業(yè)得到飛速發(fā)展,山區(qū)高度公路網(wǎng)日益完善,由于受到地形、線路等因素限制,勢(shì)必出現(xiàn)大量公路隧道,洞口段作為隧道的關(guān)鍵部分,因圍巖條件惡劣,需采用預(yù)加固措施,確保隧道施工的質(zhì)量與安全。對(duì)此,通過(guò)采用管棚與小導(dǎo)管等機(jī)理,使隧道洞口得到有效加固。

        1 管棚與小導(dǎo)管的作用機(jī)理

        1.1 圍巖壓力與變形

        在隧道開(kāi)挖過(guò)程中,因應(yīng)力狀態(tài)而改變的巖土體被稱為圍巖。在未開(kāi)挖時(shí),圍巖處于三向應(yīng)力狀態(tài),在開(kāi)挖后產(chǎn)生應(yīng)力重分布,狀態(tài)變?yōu)槎螒?yīng)力,如若穩(wěn)定則無(wú)需支護(hù),如若不穩(wěn)則需要支護(hù),此時(shí)圍巖狀態(tài)為三次應(yīng)力,在此過(guò)程中圍巖變形與應(yīng)力分布被稱為圍巖壓力。對(duì)該項(xiàng)指標(biāo)產(chǎn)生影響的因素眾多,如地址因素、工程因素等,在開(kāi)挖過(guò)程中,因受影響的因素不同,對(duì)圍巖的擾動(dòng)程度也有所區(qū)別,但隧道開(kāi)挖產(chǎn)生的圍巖變化與所處位置息息相關(guān),形成顯著的時(shí)空效應(yīng)。

        在隧道開(kāi)挖后,掌子面前后一定范圍內(nèi)的圍巖受應(yīng)力分布影響,可能出現(xiàn)些許變形。在淺埋隧道中,因圍巖的自承能力較弱,在上覆荷載后,很可能出現(xiàn)地表沉降,進(jìn)而影響地面建筑,如若未進(jìn)行控制,很容易因圍巖松弛而塌方。在圍巖縱向變形曲線中,共計(jì)分為三個(gè)階段,即前方超前變形階段、后方變形階段、變形穩(wěn)定段。根據(jù)開(kāi)挖面距離劃分,可分為微小變形段,變形量在20%—30%之間、急劇增加段,變形量在50%—60%之間、緩慢變形區(qū),變形量在10%—15%之間以及穩(wěn)定變形區(qū)[1]。

        1.2 管棚力學(xué)特點(diǎn)

        當(dāng)以管棚為預(yù)支護(hù)體系時(shí),通常與鋼拱架配合使用,將管棚鋼管埋入土體后,固定起來(lái),在隧道開(kāi)挖后,做好初期支護(hù)工作,將鋼管后方與鋼拱架固定,形成簡(jiǎn)易的支梁,通過(guò)鋼筋橫向連接的方式,使多根鋼管形成棚架體系,確保隧道工程的安全施工。

        通過(guò)對(duì)管棚的受力情況進(jìn)行分析,在隧道開(kāi)挖過(guò)程中,掌子面管棚段撓度達(dá)到最大,由于隧道洞口為淺埋地層,在開(kāi)挖后無(wú)法形成自承拱。對(duì)此,可對(duì)管棚上方土層施加荷載,構(gòu)建雙參數(shù)地基梁模型,模擬單根鋼管受力情況,如下圖1 所示。在洞口段,圍巖十分破碎,開(kāi)挖自承力極差。在對(duì)管棚受力情況分析后,忽視上層土層與管棚間的聯(lián)系,將土體重量施加在管棚上;對(duì)于未開(kāi)挖之處,按照圍巖變形規(guī)律,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)詩(shī)句,在掌子面前方形成松動(dòng)區(qū),使管棚的壓力增加。

        圖 1 管棚受力結(jié)構(gòu)圖

        由上圖1 可知,管棚受力分析可分為四段,一是在AB 段,隧道正在開(kāi)挖,且支護(hù)施工初步完成,上方荷載為上覆土重,按照地基梁進(jìn)行分析考慮;二是BC段,隧道正在開(kāi)挖,但未初支段,上方荷載為上覆土重;三是CD 段,尚未開(kāi)挖,受掌子面開(kāi)挖影響,出現(xiàn)變形松動(dòng)等情況,管棚下方土體尚未開(kāi)挖,管棚的上方土體受梯形荷載影響,下方受彈性抗力影響;四是DE 段,該段不受超前開(kāi)挖影響,單純受管棚下方彈性抗力作用。

        1.3 小導(dǎo)管自加固原理

        對(duì)于小導(dǎo)管技術(shù)來(lái)說(shuō),自加固原理包括三項(xiàng)作用,即錨桿作用、漿液通道作用與棚架作用,具體如下:

        2、錨桿作用。在實(shí)際操作中,按照隧道所處的地質(zhì)條件與錨桿形式,無(wú)論以何種作用為主體,另外幾項(xiàng)作用同樣存在。在聯(lián)結(jié)作用下,錨桿可將隧道中松散的巖層與巖塊相結(jié)合,也可打入小導(dǎo)管后,使巖層與巖塊融合;

        3、漿液通道作用。該技術(shù)可使地層情況發(fā)生改變,在施工過(guò)程中,可通過(guò)導(dǎo)管上方注漿孔使?jié){液注入巖層中,此時(shí)小導(dǎo)管起到漿液通道作用,并根據(jù)鉆孔位置進(jìn)行加工,使其成為花管,打入巖體后注入漿液,達(dá)到提前穩(wěn)定圍巖的目標(biāo);

        4、棚架作用。在洞室開(kāi)挖過(guò)程中,小導(dǎo)管可起到棚架作用,以掌子面鋼支撐段的土體為支點(diǎn),使中間段巖土體得以支撐,發(fā)揮縱向梁的作用。一般情況下,小導(dǎo)管長(zhǎng)度在3—6m 之間,開(kāi)挖進(jìn)尺為1.0—2.0m 范圍內(nèi),鋼拱架距離在0.5—1.0m之間,這樣不但可避免坍塌,還可確保施工人員安全[2]。

        2 管棚與小導(dǎo)管預(yù)加固方法的有限元分析

        2.1 計(jì)算原理

        有限元法將連續(xù)求解域變?yōu)橐粋€(gè)單元的組合體,在各個(gè)單元內(nèi)假定近似函數(shù)表示求解域中的未知場(chǎng)函數(shù),一般情況下,近似函數(shù)由單元節(jié)點(diǎn)處數(shù)值函數(shù)表現(xiàn)出來(lái),通過(guò)離散有限自由度來(lái)解決無(wú)限自由度問(wèn)題。在本文研究中,首先構(gòu)建數(shù)值模型,然后對(duì)隧道開(kāi)挖與支護(hù)進(jìn)行模擬,最終對(duì)塑性區(qū)進(jìn)行分析。

        2.2 數(shù)值模型構(gòu)建

        在本次模型計(jì)算中,通過(guò)數(shù)值分析的方式進(jìn)行模擬,對(duì)圍巖進(jìn)行小導(dǎo)管預(yù)管棚預(yù)加固后,使加固區(qū)的參數(shù)級(jí)別得以提升。因小導(dǎo)管與管棚的直徑不同,在環(huán)向間距一致時(shí),二者彈性模量存在一些差距。根據(jù)注漿加固圈的厚度,假設(shè)各項(xiàng)參數(shù)為管棚長(zhǎng)度為30m,小導(dǎo)管長(zhǎng)度為6m,外插角為1—3°,并且對(duì)漿液在圍巖中的擴(kuò)散半徑進(jìn)行分析,加固圈厚度為0.5—1m,構(gòu)建的數(shù)值模型如下:

        式中,R 代表的是漿液擴(kuò)散半徑,單位為m;L 代表的是鋼管中心距離,單位為m;E 代表的是折算后加固圈地層彈性模量,單位為GPa;ER代表的是原地層模量,單位為GPa;SR代表的是鋼管等效截面積,單位為m2;Sc 代表的是加固圈斷面面積,單位為m2。

        2.3 隧道開(kāi)挖與支護(hù)模擬

        在本次施工模擬中,針對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化,采用兩臺(tái)階法進(jìn)行開(kāi)挖,臺(tái)階的長(zhǎng)度為4m,一次施工結(jié)束后,應(yīng)立即開(kāi)展初期支護(hù),由于噴射混凝土對(duì)強(qiáng)度有一定要求,在初期噴射時(shí)強(qiáng)度較小,在開(kāi)挖過(guò)程中逐漸增加強(qiáng)度。在整個(gè)隧道施工中,通過(guò)MIDSA/GTS 中“鈍化”與“激活”的方式來(lái)實(shí)現(xiàn),由于隧道開(kāi)挖是一個(gè)持續(xù)性工作,可利用MIDSA/GTS 總施工建模助手,對(duì)整個(gè)施工工序進(jìn)行模擬,以此減少重復(fù)工作[3]。

        2.4 圍巖塑性區(qū)分析

        該指標(biāo)大小可體現(xiàn)隧道開(kāi)挖的穩(wěn)定性,在本次數(shù)值模擬中,對(duì)管棚加固與小導(dǎo)管預(yù)加固下塑性區(qū)范圍、大小進(jìn)行分析,特別是拱頂位置,應(yīng)明確二者的加固效果與適用條件,具體如下:

        一、隧道開(kāi)挖后,周?chē)霈F(xiàn)許多厚度不同的塑性區(qū),主要體現(xiàn)在加固區(qū)、拱頂、拱腰、邊墻與底部等部位,與之相比,邊墻處的塑性區(qū)發(fā)育更佳,受隧道形狀影響,邊墻與底部的應(yīng)力更易集中,且應(yīng)變最大值也易在此處出現(xiàn);

        二、在各工況下,塑性區(qū)最大值常出現(xiàn)在拱腳處,逐漸延伸到圍巖內(nèi)部,在圍巖較差的隧道中,塑性區(qū)通常蔓延至拱腳下方的2—4m,該處圍巖很容易被損壞,導(dǎo)致隧道失穩(wěn)。因此,在施工中邊墻與拱腳處的仰拱必須可靠;

        三、在預(yù)加固技術(shù)相同情況下,隨著埋深不斷增加,塑性區(qū)范圍也逐漸擴(kuò)大,特別是在圍巖條件較差時(shí),例如,管棚預(yù)加固中,V 級(jí)圍巖的埋深為30m 時(shí),塑性區(qū)的范圍占總體的10.2%,埋深為20m 時(shí),塑性區(qū)范圍占總體的7.6%,埋深為10m 時(shí),塑性區(qū)占總體的4.3%。

        3 軟弱圍巖隧道洞口段預(yù)加固技術(shù)的應(yīng)用

        3.1 工程概況

        峨漢高速公路豹貍崗隧道位于峨眉市金口河區(qū)大渡河右岸,隧道全長(zhǎng)約3.65km,為一座雙向四車(chē)道特長(zhǎng)高速公路隧道;最大開(kāi)挖輪廓約13m×10m,最大埋深約700m。隧址區(qū)域?qū)俑咧猩綅{谷地貌,隧道主要穿越炭質(zhì)板巖和砂質(zhì)板巖地層,巖體較破碎~極破碎,受復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重,近場(chǎng)地構(gòu)造主要有三角寺倒轉(zhuǎn)復(fù)背斜(M7)、金口河斷層(F11)、共安斷層(F11)以及金口河擠壓破碎帶,并且地下水豐富。基于以上復(fù)雜地質(zhì)特點(diǎn),在隧道的施工過(guò)程中遇到了軟弱圍巖和擠壓破碎帶大變形等系列問(wèn)題。

        3.2 預(yù)加固方案

        豹貍崗隧道洞身段主要為Ⅳ和V 級(jí)圍巖,V 級(jí)圍巖段采用上下臺(tái)階留核心土法,但由于施工過(guò)程中,局部地段洞身圍巖出現(xiàn)了較大的位移,因此基于施工進(jìn)度和圍巖變形控制要求,采用改進(jìn)的CRD 工法。在隧道具體施工過(guò)程中,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程地質(zhì)條件選擇合適的開(kāi)挖方法是保障隧道安全經(jīng)濟(jì)施工的重要前提。

        圖2 上下臺(tái)階留核心土法示意圖

        圖3 改進(jìn)的CRD 法示意圖

        3.3 測(cè)量要點(diǎn)

        在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量過(guò)程中,應(yīng)重視隧道情況,如若出現(xiàn)拱頂與周邊掉塊、坍塌、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變動(dòng)幅度加大、初支護(hù)變形等情況,應(yīng)及時(shí)采取有效措施進(jìn)行處理。在隧道拱頂、拱腰、拱腳處設(shè)置測(cè)量點(diǎn),并隨著時(shí)間變化繪制曲線,總結(jié)變化規(guī)律,一旦出現(xiàn)位移變化速率等問(wèn)題,在增量不減緩的情況下,應(yīng)立即采取措施加強(qiáng)支護(hù)力度,并尋找問(wèn)題所在,在后續(xù)施工中加強(qiáng)重視。隨著開(kāi)挖深度不斷增加,還應(yīng)隨時(shí)觀察圍巖狀態(tài)、裂隙、是否出現(xiàn)地下水等情況,對(duì)于地表很可能出現(xiàn)塌陷之處,應(yīng)密切監(jiān)視沉降變化,特別是在地面建筑區(qū)域,更要重視監(jiān)測(cè)頻率,對(duì)沉降段采取必要措施。在施工現(xiàn)場(chǎng)做好協(xié)調(diào)工作,以免施工與監(jiān)測(cè)量之間相互干擾。

        3.4 結(jié)果分析

        對(duì)于相同的測(cè)量斷面來(lái)說(shuō),采用同等量測(cè)頻率對(duì)拱頂下沉、地表沉降進(jìn)行量測(cè),根據(jù)道路施工規(guī)范,檢測(cè)頻率如下。

        3.4.1 拱頂下沉結(jié)果

        在YK10+282 斷面中,對(duì)該斷面的拱頂下沉進(jìn)行監(jiān)測(cè),通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)果可知:在上臺(tái)階掌子面達(dá)到監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí),下沉速率顯著提升,隨著掌子面的前移,沉降速率不斷降低,在下臺(tái)階到達(dá)斷面時(shí),拱頂下沉速率再次增加,沉降量也出現(xiàn)微小的變化,在增加后逐漸穩(wěn)定;在管棚預(yù)加固技術(shù)下,沉降穩(wěn)定后開(kāi)始后續(xù)開(kāi)挖,沒(méi)有出現(xiàn)明顯的突變,這說(shuō)明該技術(shù)科有效制約拱頂沉降,確保隧道安全施工。

        3.4.1 地表沉降結(jié)果

        在YK10+280 斷面中,對(duì)地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè),數(shù)據(jù)結(jié)果顯示:在與洞口相距10m 之處進(jìn)行開(kāi)挖,受施工、爆破等因素影響,監(jiān)測(cè)面出現(xiàn)微小的沉降,當(dāng)上臺(tái)階位于該斷面附近時(shí),地表沉降速率增加,隨后逐漸趨于平穩(wěn),當(dāng)下臺(tái)階到達(dá)該斷面時(shí),沉降速率發(fā)生突變,沉降值也隨之增加,然后降低,最終在5.902mm 處趨于平穩(wěn)。由此可見(jiàn),數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)的結(jié)果基本一致,軟弱圍巖隧道合理預(yù)加固技術(shù)高效可行[4]。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        綜上所述,本文通過(guò)案例分析的方式,在現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上構(gòu)建數(shù)值模型,對(duì)洞口段不同埋深、圍巖級(jí)別下,管棚與小導(dǎo)管預(yù)加固受力和變形規(guī)律進(jìn)行分析,與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控測(cè)量結(jié)果相結(jié)合,使數(shù)值計(jì)算結(jié)果更加精準(zhǔn),為實(shí)體工程的施工與建設(shè)提供有力依據(jù)。

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