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        全風(fēng)化地層大斷面隧道洞口預(yù)加固技術(shù)模擬分析

        2020-07-20 12:01:30張志強(qiáng)
        四川建筑 2020年2期
        關(guān)鍵詞:管棚掌子面拱頂

        陳 昕,張志強(qiáng)

        (西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實驗室,四川成都 610031)

        隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展,公路及鐵路隧道的建設(shè)將越來越多,會有大量隧道洞口面臨淺埋、軟弱圍巖等不良地質(zhì)情況[1-3]。全風(fēng)化花崗巖地層大斷面隧道洞口施工工序繁多,由于圍巖多次擾動,圍巖應(yīng)力及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況復(fù)雜[4],因此選擇合理的預(yù)加固技術(shù)并充分認(rèn)識在預(yù)加固條件下圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特征和受力特征對保證隧道洞口段圍巖及山體穩(wěn)定具有重要意義[5-6]。

        本文依托汕湛高速公路全風(fēng)化花崗巖橫山隧道,建立較為逼真的三維數(shù)值模型,基于Flac3D有限差分法對管棚和超前注漿小導(dǎo)管兩種洞口預(yù)加固技術(shù)進(jìn)行了模擬對比,分析了在預(yù)加固條件下圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形特征、掌子面穩(wěn)定性,得出的結(jié)論對類似工程的設(shè)計及施工有借鑒和參考意義。

        1 工程概況

        橫山隧道位于汕湛高速公路汕頭至揭西段附近。該隧道為一座分離式雙洞長隧道,穿過丘陵地貌區(qū)。隧道界限寬度15.25 m,開挖斷面為131.74~170.93 m3。隧道進(jìn)、出口洞口段埋深約10 m,圍巖極破碎,濕水易軟化,巖石主要成分為全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,局部見中風(fēng)化花崗巖,圍巖級別V級。

        2 隧道計算模型及參數(shù)

        本文采用有限差分模擬軟件Flac3D對橫山隧道的預(yù)加固和開挖進(jìn)行動態(tài)模擬和監(jiān)測。隧道埋深取10 m,不考慮地表起伏,X方向長75 m(隧道水平方向)、Y方向長80 m(隧道開挖方向)和Z方向高50 m(豎直方向)。圍巖、初期支護(hù)采用六面體單元進(jìn)行模擬,預(yù)加固措施中管棚采用Beam單元模擬,超前注漿小導(dǎo)管采用Cable單元模擬,注漿加固則采取加強(qiáng)注漿圈內(nèi)圍巖材料參數(shù)的方式進(jìn)行模擬。開挖方式為全斷面開挖,采取開挖一步支護(hù)上一步的方式循環(huán)開挖,每個開挖步長度2 m,共開挖10步。計算模型如圖1所示,圍巖和初期支護(hù)示意圖見圖2,材料參數(shù)見表1。

        3 計算結(jié)果分析

        3.1 圍巖變形特征分析

        為了避免邊界效應(yīng)的影響,主要分析兩種預(yù)加固方式下隧道開挖20 m后,Y=10 m截面的圍巖變形和地表位移,圖3中STEP表示Flac3D迭代步數(shù)。

        圖1 橫山隧道三維數(shù)值模型

        (a)管棚

        表1 圍巖與初期支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)

        圖3 Y=10m斷面的拱頂沉降值變化曲線

        (1)拱頂下沉分析

        如圖3所示,從隧道的拱頂沉降變化趨勢來看,超前注漿小導(dǎo)管在開挖進(jìn)行至約600個迭代步后,拱頂沉降就開始快速增加,而施加管棚后,開始階段沉降值基本為零,直到開挖至約2 400個迭代步后沉降速度才開始逐漸增加到與前者同一水平。這說明管棚相對超前注漿小導(dǎo)管來說能對早期的沉降增加產(chǎn)生較強(qiáng)的控制作用,而最終兩種加固方法的沉降速度將趨于一致。

        (2)水平收斂位移分析

        如圖4所示,隧道開挖的初始階段,超前注漿小導(dǎo)管加固下圍巖的水平收斂值略大于管棚,但其曲線的斜率從始至終變化不大,增長比較平緩;而管棚的水平收斂變化趨勢為初始增加緩慢,而到迭代步達(dá)到2 000左右時開始快速增加,最終產(chǎn)生的收斂值反而比超前注漿小導(dǎo)管更大。這說明管棚在開挖早期對隧道水平收斂有較強(qiáng)的約束作用,而超前注漿小導(dǎo)管預(yù)加固則在更長的范圍內(nèi)更有優(yōu)勢。

        圖4 Y=10 m斷面的拱腰處水平收斂值變化曲線

        (3)地表沉降分析

        如圖5所示,管棚預(yù)加固下地表沉降相對更小,沉降值基本集中在80 mm附近,而超前注漿小導(dǎo)管加固的沉降最大值達(dá)到了223 mm,且地表沉降大小和水平方向坐標(biāo)基本呈現(xiàn)出二次函數(shù)相關(guān)。

        兩種預(yù)加固方式下隧道開挖在Y=10 m處產(chǎn)生的圍巖變形量統(tǒng)計見表2。

        圖5 Y=10m截面的地表沉降值

        表2 兩種預(yù)加固方式下圍巖變形結(jié)果 mm

        3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

        在Y=10 m處初期支護(hù)的彎矩和軸力結(jié)果如表3、表4所示。

        表3 初期支護(hù)各部位彎矩大小對比 kN·m

        表4 初期支護(hù)各部位軸力大小對比 kN

        (1)與超前注漿小導(dǎo)管相比,管棚預(yù)加固條件下初期支護(hù)拱頂、拱肩處彎矩分別僅為前者的68 %和58 %,拱肩處則軸力為前者的兩倍,而其他位置則基本一致。這說明,以上兩種預(yù)加固方式在初支彎矩上的區(qū)別僅限于上部結(jié)構(gòu),管棚能有效降低拱肩部初支的彎矩,而超前注漿小導(dǎo)管則可以有效降低拱頂部初支的軸力。

        (2)由于素混凝土抗拉強(qiáng)度較低,所以截面內(nèi)力的偏心距越大,截面上越容易產(chǎn)生拉應(yīng)力。通過表3、表4可得,超前注漿小導(dǎo)管預(yù)加固的最大偏心距出現(xiàn)在拱頂位置,為0.187 m,管棚預(yù)加固下最大偏心距出現(xiàn)在拱腰位置,為0.136 m,顯然相比超前小導(dǎo)管注漿加固,管棚預(yù)加固下初支安全性更高。這說明從偏心距大小來看,要提升初期支護(hù)的穩(wěn)定性,管棚相對超前注漿小導(dǎo)管更加有效。

        3.3 掌子面穩(wěn)定性分析

        選取隧道開挖至Y=20 m時的掌子面作為分析對象,得到隧道掌子面中心線法向擠出量分布圖和掌子面擠出變形云圖,分別如圖6、圖7所示。

        從圖6可知,在超前注漿小導(dǎo)管預(yù)加固條件下,掌子面變形較大,最大值達(dá)到61 mm,而管棚預(yù)加固條件下掌子面法向擠出位移最大值僅為33 mm。

        而從圖7所示掌子面內(nèi)部巖體Y方向位移云圖可知,管棚預(yù)加固下掌子面變形量在掌子面內(nèi)和法向方向的分布比較都較為均勻,而超前注漿小導(dǎo)管加固下掌子面中心位置的變形則明顯高于掌子面四周。這說明管棚在控制掌子面變形大小和不均勻形變上相比超前注漿小導(dǎo)管有較大的優(yōu)勢。

        4 結(jié)論

        基于對全風(fēng)化地層大斷面隧道采用管棚和超前注漿小導(dǎo)

        圖6 Y=20 m掌子面中心線擠出量分布

        (a)管棚

        管兩種預(yù)加固方式下隧道開挖引起的圍巖變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)及掌子面穩(wěn)定性分析,得出以下結(jié)論:

        (1)洞口段采用管棚預(yù)加固后,雖然最終的隧道兩側(cè)水平收斂程度不如超前注漿小導(dǎo)管,但其拱頂沉降、地表沉降較超前注漿小導(dǎo)管均得到有效控制,并且管棚可以有效降低隧道開挖早期的豎直和水平方向變形速度。

        (2)在管棚預(yù)加固方式下,初期支護(hù)軸力在拱頂處為203.5 kN,大于超前注漿小導(dǎo)管下的101.9 kN;與超前注漿小導(dǎo)管相比,管棚預(yù)加固條件下初期支護(hù)拱頂、拱肩處彎矩分別僅為前者的68 %和58 %;管棚預(yù)加固下,截面內(nèi)力最大偏心距僅為超前注漿小導(dǎo)管的72.7 %。因此管棚預(yù)加固能更好的提高初期支護(hù)的安全性。

        (3)管棚預(yù)加固條件下掌子面擠出位移最大值遠(yuǎn)小于超前注漿小導(dǎo)管,僅為后者的54 %,并且形變也更加均勻,因此相比超前注漿小導(dǎo)管能更好的提升掌子面的穩(wěn)定性。

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