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        小凈距隧道抗震安全性分析及支護(hù)方法研究

        2021-04-21 07:26:26
        中國水能及電氣化 2021年3期
        關(guān)鍵詞:凈距雙線盾構(gòu)

        李 杰

        (中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司,天津 300000)

        1 概 述

        由于兩個結(jié)構(gòu)之間的相互影響,小凈距隧道相關(guān)的問題一直是常見的研究熱點(diǎn)。小凈距隧道大多為雙線平行隧道,洞徑相同,開挖方式相近,兩條隧道之間沒有明顯差別,因此相互之間的影響更加明顯。通常對于雙線隧道,其內(nèi)部應(yīng)力分布及位移分布的復(fù)雜程度要大于單線隧道,尤其是在隧道凈距較小時,易引起某處應(yīng)力或位移較大的情況,導(dǎo)致應(yīng)力分布不均勻。

        如今對雙線隧道的相關(guān)問題已經(jīng)有很多深入的研究。牟天光[1]以南寧地鐵3號線某盾構(gòu)區(qū)間工程為背景,采用數(shù)值分析的方法,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù),分析了雙線盾構(gòu)隧道施工橫向地表沉降規(guī)律。楊傳亮[2]以有限元方法分析了合肥某排水管道上穿地鐵隧道的情況,研究了給排水管道在施工開挖過程中對既有下層雙線隧道的影響,通過Midas GTS NX數(shù)據(jù)分析,并通過有限元數(shù)據(jù)分析評價了隧道的安全穩(wěn)定性。程廣酬[3]研究了三臺階法在鐵路雙線軟巖隧道施工中的應(yīng)用,提高了鐵路雙線軟巖隧道施工人員對三臺階法的掌握力度,增加了隧道的安全性。張建國[4]研究了下穿高壓電塔的地鐵雙線小凈距盾構(gòu)隧道,以巖石地層小凈距盾構(gòu)區(qū)間下穿南吳線66kV高壓電塔為背景進(jìn)行數(shù)值模擬,在雙線凈距僅2.8m的情況下安全順利通過了高壓電塔。張心悅[5]以廣州市軌道交通十八號線隴枕出入場線為例,通過施工參數(shù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)研究了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的變形控制措施,分析了地表變形的五個階段。馮慧君[6]依托天津地鐵某盾構(gòu)區(qū)間隧道掘進(jìn)工程,基于FLAC3D軟件建立隧道掘進(jìn)過程的有限元模型,從隧道開挖變形、地表沉降的角度分析先挖線路對后挖線路變形特征的影響,驗(yàn)證雙線隧道盾構(gòu)施工的疊加效應(yīng)。鞠鑫[7]利用公式計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測三種方式研究了雙線隧道盾構(gòu)施工對周圍土體的擾動規(guī)律及控制措施,結(jié)果表明使用的計(jì)算公式對雙線隧道具有良好的適用性,施工完成后地表形成非對稱“W”形沉降槽。李科[8]以某區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿機(jī)場高速公路為研究對象,利用混合離散法對高速公路及隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行研究,所得結(jié)果對該區(qū)間盾構(gòu)隧道施工提供了指導(dǎo)。

        雙線隧道的隱患要高于單線隧道,尤其是在遇到自然災(zāi)害時,由于兩條隧道的相互影響,雙線隧道的穩(wěn)定性要小于單線隧道。本文對雙線隧道的抗震穩(wěn)定性影響進(jìn)行了研究,利用有限元軟件Abaqus分析在地震條件下雙線隧道各個方面的變化,對比兩條隧道在受到地震影響下的位移、應(yīng)力變化的區(qū)別,并以此對隧道的建造提出相應(yīng)建議,確保隧道的安全。

        2 工程概況

        楚雄至大理高速公路改擴(kuò)建工程勘察試驗(yàn)段第四標(biāo)段(九頂山隧道進(jìn)口段)工程,為一座分離式隧道,右幅隧道全長7560m,最大埋深731m,左幅隧道全長7597m,最大埋深730m。左右幅隧道累計(jì)總長15157m,隧道左右幅凈距約為20.3~40.0m。

        隧道海拔介于2180.00~3085.00mm之間,相對高差905m,屬構(gòu)造溶蝕、構(gòu)造剝蝕中山地形地貌區(qū),地形起伏較大,交通不便。區(qū)域地質(zhì)及相關(guān)地調(diào)成果顯示,九頂山隧道區(qū)段位于川滇南北向構(gòu)造帶和青藏滇緬歹字形構(gòu)造帶之間的構(gòu)造斜交與復(fù)合地帶,地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜;巖性以碎屑巖及碳酸鹽巖等沉積巖、巖漿巖和基性火山巖為主,間有硅質(zhì)巖覆以中生界紅色碎屑巖,中生代末期燕山運(yùn)動促使褶皺發(fā)育,復(fù)經(jīng)喜山運(yùn)動進(jìn)一步復(fù)雜化,再經(jīng)近期外力地質(zhì)作用的塑造而顯露當(dāng)今外貌(見圖1)。九頂山隧道處巖漿巖的不規(guī)則頻繁侵入對隧道圍巖完整性及穩(wěn)定性影響較大,形成多個性質(zhì)復(fù)雜的斷層構(gòu)造帶、巖性接觸帶、蝕變帶等圍巖破碎帶,對圍巖穩(wěn)定及隧洞開挖影響較大。

        3 三維數(shù)值模型

        根據(jù)基坑圖紙和當(dāng)?shù)貓D紙勘測報告,建立整體模型(見圖2)。其中兩條隧道開挖跨度為18m,厚度為1.5m,間距為20m。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)及《公路隧道施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F60—2009)的規(guī)定,結(jié)合隧道設(shè)計(jì)斷面,工程地質(zhì)條件及類似工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對于九頂山隧道小凈距一般影響段,由于其左右幅凈距為20.3m~27.0m,屬于凈距大于13.5m(0.75B)且小于1.5B(B為隧道開挖寬度,B=18m)的V級圍巖段。為了最大程度減小邊界效應(yīng)的影響,將土體尺寸設(shè)為高度120m、長度120m。上覆巖石荷載折算成等值均布壓力施加于模型頂部。相關(guān)的巖體和隧道材料參數(shù)見表1和表2。

        圖1 九頂山隧道地理位置

        圖2 模型整體示意圖

        表1 巖體主要參數(shù)

        表2 基坑擋土墻及隧道襯砌材料參數(shù)

        在模型邊界上施加地震荷載的邊界條件,分析兩條隧道的位移和應(yīng)力時程曲線,判斷地震對其造成的影響。地震荷載根據(jù)相關(guān)工程資料確定。

        4 地震對雙線隧道影響結(jié)果分析

        4.1 數(shù)值模擬結(jié)果

        由模型整體位移云圖(見圖3)可知,圍巖的最大位移主要產(chǎn)生于地表處震源的方向,由于地表沒有約束,表層土體可以向上隆起,導(dǎo)致總位移偏大。由云圖可知左側(cè)隧道率先受到影響。由模型的水平位移云圖可知,地震波由左側(cè)傳遞到右側(cè),位移逐漸減小,到右側(cè)邊界處時位移向左??v向位移則與總位移相近,最大位移產(chǎn)生于地表處。從雙線隧道拱頂位移曲線(見圖4)可以看出,左線隧道位移最大值為0.35m,右線隧道位移最大值則為0.25m,兩條隧道增長幅度相近,位移變化趨勢類似,但明顯左線隧道受地震影響較大,是右線隧道的1.4倍。

        圖3 模型整體位移云圖

        圖4 隧道拱頂位移時程曲線

        由模型整體Mises應(yīng)力云圖(見圖5)可知,隧道上下兩端所受的應(yīng)力較大,且左側(cè)隧道應(yīng)力要大于右側(cè)隧道。左側(cè)隧道應(yīng)力最終值為354kPa,右側(cè)隧道應(yīng)力最終值為232kPa。因此當(dāng)?shù)卣鸩◤淖髠?cè)傳遞時,

        圖5 模型整體應(yīng)力云圖

        左側(cè)隧道首當(dāng)其沖受到擾動,其后地震波的影響繼續(xù)傳遞到右側(cè)隧道,造成較小影響。而由應(yīng)力時程曲線(見圖6)亦可知,左線隧道的整體應(yīng)力變化幅度要高于右側(cè),但兩組數(shù)據(jù)在峰值上相差不大。

        由以上分析結(jié)果判斷,遭受地震的雙線隧道左洞會產(chǎn)生較大的位移,右洞則受影響較小。這一現(xiàn)象將導(dǎo)致隧道線路發(fā)生偏移,造成不良影響。為了減少對施工的影響,本次研究通過增加基坑與隧道間距、在開挖過程中施加支撐等方式來控制隧道的位移。

        4.2 隧道支護(hù)加固結(jié)構(gòu)分析

        本節(jié)研究了對隧道進(jìn)行支護(hù)加固時的情況。在前文計(jì)算中,可發(fā)現(xiàn)地震從左側(cè)傳遞時左側(cè)隧道所受的影響較大,但當(dāng)?shù)卣饘?shí)際來臨時,其傳遞的具體方位并不明確,因此只能在假設(shè)其固定方位的情況下計(jì)算兩條隧道的受力及支護(hù)起到的效果,并采用支護(hù)效果較好的措施對兩條隧道分別加固。

        圖6 隧道拱頂應(yīng)力時程曲線

        首先考慮對隧道周圍巖體進(jìn)行注漿加固。由于洞段巖體有一定破碎度,注漿能夠改善圍巖的完整性,加強(qiáng)巖石的強(qiáng)度,保障隧道的安全性。本次研究中,以增大圍巖模量等相關(guān)參數(shù)來模擬注漿的過程,圍巖強(qiáng)度提升1倍左右(見圖7)。由圖7可知,在對圍巖注漿后,左右洞的位移明顯減小,其中左洞位移減為原來的1/3,右洞位移減為原來的1/4。因此當(dāng)對兩條隧道都進(jìn)行加固時,距離震源較遠(yuǎn)的隧道加固效果更加明顯。而兩條隧道的應(yīng)力最大值都為260kPa,減小幅度在50%以上,應(yīng)是由于隧道變形的減少所致。

        圖7 注漿加固時隧道拱頂位移時程曲線

        其次模型將使用錨桿加固手段。模型中的錨桿用桿單元建立,按鋼截面模擬,圍繞隧道周邊布置(見圖8)??梢院苊黠@看出,在設(shè)置錨桿后左側(cè)隧道與注漿時的位移相差較小,右側(cè)隧道的位移則相差了近1倍。由此可見,圍巖的破碎程度對隧道的位移影響明顯,在設(shè)置錨桿時也會影響其效果。相比于位移,兩條隧道的應(yīng)力在最大值上的變化與注漿時相同,為250kPa,因此錨桿和注漿的主要差別在于對隧道位移的影響。

        綜上所述,相比于錨桿,小導(dǎo)管注漿能夠更好地防止地震擾動對隧道造成影響,但依舊無法完全抵抗隧道的位移變化,因此,在前文的基礎(chǔ)上,本次研究對隧道采取了注漿錨桿的支護(hù)方式,即將注漿和錨桿兩種方法結(jié)合起來,計(jì)算其對隧道的保護(hù)作用。由于水泥漿由錨桿注入圍巖,因此,錨桿的長度也決定了注漿的影響范圍,本文將錨桿的長度列入考慮,限于雙線隧道的凈距,計(jì)算了錨桿長度從3m到8m的情況,由圖9可知,在錨桿和注漿的共同作用下,隧道位移相比之前有小幅減少,同時隨著錨桿長度的增加,穩(wěn)定效果逐漸提升。當(dāng)錨桿長度達(dá)到5.5m時,位移不再繼續(xù)減小,說明此時隧道周邊圍巖強(qiáng)度已趨于穩(wěn)定,繼續(xù)增加長度意義不大。因此,當(dāng)錨桿長度為5.5m時,對隧道的加固效果及性價比最好。

        圖8 錨桿加固時隧道拱頂位移時程曲線

        圖9 隧道最大位移隨錨桿長度變化曲線

        5 施工重點(diǎn)控制

        注漿錨桿是根據(jù)我國隧道工程、邊坡治理工程、煤礦巷道工程等實(shí)際需要而開發(fā)的新產(chǎn)品,將注漿和錨桿的優(yōu)勢相結(jié)合,達(dá)到提高隧道安全性的效果。

        由于本工程中雙線隧道的小凈距特性,施工過程中將遇到很多重難點(diǎn),中巖柱可能因?yàn)橐蛉雽?dǎo)管而在前期呈現(xiàn)強(qiáng)度薄弱的情況,因此需要對關(guān)鍵地段采取相關(guān)措施。

        a.設(shè)置超前管棚。為保證洞口穩(wěn)定性和減少洞口開挖,隧道巖體結(jié)構(gòu)類型呈散體狀或碎裂狀結(jié)構(gòu)的V級圍巖段均設(shè)置超前管棚作為輔助進(jìn)洞措施。

        b.支護(hù)方案設(shè)計(jì)。初期支護(hù):對于Ⅴ1、Ⅴ2、Ⅳ1、Ⅳ2、Ⅳ3、Ⅲ級圍巖,由噴射混凝土、徑向錨桿、鋼筋網(wǎng)及工字鋼鋼架組成。鋼架之間用縱向鋼筋連接,并與徑向錨桿及鋼筋網(wǎng)焊為一踢,與圍巖密貼,形成承載結(jié)構(gòu)。二次襯砌:當(dāng)設(shè)計(jì)荷載較大時,特別是在淺埋/軟弱圍巖地段,后期變形荷載較大,須采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),以確保隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。在初期支護(hù)和二次襯砌之間鋪設(shè)各類透水排水管、土工布及防水卷材。

        c.注重洞口抗震措施。嚴(yán)格控制邊仰坡開挖高度和面積,洞口邊仰坡防護(hù)不采用素混凝土及石砌體結(jié)構(gòu)型式。為防止邊、仰坡失穩(wěn)后塌落土石落入隧道,堵塞洞口,加長明洞結(jié)構(gòu)。采用端墻式洞門時,端墻采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu),洞門墻與洞口段襯砌間采用鋼筋連接,同時洞門端臨空面高度控制在15m以內(nèi)。明洞襯砌采用70cm厚全封閉C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),邊墻兩側(cè)采用漿砌片石回填,提高約束剛度。明洞地基承載力不足地段采取換填、注漿加固等措施處理,確保明洞置于穩(wěn)定的基礎(chǔ)之上。

        d.注重洞身抗震措施。對于淺埋段、斷層破碎帶及巖性接觸帶段,抗震設(shè)防段應(yīng)向兩端圍巖質(zhì)量較好的地段延伸10m,設(shè)防長度范圍內(nèi)采用超前支護(hù)加固圍巖。二次襯砌在淺埋段、斷層破碎帶段及巖性接觸帶段應(yīng)提高分布鋼筋及箍筋的配筋率。

        e.變形縫設(shè)置。設(shè)防長度范圍內(nèi)沿縱向每20~25m設(shè)一道環(huán)向減震縫,具體減震縫間距根據(jù)臺車長度而定。

        6 結(jié) 論

        本文以楚雄至大理高速公路改擴(kuò)建工程勘察試驗(yàn)段第四標(biāo)段(九頂山隧道進(jìn)口段)為背景,根據(jù)勘測數(shù)據(jù),利用有限元軟件Abaqus建立了數(shù)值模型,分析了地震作用對雙線隧道造成的影響。通過對比兩條隧道的應(yīng)力和位移狀態(tài),以及對隧道進(jìn)行不同的加固措施,計(jì)算其加固效果,得出如下結(jié)論:

        a.雙線隧道在遭受地震荷載時,距離震源較近的那一條隧道會承受更大的影響,從而引發(fā)更大的效應(yīng),最終位移和應(yīng)力約為另一側(cè)隧道的1.3倍,地震過程中的最大應(yīng)力則相差無幾。

        b.對隧道施加錨桿支護(hù)和小導(dǎo)管注漿都能有效減少地震對隧道位移和應(yīng)力的影響,但注漿效果要好于錨桿。在對位移的影響上,注漿后的近震源隧道最大位移為原來的34%,遠(yuǎn)震源隧道最大位移為原來的25%;施加錨桿后的近震源隧道最大位移為原來的42%,遠(yuǎn)震源隧道最大位移為原來的48%。

        c.當(dāng)使用注漿導(dǎo)管對隧道進(jìn)行加固時,將能同時發(fā)揮兩者的效果,但相比單個防護(hù)措施來說提升效果不大。當(dāng)錨桿長度為5.5m時,支護(hù)的效果及性價比最高。

        d.對隧道及其施工工藝的難點(diǎn)提出了相應(yīng)要求和設(shè)計(jì)措施。

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