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        礦山法隧道穿越斷層及破碎帶支護(hù)結(jié)構(gòu)研究

        2021-11-05 04:34:54梅志遠(yuǎn)胡哲釧李建軍張志強(qiáng)
        鐵道建筑技術(shù) 2021年10期
        關(guān)鍵詞:軸力拱頂臺(tái)階

        梅志遠(yuǎn) 胡哲釧 李建軍 張志強(qiáng)

        (1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川成都 610031;2.中鐵十二局集團(tuán)有限公司 山西太原 030024)

        1 引言

        隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,隧道作為一種利用地下空間的形式,在越來(lái)越多的地方被廣泛采用[1-3]。大量隧道的建設(shè)帶來(lái)了很多挑戰(zhàn),隧道穿越斷層破碎帶施工是隧道施工的一個(gè)難點(diǎn),如何安全快速穿越斷層及破碎帶成為研究熱點(diǎn)。因此有必要研究隧道穿越斷層及破碎帶隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系,對(duì)于保障施工安全具有重要意義[4-7]。

        目前許多學(xué)者對(duì)于隧道穿越斷層及破碎帶進(jìn)行了研究。王涵等[8]以玉渡山隧道為工程背景,采用FLAC3D程序研究了CD法施工方案,分析拱頂沉降、水平收斂與塑性區(qū)范圍,依據(jù)分析結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),提出錨-網(wǎng)-噴-鋼拱架聯(lián)合支護(hù)方案;郝曉燕[9]對(duì)斷層破碎圍巖臺(tái)階法施工進(jìn)行數(shù)值研究,得出采用兩臺(tái)階法穿越斷層破碎帶時(shí),隧道拱頂沉降和周邊收斂均可得到有效控制的結(jié)論;張曉勇[10]采用數(shù)值模擬方法對(duì)比分析臺(tái)階法、預(yù)留核心土法和三臺(tái)階法施工時(shí)圍巖變形及地表沉降情況;郭海[11]針對(duì)不同的施工工法建立不同的計(jì)算模型,分析了隧道沉降及圍巖屈服情況;張尤利等[12]根據(jù)地質(zhì)特征,運(yùn)用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)比分析采用不同施工工法穿越斷層破碎帶時(shí),斷層破碎帶對(duì)施工的影響。

        本文以湖杭鐵路鹿山隧道為工程依托,采用大型通用有限元軟件ABAQUS對(duì)穿越斷層破碎帶不同工法進(jìn)行模擬和分析,以期為穿越斷層破碎帶隧道的設(shè)計(jì)和施工提供有益參考。

        2 工程概況及特點(diǎn)

        鹿山隧道DK107+471~DK111+081.472位于R=11 000 m的右偏圓曲線(xiàn)上,其余均為直線(xiàn)。進(jìn)口至DK110+100為上坡,坡度為3‰,DK110+100至出口為上坡,坡度為18.5‰。

        (1)地形地貌

        隧址區(qū)主要為丘陵區(qū),地形起伏大,進(jìn)口地面標(biāo)高為45~55 m,自然坡度20°~25°;出口地面標(biāo)高110~120 m,自然坡度20°~30°。植被發(fā)育,灌木叢生。

        (2)工程地質(zhì)

        洞口地表為第四系殘坡積粉質(zhì)黏土,下伏為全~強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、石英砂巖,巖石風(fēng)化強(qiáng)烈,為Ⅴ級(jí)圍巖。洞身巖石為弱風(fēng)化砂巖及石英砂巖。

        (3)水文地質(zhì)

        鹿山隧道位于丘陵區(qū),區(qū)內(nèi)地表水稍發(fā)育,多處可見(jiàn)沖溝、水庫(kù)及水塘,水量較豐富,徑流條件良好,以山脊為分水嶺,向兩側(cè)洼地沖溝排泄,匯入富春江,流量主要受大氣降雨影響,季節(jié)性變化顯著。

        隧址區(qū)斷層帶、褶皺等構(gòu)造帶在地貌上大都沿兩側(cè)的沖溝洼地展布,其影響帶內(nèi)裂隙發(fā)育,巖體破碎,導(dǎo)水性較好,構(gòu)造裂隙水較發(fā)育,富水性較好。其中與線(xiàn)路相交斷層7處,多順溝谷走向或在線(xiàn)路附近穿越溝谷或地表水體,構(gòu)造帶與地表溝谷或附近的中小型水庫(kù)水可能存在一定的水力聯(lián)系,易導(dǎo)水,為可能的涌水通道。

        3 計(jì)算模型及參數(shù)選取

        隧道模型如圖1所示。三維模型的邊界范圍為:水平方向上隧道中心線(xiàn)距離左右邊界均為35 m,隧道底部距離模型下邊界為30 m,隧道縱向長(zhǎng)度為18 m,開(kāi)挖進(jìn)尺取為1.2 m,隧道埋深為30 m。在邊界約束方面,模型頂部為自由面,不施加約束,其余各面都施加法向約束。

        圖1 模型網(wǎng)格

        按照湖杭鐵路鹿山隧道施工設(shè)計(jì),初期支護(hù)采用噴錨結(jié)構(gòu),采用C25噴射混凝土,拱墻噴射混凝土厚度為23 cm,仰拱噴射混凝土厚度為15 cm;拱墻部位設(shè)置錨桿,錨桿長(zhǎng)度為3 m,錨桿環(huán)向間距為1.2 m,錨桿縱向間距為1.2 m。本文采用不同超前支護(hù)方式和開(kāi)挖方式進(jìn)行數(shù)值模擬,不同模型支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 不同支護(hù)結(jié)構(gòu)形式模型

        采用牛頭山隧道中斷層及破碎帶的Ⅴ級(jí)圍巖參數(shù),使用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型,噴混凝土、錨桿及臨時(shí)橫撐均使用彈性本構(gòu)模型。圍巖、噴混凝土、錨桿和臨時(shí)橫撐物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 計(jì)算參數(shù)

        本次計(jì)算采用不同超前支護(hù)方式和不同開(kāi)挖方式模擬隧道的施工過(guò)程,結(jié)合上述分析,共分為4種工況,計(jì)算工況見(jiàn)表2。

        表2 計(jì)算工況

        4 計(jì)算結(jié)果分析

        本節(jié)主要從變形、受力以及安全性等方面,分析隧道開(kāi)挖支護(hù)完成后,不同工況下土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)變化情況。

        4.1 土體變形分析

        為研究隧道開(kāi)挖支護(hù)完成后不同工況下的土體變形,提取模型開(kāi)挖完成后其豎向位移、水平位移和塑性區(qū)分布,圖3~圖4為不同工況的土體位移云圖,圖5為不同工況下土體塑性區(qū)分布云圖,圖6~圖9為不同位置各工況下的變形曲線(xiàn)。

        圖3 不同工況下土體豎向位移云圖(單位:m)

        圖4 不同工況下土體水平位移云圖(單位:m)

        圖5 不同工況下土體塑性區(qū)分布云圖(單位:m)

        圖6 不同工況下拱頂沉降曲線(xiàn)

        圖7 不同工況下仰拱隆起位移曲線(xiàn)

        圖8 不同工況下邊墻水平位移曲線(xiàn)

        圖9 不同工況下洞頂上方30 m土體沉降曲線(xiàn)(mm)

        根據(jù)圖3~圖9分析可知:

        (1)采用管棚作為超前支護(hù)措施,臺(tái)階法比全斷面法能更好地控制拱頂下沉和仰拱隆起。采用臺(tái)階法拱頂下沉在7.5 mm左右,全斷面法拱頂下沉在20.0 mm左右。臺(tái)階法施工仰拱隆起在16.1 mm左右,全斷面法仰拱隆起在18.7 mm左右。

        (2)采用注漿小導(dǎo)管作為超前支護(hù)措施,臺(tái)階法比全斷面法能更好地控制拱頂下沉和仰拱隆起。臺(tái)階法開(kāi)挖拱頂下沉在8.8 mm左右,全斷面法開(kāi)挖拱頂下沉在27.5 mm左右。臺(tái)階法開(kāi)挖仰拱隆起在18.7 mm左右,全斷面法仰拱隆起在24.6 mm左右。

        (3)圍巖塑性區(qū)具有明顯的方向性,與斷層及破碎帶方向密切相關(guān)。臺(tái)階法比全斷面法圍巖塑性區(qū)數(shù)值小,管棚臺(tái)階法的塑性區(qū)數(shù)值最小,為0.009 67,注漿小導(dǎo)管全斷面法的塑性區(qū)數(shù)值最大,為0.10。

        4.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

        為研究不同工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力規(guī)律,提取各工況計(jì)算完成后的錨桿軸力分布圖,如圖10所示,圖11為各工況計(jì)算完成后軸力最大值統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)。

        圖10 不同工況下錨桿軸力分布(單位:N)

        圖11 不同工況錨桿軸力最大值統(tǒng)計(jì)

        根據(jù)圖10~圖11分析可知:

        (1)四種開(kāi)挖支護(hù)方法的軸力最大值,管棚臺(tái)階法最小,數(shù)值為83.2 kN;注漿小導(dǎo)管全斷面法最大,為757.6 kN。

        (2)四種工法下的軸力大小關(guān)系與四種工法下的拱頂下沉大小關(guān)系基本符合。有效控制土體變形,能減小錨桿軸力。

        5 結(jié)論

        采用大型通用有限元軟件ABAQUS對(duì)管棚超前支護(hù)臺(tái)階法開(kāi)挖、管棚超前支護(hù)全斷面法開(kāi)挖、注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)臺(tái)階法開(kāi)挖、注漿小導(dǎo)管全斷面法開(kāi)挖隧道進(jìn)行模擬和分析,主要結(jié)論如下:

        (1)臺(tái)階法開(kāi)挖比全斷面法開(kāi)挖能更好地控制圍巖的變形,能夠降低拱頂沉降和仰拱隆起。

        (2)管棚超前支護(hù)方式比注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)方式能更好地控制拱頂沉降。

        (3)土體的豎向變形和水平變形對(duì)錨桿軸力影響很大,土體變形越大,錨桿軸力越大。

        (4)采用臺(tái)階法與全斷面法開(kāi)挖圍巖塑性區(qū)大小明顯不同,臺(tái)階法的塑性區(qū)更小。

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