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        軟巖地段大斷面淺埋偏壓隧道開挖方法比選

        2022-08-05 03:06:50許勝輝
        山東交通科技 2022年3期
        關(guān)鍵詞:錨桿圍巖方法

        許勝輝

        (新疆交通建設(shè)管理局項目執(zhí)行二處,新疆 烏魯木齊 830000)

        引言

        山嶺隧道建設(shè)過程中,由于山體巖質(zhì)松軟、富含水等原因?qū)е鹿こ淌鹿暑l發(fā),因此,研究軟巖地段大斷面淺埋隧道合理的開挖施工具有重要意義。李云剛和于志秋[1-2]采用有限差分軟件FLAC,對淺埋隧道施工方法進行了比選分析,結(jié)果表明,CD 法和CRD 法開挖隧道引起的地表沉降和拱頂變形較小,而全斷面法引起的底部隆起最小,施工過程中應(yīng)視具體工況進行方法選擇。陳鵬飛等[3-4]以大斷面軟巖淺埋偏壓隧道施工為研究對象,通過數(shù)據(jù)監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn),隧道開挖容易出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)、橫向位移等不利現(xiàn)象,施工中應(yīng)注意控制。張超等[5-6]以某隧道工程采用CRD 法施工為分析對象,得出該種方法具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟顯著和拆卸方便等特點,適合大斷面淺埋隧道開挖。

        1 工程概況

        某山嶺隧道樁號為ZK14+152.1—ZK15+694.7,長1 542.6 m,該區(qū)域內(nèi)圍巖以IV 級和V 級為主,巖質(zhì)主要以砂巖、變質(zhì)巖和碎石土為主,結(jié)構(gòu)較為松散、破碎,圍巖穩(wěn)定性差。山體存有一定坡度,呈現(xiàn)出東高西低,自然坡度在32~60°之間,山頂喬灌木茂密,局部發(fā)育陡峭山崖。隧道設(shè)計縱坡度為-2.0%,該隧道最大寬度隧道最大寬度是17.346 m,最大高度是11.88 m 擬采用臺階法施工或環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工,見圖1。為了對比兩種隧道施工功法的優(yōu)異性,基于數(shù)值模擬軟件進行對比分析。

        圖1 隧道斷面/cm

        2 兩種施工方法對比

        2.1 臺階法

        臺階法開挖是將開挖斷面分成兩步或多步進行開挖,形成上下兩個或多個開挖工作面,該方法一般適用于Ⅲ和IV 級圍巖,上下臺階間距一般控制在1~1.5 的洞徑內(nèi)。先在拱頂進行超前支護,然后沿著隧道上輪廓線進行上臺階開挖,開挖后立即噴射混凝土,初噴厚度取5 cm 左右,并按要求設(shè)置錨桿和鋼架。然后進行下臺階開挖,上下臺階應(yīng)保持適當距離,開挖進尺一般控制為每循環(huán)兩幅拱架間距,開挖后進行初噴3~5 cm 混凝土封閉,并按要求設(shè)置錨桿和鋼架,最后進入下一循環(huán)開挖。

        2.2 環(huán)形開挖預(yù)留核心土法

        環(huán)形開挖預(yù)留核心土法常用于IV 級和V 級圍巖,在每次開挖循環(huán)中,機械結(jié)合人工開挖拱頂部分,之后架立拱架、掛網(wǎng)以及噴射混凝土。在初期支護后,進行核心土和下半部分開挖,緊接著打錨桿、上支撐并掛網(wǎng)噴混凝土,進行封底施工,最后進入下一循環(huán)開挖。該方法循環(huán)開挖長度以在50~100 cm 之間為宜,核心土面積應(yīng)大于等于開挖面積的1/2,每兩品鋼拱間宜采用連接鋼筋連接,并應(yīng)加鎖腳錨桿。

        3 隧道開挖數(shù)值建模

        3.1 模型建立

        采用大型有限差分軟件FLAC 建模進行計算,隧道尺寸按照實際尺寸建模,考慮到隧道的開挖影響范圍,模型長、寬分別取100 m 和60 m,左側(cè)、右側(cè)高度分別為80 m 和60 m,隧道中心埋深約為24.2 m,除模型上邊界外,其他邊界均進行位移和邊界約束。隧道支護形式為初次支護+二次支護聯(lián)合支護形式,即采用錨桿+鋼拱架+噴射混凝土+二次襯砌,初支噴漿厚度為5 cm,二次襯砌厚度為40 cm。錨桿長度取3.5 m,間距取1.5 m,直徑取22 mm,橫斷面上共計29 根,采用摩爾庫倫本構(gòu)模型。見圖2。

        圖2 數(shù)值模型

        3.2 參數(shù)賦值

        圍巖的物理力學(xué)參數(shù)和噴混凝土、二次襯砌和錨桿的力學(xué)參數(shù)見表1、表2。

        表1 圍巖的物理力學(xué)參數(shù)

        表2 噴混凝土、二襯和錨桿力學(xué)參數(shù)

        3.3 監(jiān)測點設(shè)置

        為了分析兩種施工方法的優(yōu)越性,在拱頂、拱肩和拱腳分別設(shè)置位移監(jiān)測點5 個,見圖3。

        圖3 監(jiān)測點布設(shè)

        4 兩種開挖方法數(shù)值結(jié)果分析

        4.1 開挖后豎向位移云圖對比

        給出了兩種方法開挖后豎向位移云圖,見圖4。

        圖4 兩種方法開挖后豎向位移云圖

        由圖4 可知,采用臺階法開挖施工后,最大沉降位移發(fā)生在拱頂偏左拱肩處,最大沉降值為-3.53 mm;采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖施工后,最大沉降位移同樣發(fā)生在拱頂偏左拱肩處,最大沉降值為-3.45 mm。相比于采取臺階法開挖施工,采取環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖施工后拱底沉降減小,且圍巖松動圈面積較小。

        4.2 監(jiān)測值對比分析

        為了更好地對比兩種開挖方法的差異性,給出了兩種施工方法監(jiān)測點位移值對比,見圖5,其中拱頂為沉降值,其它為水平收斂值。

        圖5 兩種施工方法監(jiān)測點位移對比

        由圖5 可知,對于臺階法開挖施工,拱頂沉降值,左拱肩、右拱肩、左拱腳和右拱腳的水平收斂值的大小分別為3.18 mm、2.83 mm、0.24 mm、0.84 mm 和0.17 mm,對于環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖施工法,拱頂沉降值,左拱肩、右拱肩、左拱腳和右拱腳的水平收斂值大小分別為2.82 mm、2.73 mm、0.16 mm、0.57 mm 和0.08 mm。相比于采用臺階法施工時,采取環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖施工時拱頂沉降值,左拱肩、右拱肩、左拱腳和右拱腳的水平收斂值分別減小了11.3%、3.5%、33.3%、32.1%和52.9%。綜上可知,采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工時,由于其合理的施工工序,隧道開挖面的圍巖穩(wěn)定性較好,對拱腳及以下部分圍巖變形影響較小,更好地保證了施工過程的穩(wěn)定性。

        5 結(jié)語

        (1)采用臺階法和環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖隧道,最大沉降位移均發(fā)生在拱頂偏左拱肩(即圍巖承受壓力較大一側(cè)),二者最大沉降值依次為-3.53 mm 和-3.45 mm,采取環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖施工后拱底沉降減小,且圍巖松動圈面積較小。(2)相比于采用臺階法施工時,采取環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖施工時拱頂沉降值,左拱肩、右拱肩、左拱腳和右拱腳的水平收斂值分別減小了11.3%、3.5%、33.3%、32.1%和52.9%。(3)采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工時,由于其合理的施工工序,使得隧道開挖面的圍巖穩(wěn)定性較好,適用于偏壓隧道開挖施工,尤其對拱腳及以下部分圍巖變形影響較小,從而更好地保證了施工過程的穩(wěn)定性。

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