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        山嶺隧道超前加固三維模擬及變形控制規(guī)律研究

        2022-11-22 05:06:54上海建科工程咨詢有限公司上海200092
        建設(shè)監(jiān)理 2022年8期
        關(guān)鍵詞:圍巖變形施工

        林 楠(上海建科工程咨詢有限公司, 上海 200092)

        0 引 言

        在軟弱圍巖內(nèi)進行隧道開挖的過程中,復(fù)雜的圍巖特性致使隧道“支護-圍巖”相互作用表現(xiàn)出極強的不確定性[1-3],隧道變形與破壞表現(xiàn)出明顯的時空效應(yīng)特性,易發(fā)生大變形等工程行為[4-5]。在此過程中,隧道超挖量、圍巖穩(wěn)定性及支護體系安全難以預(yù)測和評價,常用的做法為通過綜合考慮圍巖的相對變形、強度應(yīng)力比及原始地應(yīng)力等參數(shù),給出擠壓性圍巖隧道大變形分級標準及控制方法[6-7]。因此,可以通過合理的手段,進行圍巖變形及應(yīng)力等計算,由此評價隧道是否安全,并探究相關(guān)的控制措施。

        為探討管棚等控制工藝對于軟弱圍巖區(qū)隧道沉降的控制機理,并分析施工順序和控制措施對于上述過程的影響,筆者以IV、V類圍巖隧道開挖為背景,通過PLAXIS軟件進行三維開挖模擬,分析了有無管棚條件下隧道開挖全過程中變形發(fā)展規(guī)律的不同,提出了管棚施作區(qū)域及時機等科學(xué)化建議。

        1 隧道開挖與加固工藝

        在軟弱圍巖中的隧道開挖,常采用臺階分布開挖留核心土的施工工藝,并在開挖前進行小導(dǎo)管或管棚超前支護,以保證施工安全,具體方法如下所述。

        1.1 開挖步序及工藝

        在IV、V類圍巖段,隧道采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖,結(jié)合鋼拱架、錨桿、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土形成錨噴支護,Ⅳ級圍巖破碎帶采用臺階法開挖,支護可采用工字鋼拱架、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土等形成初期支護,仰拱超前施作及時閉合形成穩(wěn)固的初期支護系統(tǒng),保護隧道周圍圍巖的天然承載能力,有效控制圍巖變形,使開挖支護過程中圍巖的受力及局部失穩(wěn)和破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定和平衡的狀態(tài)。依據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)反饋指導(dǎo)施工,及時調(diào)整支護參數(shù)和襯砌混凝土?xí)r間。

        圖 1 隧道開挖分區(qū)圖

        如圖1所示,本次模擬的背景工程,以相隔32.5 m的兩個鄰近開挖面為研究對象,首先開挖關(guān)鍵斷面1的上臺階并支護,然后開挖核心土,接著開挖中臺階并進行支護,隨后開挖下臺階并進行支護,最后依次施作仰拱和二次襯砌結(jié)構(gòu)。開挖斷面2采用同樣的開挖順序,同時依據(jù)臺階法的施作要求,上、中、下臺階一直保持10 m以上間距,仰拱位于下臺階前1 m處,二次襯砌位于仰拱前10 m處。其中,當上臺階開挖至關(guān)鍵斷面1前0.5 m處時,核心土開挖至上臺階前5 m,中臺階與上臺階保持10 m以上間距。在完成上、中、下臺階開挖及內(nèi)施做初期支護后,在中墻底部施做鎖腳錨桿。

        1.2 超前管棚加固

        在具體施工流程中,在Ⅳ級圍巖破碎帶,間隔0.4 m在圖2所示區(qū)域內(nèi)布置Φ108 mm×8 mm管棚進行超前加固。施工前,以二襯外輪廓線以外30 cm畫出管棚中心線,從洞頂開始布孔,左右各19根,長度為30 m。鉆孔采用φ120 mm鉆頭,用潛孔鉆機鉆眼,施工順序從頂向兩側(cè)進行。鉆孔完成后利用鉆機將外徑φ108 mm、壁厚6 mm的熱軋無縫鋼管(預(yù)先將前端制作成錐狀尖管,管壁四周鉆φ10 mm壓漿孔,間距15 cm,梅花形布置)頂入孔內(nèi),施工時第一節(jié)鋼管采用3 m和6 m兩種長度的鋼花管,其余節(jié)數(shù)均采用6 m長的鋼花管,以保證同一截面接頭不超過50%。

        圖 2 管棚加固范圍及監(jiān)測點設(shè)置圖

        2 三維模型及參數(shù)選取

        2.1 模擬方法

        為模擬軟弱圍巖中采用管棚施工對變形控制的效果,進而評價和保障隧道安全,采用PLAXIS軟件,建立如圖3所示的三維模型。模型中管棚區(qū)采用等效剛度法進行模擬,并如圖4所示,連同錨桿分步進行施加。

        圖 3 三維數(shù)值模擬模型圖

        圖 4 超前管棚加固示意圖

        根據(jù)文明等[6]對參數(shù)建議,有限元模擬所采用的支護及圍巖概率參數(shù)選取如表1所示。

        表 1 支護及圍巖參數(shù)取值表

        2.2 實測對比

        選取模擬斷面變形結(jié)果,以k9+912斷面為例,模擬結(jié)果先是開挖完成后沉降為16.4 mm,根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),拱頂沉降16.2 mm。與實際符合,驗證了計算的準確性。

        3 變形發(fā)展規(guī)律及控制措施

        3.1 變形規(guī)律及控制效果

        采用第三節(jié)所述模型對典型斷面開展開挖模擬,并分析在有無管棚的不同條件下,斷面沉降及開挖全過程變形的差異。斷面沉降數(shù)據(jù)及沉降變化趨勢,如表2和圖5所示。

        圖 5 開挖全過程斷面沉降變化趨勢圖

        表 2 斷面沉降數(shù)據(jù) 單位:mm

        通過對比圖5所示各觀測點有無管棚的兩種情況變形發(fā)展規(guī)律,可明顯看出,采用管棚進行加固時,對拱頂?shù)某两档目刂朴忻黠@的作用,其作用的形成有賴于整體管棚體系的形成。從模擬結(jié)果上看,管棚初期施作對于沉降控制作用較小,直至右-左-中整體管棚形成后,對變形的發(fā)展起到了良好的約束作用。

        同時,從變形發(fā)展趨勢來看,變形發(fā)展最快時段為上臺階及核心土開挖階段,尤以核心土開挖階段最大,因此在核心土開挖前應(yīng)盡量完成管棚的施作。

        3.2 安全控制措施

        無中隔墻連拱隧道在施工中存在一定風(fēng)險,主要是后行洞靠中夾巖側(cè)圍巖的穩(wěn)定性較差,以及兩洞初期支護相連處的應(yīng)力較大。因此,在施工中應(yīng)采取如下安全控制措施。

        (1)為保證后行洞夾巖側(cè)圍巖穩(wěn)定,在先行洞施工時也應(yīng)對該部位施作一些小導(dǎo)管,以增加該部位底端圍巖的穩(wěn)定性,而且該部位在施工中應(yīng)嚴格控制縱向施工長度,同時增大兩洞相連處初期支護的強度和剛度。

        (2)在設(shè)計時,考慮在隧道初支的局部襯砌位置加設(shè)鋼筋網(wǎng)及錨筋,施作時間為后行洞開挖后,以緩解初支結(jié)構(gòu)在后行洞開挖后應(yīng)力突增,達到保護隧道先行洞襯砌結(jié)構(gòu)的目的。

        (3)無中隔墻連拱隧道初支的隧道頂部圍巖,受力復(fù)雜,應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴重,變形較大。計劃除按規(guī)范要求,沿隧道洞周徑向施作全長黏結(jié)型注漿錨桿外,對于不良地層初支頂部圍巖施作注漿小導(dǎo)管或管棚,加固頂部圍巖。

        (4)為使鋼拱架更好地發(fā)揮作用,施工過程中應(yīng)盡量使左右洞初期支護中的鋼架處在同一斷面,且應(yīng)確保左右幅工字鋼連接處焊接牢固。同時,于后行洞開挖時,鋼拱架應(yīng)及時搭接,使初支形成一個受力整體。

        (5)隧道左右幅壓力均集中于中間部位,針對上述情況,在施工過程中將著重把控隧道測中線頂部三角區(qū)域和拱腳底部的基地注漿措施,用以加強圍巖自穩(wěn)能力和基地承載力,減少隧道頂部巖體對隧道的壓力。隧道仰拱部位及時跟進,做到早封閉,及時成環(huán)以分擔局部集中荷載。

        4 結(jié)論與建議

        本文針對軟弱圍巖中隧道開挖變形及安全控制難題,采用三維有限元方法,分析了有無管棚等加固方法條件下隧道開挖全過程變形發(fā)展的規(guī)律,并分析了有無加固對變形發(fā)展的影響,得到如下結(jié)論:

        (1)管棚對變形的控制效果受其布置范圍影響,管棚施作初期對圍巖約束作用不強,對變形控制作用有限,當管棚形成整體后,方能有效控制變形發(fā)展;

        (2)上臺階及核心土開挖階段變形變化較大,在此之前應(yīng)完成管棚的施作。

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