研究震区软岩隧道施工新方法适宜性范文

1工程概况

1.1工程简介

某绢云母千枚岩隧道穿越“5.12”汶川特大地震的发震断裂———龙门山断裂,隧道最大埋深约为196m,全长1833m,净宽10.25m,净高5.0m,为双向分离式四车道高速公路越岭隧道。隧址区地形地质条件复杂,地下水丰富,受区域构造影响,场区发育次级逆冲断层3条,即FS8、Fd1和Fd2断裂,其中FS8、Fd1断裂近距离穿越隧道,Fd2断裂位于隧道洞身段,隧道施工难度大。据施工揭示的岩体性状表明:绢云母千枚岩呈杂灰色,鳞片变晶结构,千枚状构造,片理面极发育。质软,岩体抗压强度不足5MPa;层间结合差,锤击易沿片理面破裂。受强震等不利因素影响,岩体节理裂隙发育,岩层多具重力变形现象,具有遇水软化、层间滑脱等特点,加之在该组地层中常出现小型(宽约3~5m)的韧性剪切破碎带,使该组岩体完整性差。

1.2隧道开挖及变形监测概述

隧道主要以三台阶+预留核心土的方法进行开挖,支护则采用以系统锚杆、喷混凝土、钢筋网、钢架等组成的初期支护与二次模筑混凝土相结合的复合衬砌形式(支护参数见表1)。隧道采用上述方法进行施工后,正常监测断面的拱顶沉降值约在200mm范围,水平收敛较小约为90mm不等。而灾害断面处变形值较大,变形最大累计值已超过500mm,超过规范规定值。

1.3“小导洞”法的提出

灾害的发生不仅浪费人力物力,也给施工人员的安全带来威胁,因此,提出一种更为适宜的方法极为迫切。根据对大变形破坏段的原因分析表明:“5.12”地震给原山体带来了极大的震裂揉动搓伤,在山体内部产生了大量震裂松动岩体,尤其是在隧道开挖后,隧道拱脚及拱底部的岩体基本呈碎裂-粉状结构,加之在地下水作用下,基底岩体迅速软化与泥化,使得隧道底部承载能力急剧降低,导致隧道出现不同程度的大变形破坏。因此,对隧道基底进行加固,尤其是对开挖后的拱脚进行加固可有效提高隧道底部承载力,减少变形破坏灾害的发生。传统的隧道拱脚部位加固方法中,受施工工艺水平的制约,加固材料不能有效对岩体进行加固,或者加固范围较小,难以达到加固效果。为达到对基底加固的效果,提高隧道底部围岩的承载能力,该文依托连拱隧道施工工艺,在结合原设计方案基础上,提出“导洞过渡”开挖施工工法(即:首先在主洞的左、右拱脚位置开挖直径为3m的小导洞→回填一定比例的混凝土并施作小导洞初期支护→主洞上台阶开挖→主洞下台阶开挖),该工法的施工步序如图1所示。

2数值模拟分析

实际工程限于资金和施工进度的制约,不能对该种方法进行实际验证,因此,该节采用Ansys软件对隧道典型围岩段(该段围岩为绢云母千枚岩、埋深80m)采用“导洞过渡”法进行数值模拟,通过开挖后隧道变形、支护受力的详细分析,从而对该种工法的合理性及适宜性进行判定。

2.1计算假定为方便模拟分析,计算中假设围岩和加固岩体各向同性,采用弹塑性分析;衬砌及材料结构采用弹性分析。同时,考虑到隧址区的岩体基本为碎裂结构,应力场难以集聚,加之该段埋深较浅,岩层多具重力变形现象,故计算时以自重应力场为主。

2.2模型的建立及参数选取模型宽度方向(x方向)由隧道中线位置向两侧各延伸50m、高度方向(y方向)取仰拱底部以下35m、拱顶以上取实际埋深,沿隧道轴向(z方向)取36m作为此次计算的范围。同时,在模型的下边界施加竖向约束;左、右边界施加水平约束;前后边界施加轴向约束。计算采用Druck-Prager屈服准则,围岩和二衬采用三维实体单元(Soild45),锚杆采用三维杆单元(Link8),初期支护采用空间壳单元(Shell63),格栅采用梁单元(Beam4)。共划分近28116个单元,29150个节点。此次计算所采用的参数依照地勘资料选取(表2)。需要说明的是:对于图1中的加固区围岩采用的是等效提高围岩物理力学参数的方法来实现的,具体做法是将预加固区围岩参数提高近一个级别。

2.3施工过程模拟为尽可能真实模拟隧道的实际开挖过程,并更好地了解开挖产生的空间效应对围岩及支护结构应力与应变的影响,同时寻求“导洞”开挖时隧道主体结构的变形发展规律,模型中设定纵向的中间面为目标研究面,并将模型分为8段开挖。其中:第1、8段长30m,该两段一次性挖除后施作永久支护结构,模拟实际施工完成后的二衬衬砌;第2~7段长6m,均采用该文所探讨的“导洞过渡”方法开挖,每循环开挖长度为1m。

3计算结果及分析

3.1围岩应力特征分析

对于软岩隧道,最为关心的是开挖后围岩及结构的稳定特征,即隧道贯通后围岩最小主应力。经计算可得:隧道开挖后,围岩总体处于受压状态,在隧道拱底、拱顶等部位存在明显的拉应力集中现象。量值上最大主应力出现在拱底,值为1.96MPa(受拉为正,受压为负),同时拱顶处也出现大量的拉应力集中,拱底拉应力明显大于拱顶(加固部位),说明拱顶加固区围岩的自承载能力有所提高。而最小主应力出现在拱脚部位,其值为-2.95MPa,且应力集中有所降低。从围岩受力量值来看,最小主应力值约为岩体抗压强度的60%,说明隧道开挖后围岩的自承载适中,围岩与支护结构将成为重要的承载单元。同时采取的预加固处理措施提高了围岩自身的承载能力,但从加固效果来看,加固强度较高,因此,隧道采用该法开挖,可适当减弱隧道超前支护的强度,以减少经济成本。围岩应力云图只能宏观地看出围岩应力在空间上的总体变化特征和规律,并不能直观地看出隧道围岩应力沿洞轴方向随开挖过程的变化特征,同时考虑到隧道施工过程中最为关心的是围岩洞壁特征点及掌子面上的应力变化情况,因此,图3给出目标面上拱顶、拱腰、边墙、仰拱部位主应力随荷载步的变化曲线。从图3中可以看出:各特征点处围岩应力在隧道开挖完成后均稳定收敛,受到较大影响的范围是在第21~31荷载步之间,此时的掌子面距离目标面约2~2.5m,对应为目标面前后约两个施工循环的距离。再往后除边墙部位的最小主应力较小外,其余部位的最小主应力均在增加,但最终趋于平缓,最大增幅出现在拱顶与拱底处,约为1.0MPa左右。最大主应力在目标面下台阶开挖完成后,除仰拱外,其余各部位变化幅度很小,仰拱变化较大可能是两个导洞开挖后在仰拱底部产生较大的应力集中所致。从应力变化幅度来看,最大主应力变化幅度最大处主要在各分部下台阶开挖时(6、11、16、21开挖步)的仰拱位置:二者应力值均增加近100%;最小主应力变化幅度最大在第21~33开挖步之间,洞壁各特征点应力值具有一定程度的增长,说明围岩能更好地承担一部分荷载,支护结构受力将有所降低,隧道更安全。

3.2隧道变形分析

隧道开挖后目标面各特征点变形均稳定收敛,其受到较大影响的范围在第26~33荷载步之间。在竖直方向上:拱底部位将产生隆起,达210mm,拱顶部位将产生下沉,约140mm,比现场采用台阶法开挖产生的拱顶位移值200mm减少约30%。说明该法中小导洞开挖后,因及时回填并进行基底加固,再加上拱顶部由于事先采取了预加固措施,拱顶及拱底处围岩承载力增大,故位移较小。水平方向:洞壁各特征点除拱顶及拱底外,其余各点均产生向洞内方向的位移,最大值位于边墙处,但是量值较小,为40mm,较现场台阶法开挖产生收敛值90mm减小约55.6%。说明采用“导洞过渡”开挖工法对抑制变形较为有利。

3.3围岩塑性区应变特征

考虑目标面开挖时所产生的塑性区。从计算结果可以看出,导洞开挖及主洞上台阶开挖引起的塑性区范围较小,集中存在于即将开挖的掌子面上,而在开挖轮廓线以外的拱底部位的围岩中塑性区范围最大,但从量值看,其值小。因此,上述塑性区的产生对于隧道总体稳定性不会产生较大影响。上述塑性区较小的原因主要是由两方面因素造成:1)导洞开挖后及时回填加固并施作支护,同时拱顶预加固的同时采用了分步开挖,使得岩体中剪应力值大大减小,从而使对应的剪应变减少;2)由于及时施作了喷锚支护,且喷锚支护的设计参数合理,围岩与初期支护共同受力,使得围岩处于良好的三向受压状态,从而保障了围岩的稳定性。

3.4喷射混凝土的受力特征

为清楚表达隧道开挖后,支护结构的受力特征,选取目标面施工循环即第三段左边导洞、右边导洞、上台阶、下台阶(第20、22、24、26开挖步)开挖完成时的初期支护主应力云图进行研究分析得出:“导洞过渡”法开挖后,初期支护受力主要以压应力为主,但在小导洞底部的局部位置出现一定量的拉应力。随着开挖的逐渐深入,初支的受力逐渐增加,小导洞开挖时(第20、22开挖步)衬砌拱底及拱顶内侧均存在较大的拉应力,最大拉应力位于导洞拱底的局部地段,最大值为5.1MPa,超过混凝土的抗拉强度,小导洞底部混凝土已破坏,但考虑到该部位要用混凝土回填,加之初衬中钢筋网及格栅的共同作用,初衬施作后底部将产生拉裂缝,其不会对结构的安全产生影响。从最小主应力云图来看,在隧道左右导洞开挖后,除导洞拱顶、拱肩及拱底内侧承受压应力外,其余部位均承受较小的拉应力,最大拉应力约为0.42MPa。在主洞上台阶开挖时(第24开挖步),初支受力与前述规律基本一致:初期支护,拱顶、拱腰部位受压,其余受拉,量值上最大拉应力值有所减小,其值为0.37MPa,主洞下台阶开挖时(第26开挖步),上述受力特征基本保持不变,并且最大拉应力值小于混凝土的抗拉强度,衬砌强度满足设计要求结合前述分析可知,隧道采用“导洞过渡”法开挖后,对减小围岩变形具有良好效果,同时围岩的自承载能力也有一定提高,支护结构受力满足强度要求。因此,该法对于震区软岩隧道而言,是适宜的。

4结论

通过对“导洞过渡”法进行数值模拟研究,并对隧道开挖后的变形及结构受力进行分析,得出如下结论:

(1)“导洞过渡”法开挖后围岩受力有所增大,围岩自承能力有所提高,可适当降低超前支护的强度与刚度。

(2)该法对抑制隧道变形的效果较佳,隧道开挖后的拱顶沉降比现场采用台阶法开挖产生的位移值减少约30%,周边收敛值减少约55.6%。

(3)该法开挖后可减小围岩产生的剪应力值,使得塑性区范围缩小,支护结构受力合理,可适用于震区软岩隧道的开挖。

作者：许金华丁茂润周艺何川汪波单位：西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室