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探徽松散堆积体围岩隧道施工方案对比

2013/11/20 阅读:

1工程概况

隧道右线长500m,穿越一大型堆积体,堆积体为坡洪积成因的含砾粉质黏土和卵漂石夹粉质黏土.隧道以较大角度与坡洪积山体相交,坡洪积山体呈长舌状,隧道洞身横穿舌状丘陵的鞍部.隧道围岩为散体结构的含砾粉质黏土和碎石土夹块石,且砾石和块石成分复杂.在隧道进口段的坡面上发现有多处浅层滑塌现象,坡体稳定性差,地质条件复杂.由于堆积体围岩结构松散,地质情况差,因此,进洞施工后多次发生塌方和衬砌开裂下沉等事故.例如:2010年2月28日,右洞施工到YK106+970后,发生了严重拱顶塌方现象并导致地表塌陷,已施作完成的超前支护全部砸毁,无法继续施工,地表塌陷形成一个8m×9m大坑,深度达36m.施工方案也多次变更,先后采用了上下台阶法、三台阶分部开挖法及单侧壁导坑法.

2堆积体力学参数

采用高压大型三轴仪进行饱和固结排水剪试验来得到堆积体力学参数.由于现场获取大型原状土样存在实际困难,因此,试验采用重塑样.试样密度按照现场密度试验结果进行制样,两组试样对应干密度分别为165和150g/cm3,土样最大粒径dmax=60mm,超径土(大于60mm)按剔除法处理后得到试验级配.试样直径为300mm,高度为700mm,分5层制样,采用真空和水头饱和法联合饱和,固结时间为24h,剪切速率为0122mm/min.试验得到的应力应变关系曲线,其中,纵坐标q为偏应力;横坐标εa为轴向应变,εv为体应变.强度指标参数及非线性模型表1中,c为粘聚力;φ为内摩擦角;Et为切线变形模量;K、n分别为lg(Ei/Pa)与lg(σ3/Pa)直线关系的截距和斜率;Rf为破坏比;G、F分别为初始切线泊松比μi与lg(σ3/Pa)直线关系的截距和斜率;D为轴向应变εa渐近值的倒数;Bt为切线体积模量;Kb、m分别为lg(Bt/Pa)与lg(σ3/Pa)直线关系的截距和斜率.结合土的实际应力状态确定邓肯张模型中不同围压下土的初始切线弹性模量和初始切线泊松比,以此近似作为数值计算中土的弹性模量E和泊松比μ.邓肯张模型中初始切线弹性模量和围压之间的关系表达式为Ei=KPaσ3P()an(1)初始切线泊松比和围压之间的关系为μi=G-Flgσ3P()a(2)式中,Pa为大气压力,kPa.研究区域内隧道埋深为35~70m,取平均埋深为48m,堆积体静止侧压力系数取为045;天然密度为17g/cm3,取Pa=100kPa,将以上数据及ICD试验数据中的K、n、G、F代入式(1)和式(2)后,得到摩尔库仑弹塑性模型中的计算参数弹性模量E及泊松比μ.由于堆积土体松散,因此,结合试验情况,调整泊松比μ为038,粘聚力c取30kPa,内摩擦角φ取20°,最终确定隧道围岩及支护材料的计算.钢拱架的计算.锚杆的加固效果根据《公路隧道设计规范》(JTGD702004)将加固区围岩的粘聚力提高30%,超前支护的加固效果也按此方法考虑,计算中将钢拱架的弹性模量折算给初衬混凝土.

3数值模拟分析

3.1数值分析计算模型结合隧道地质及地形条件,建立起止里程桩号为YK107+80~YK107+178的计算模型.模型范围为:沿隧道轴线长度为98m;沿隧道轴线向两侧各延伸约五倍洞径,洞径为109m,模型总宽度为125m;厚度方向上,取隧道顶部为自由面,沿隧道底部向下延伸约五倍洞径,仰拱到模型底部距离为65m.为更好对比上下台阶法、三台阶分部开挖法及单侧壁导坑法等施工方案,计算模型均为同一模型,只是定义组件不同.考虑开挖边界效应,对比各施工方案时均选取YK107+129断面为分析断面.初衬及二衬采用弹性模型,围岩采用摩尔库仑弹塑性模型

3.2边界条件模型各侧面设置相应法向约束,底部设置全约束,上边界为自由边界.

3.3计算步骤根据设计施工方案及现场资料,确定各施工方案的模拟开挖顺序如下:上下台阶法:

1)上台阶每开挖10m,施作上台阶锚固及初衬10m;

2)上台阶开挖10m后,开挖下台阶,保持上下台阶开挖间距为10m;

3)下台阶每开挖10m,施作下台阶锚固、初衬及仰拱10m;

4)仰拱铺设20m后,二衬施工.

三台阶分部法:

1)上台阶每开挖10m,施作上台阶锚固及初衬10m;

2)上台阶开挖10m后,开挖下台阶,保持上下台阶开挖间距为10m;

3)下台阶每开挖10m,施作下台阶锚固及初衬10m;

4)下台阶开挖4m后,开挖左马口,保持下台阶与左马口开挖间距为4m;

5)每开挖左马口10m,施作相应锚固及初衬10m,左马口开挖4m后,开挖右马口,保持左右马口开挖间距为4m;

6)每开挖右马口10m,施作相应锚固及初衬10m,右马口开挖8m后,开挖核心土,保持右马口与核心土开挖间距为8m;

7)核心土每开挖10m,施作相应初衬及仰拱;

8)仰拱铺设20m后,二衬施工.

单侧壁导坑法:

1)先进行导洞施工,导洞上台阶每开挖10m,施作导洞上台阶锚固、初衬及临时仰拱10m;2)导洞上台阶开挖10m后,开挖导洞下台阶,保持上下台阶开挖间距为10m;

3)导洞下台阶每开挖10m,施作导洞下台阶锚固、初衬及临时仰拱10m,保持上述导洞各施工间距直至右洞导坑施工完成;

4)隧道主洞开挖,上台阶(含导坑锚固区上半部分)每开挖10m,施作上台阶锚固及初衬10m;

5)上台阶开挖10m后,开挖下台阶,保持主洞上下台阶开挖间距为10m;

6)下台阶(含导坑锚固区下半部分)每开挖10m,拆除中隔壁及临时支撑10m,施作下台阶锚固、初衬及仰拱10m;

7)仰拱铺设20m后,二衬施工.

4分析断面模拟结果与分析

4.1二衬受力分析为施工结束后分析断面中二衬的最大主应力云图(单位:Pa).由于堆积体围岩本身强度低、刚度低、变形量大、结构松散、对施工扰动敏感,因而导致二衬受力偏大.上下台阶法的的压应力最大值出现在上下台阶开挖分界线的二衬外侧,为367MPa.三台阶分部法的压应力最大值出现在上下台阶开挖分界线的二衬外侧及拱脚,为234MPa.单侧壁导坑法的压应力最大值出现在主洞开挖分界线的二衬右部外侧,为298MPa.受拆除导洞临时支撑影响,在仰拱中间出现了底鼓现象.对比可以看出,三台阶分部法在上下台阶开挖分界线的左右两侧以及左右拱脚等多处出现了压应力集中,单侧壁导坑法在主洞上下台阶开挖分界线的右侧及仰拱中间出现应力集中,二衬受力相对合理.因此,施工中加强局部支护,采用单侧壁导坑法施工更有优势.

4.2拱顶位移从拱顶位移监控曲线可以看出,施工结束后,采用上下台阶法施工,其拱顶位移是4744mm;三台阶分部开挖法为5348mm;单侧壁导坑法的拱顶位移最小,为2615mm.

4.3围岩位移场特征.,施工方法对隧道开挖后变形动态的影响是很明显的.一般来说,在相同地质条件下,开挖分部越多,其位移值也越大.上下台阶法和三台阶分部法的拱顶最大竖向位移分别是4744mm和5348mm,单侧壁导坑法最小,为2807mm.从水平位移云图中可以看出,上下台阶法和三台阶分部法的最大水平位移分别是4997mm和5329mm,单侧壁导坑法最小,为4131mm,导洞临时支撑的支护效果很明显.和三台阶分部开挖法施工完成后,隧道塑性区在左右拱脚及拱顶左右两侧四个方向都有明显扩展,塑性区宽度最大约为18m,拱顶及仰拱附近的塑性区宽度较小,最大约为5m.采用单侧壁导坑法施工能明显减小塑性区分布范围,且塑性区主要分布在主洞开挖的一侧,其最大宽度约为6m,导坑开挖一侧塑性区最大宽度仅为约25m,单侧壁导坑法优势明显.是施工结束后各方案的塑性区体积统计,可以看出三台阶分部法的塑性区体积最大.

5结论

1)从二衬受力来看,堆积体围岩本身强度低、刚度低、变形量大、结构松散,对施工扰动极其敏感,导致各方案施工结束后二衬受力均偏大,但在施工中加强衬砌局部支护情况下,单侧壁导坑法会更有优势,二衬受力也更合理.

2)从拱顶位移来看,三台阶分部开挖法的拱顶位移最大,单侧壁导坑法最小.

3)从围岩竖向位移和水平位移来看,单侧壁导坑法施工对围岩扰动最小.

4)从围岩塑性区来看,无论是塑性区分布范围,还是塑性区体积,单侧壁导坑法都有着明显的优势.

5)尽管单侧壁导坑法有着工序繁多和支护工程量大的缺点,但是导洞贯通减小了主洞开挖难度,超前导洞还可以起到地质预报的作用,能有效地保证松散堆积体围岩隧道的施工安全.因此,采用短进尺的单侧壁导坑施工方案较适合该松散堆积体围岩隧道.

作者:肖建章戴福初闵弘许冲涂新斌王小东单位:中国科学院地质与地球物理研究所武汉岩土力学研究所中国地震局地质研究所

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