沈碧偉,胡根生
(浙江省交通投資集團有限公司,浙江杭州310020)
在破碎圍巖中修建大跨度隧道如何限制超欠挖量和保證開挖面的穩(wěn)定性一直是業(yè)界研究的熱點。工程類比和現(xiàn)場試驗一直是解決這一難題的主要方法,許多學者也用數(shù)值模擬法對此進行了一些有益的探索。比如,模擬爆破開挖對圍巖松動圈的影響[1],爆破對隧道周邊應力場分布特征的影響[2-3],但是基于巖體中節(jié)理裂隙面的復雜性,定性研究成果居多,定量結(jié)果偏少。同時,大部分數(shù)值模擬只是對施工情況進行了規(guī)律總結(jié),沒有很好地反饋施工。
本文基于工程實踐中遇到的困難,采用定性分析和數(shù)值模擬2種方法對開挖方案進行了比較分析,再結(jié)合現(xiàn)場試驗,最后得出了比較理想的開挖方案,指導了掘進開挖全過程,同時獲得了一些有用的結(jié)論。這一解決問題的過程和得出的結(jié)論可供同行酌情參考。
本大跨度隧道位于新疆,主洞室總長259m(樁號為Ⅰ+142.000m~Ⅰ+401.000m),主洞室開挖后設計凈跨14.36m,高10.6m,埋深112.4~138.4m,軸線角度為北偏西72°?!兜刭|(zhì)勘察報告》顯示整個隧道均處于Ⅳ級[4]圍巖。主洞巖性為褐灰色中粗粒蝕變花崗巖,塊狀構(gòu)造,具輕微糜棱巖化。節(jié)理裂隙發(fā)育,有明顯1~12mm厚泥質(zhì)物充填。巖石主要由云母、正長石、石英及暗色礦物組成。X共軛節(jié)理發(fā)育,第一主結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀310°~320°∠65°~75°,第二主結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀90°~100°∠5°~10°,致使基巖碎塊多在5~200cm。第三主結(jié)構(gòu)面與隧道軸線平行,產(chǎn)狀198°∠37°。整個項目的工程地質(zhì)狀況變化很少。
項目部結(jié)合業(yè)主要求,為加快施工進度,同時預知前方工程地質(zhì)詳細情況,確保安全文明施工,采用中下導洞法,二次擴挖成全斷面(見圖1a)。該方法有如下優(yōu)點:(1)下導洞為二次擴挖部分最大限度地創(chuàng)造了臨空面,大大提高了爆破效果;(2)可有效減少二次擴挖部分的炮孔數(shù)量,節(jié)約了雷管、炸藥,經(jīng)濟效果明顯;(3)二次擴挖的巖渣不需要二次倒運,較臺階法施工更方便些,尤其在大斷面隧道施工中,可以充分發(fā)揮大型機械作業(yè)的優(yōu)勢,能有效地加快施工進度。
根據(jù)鉆爆法掘進原設計,詳細施工工序如下:開挖中下導洞(6m×6m)→主洞一次性擴挖到設計開挖面→挖機排險、出渣→噴射混凝土→打設系統(tǒng)錨桿→編織鋼筋網(wǎng)→噴射混凝土。
擴挖掘進中每一排炮均有掉塊,小塌方不斷,發(fā)生過多次中、大塌方,超欠挖非常嚴重。鑒于開挖后施作噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)和系統(tǒng)錨桿的風險很大,工人不敢進場施工,項目部暫停施工解決問題。
根據(jù)工程概況,第一主結(jié)構(gòu)面傾向與隧道擴挖掘進方向基本一致,傾角為70°左右,巖層厚度為0.8m,巖層內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育。前一排炮爆破掘進后,開挖面前方巖體內(nèi)部的節(jié)理面在爆破振動下張開,再加上下導洞是一個臨空面,巖體就會順第一主結(jié)構(gòu)面向下導洞滑動。因此中下導洞法有2方面缺點:(1)下導洞導致施工過程中掌子面凹凸不平(深淺距離約2m),施工實際布設炮孔偏離設計的要求,偏差很大,甚至存在部分掌子面上不能夠打鉆炮眼,進而導致在爆破以后巖塊的塊度不均勻,使得局部巖體破碎嚴重[8];(2)掌子面凹凸不平導致炮眼的最小抵抗線方向變化多端,周邊眼爆破過程中爆生氣體和應力波作用方向不容易控制,光面爆破效果不佳,容易造成爆生裂隙,對圍巖的損傷較重。
根據(jù)上述問題,項目部組織召開專家論證會,會議得出了如下意見:(1)為增加開挖面的穩(wěn)定性,頂拱抬高0.8m;(2)加密周邊眼的間距至0.4m;(3)采用4m長超前小導管注漿加固;(4)巖體節(jié)理裂隙非常發(fā)育,為增加施工過程的安全性,建議先編織鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土,后施作錨桿。更改后的施工工序如下:主洞一次性擴挖到設計開挖面→挖機排險、出渣→人工排險、第一次噴射混凝土→架立鋼拱架→編織鋼筋網(wǎng)→頂拱第二次噴射混凝土→打設系統(tǒng)錨桿和超前小導管→將系統(tǒng)錨桿和小導管與鋼拱架焊接牢固→第三次噴射混凝土。
采取以上方案后,施作噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)和系統(tǒng)錨桿過程中的安全度顯著提高,但是擴挖后排險出渣的過程中,小塌方和掉塊還是不斷,平均線性超挖值達到了400mm。因此,本文通過定性分析和數(shù)值模擬2種方法,著重對中下導洞法的可行性進行研究。
隧道軸線方向為y軸,水平垂直軸線方向為x軸,豎直方向為z軸,進行分析的范圍為115m×120m。雖然從理論上講,三維分析軟件能全面準確模擬開挖的全過程,但是鑒于三維分析模型的圍巖參數(shù)取值較困難,巖體眾多節(jié)理建模較復雜,本文采用二維數(shù)值分析軟件,數(shù)值模擬中不考慮走向與隧道軸線成大角度的第一、二主結(jié)構(gòu)面,只考慮走向與軸線平行的第三主結(jié)構(gòu)面。在數(shù)值模擬中考慮圍巖全部節(jié)理裂隙不現(xiàn)實,本文假設圍巖的性質(zhì)是均勻的,同時不考慮爆破振動對圍巖力學參數(shù)的影響,圍巖的物理力學參數(shù)見表1。采用全長水泥砂漿粘結(jié)型錨桿支護,錨桿選用?22mm螺紋鋼筋,長3m,縱橫間距為1.0m×1.0m;噴射混凝土的厚度為18cm;錨桿和噴射混凝土的物理力學參數(shù)見表2。為方便建模,只考慮與開挖面最近的第三主結(jié)構(gòu)面,結(jié)構(gòu)面的物理力學參數(shù)見表3。各開挖方案見圖1。
表1 周邊圍巖物理力學參數(shù)[5-6]
圍巖采用摩爾庫倫模型、四邊形單元,結(jié)構(gòu)面采用接觸單元,噴射混凝土采用梁單元,錨桿采用桿單元,真實模擬一個施工循環(huán)過程(導洞開挖→擴挖→打設錨桿+噴射混凝土→噴射混凝土硬化)。僅受自重場作用。統(tǒng)一建立幾何模型,隧道開挖面、錨桿及開挖面附近的單元加密,自動生成四邊形單元。中下導洞法計算模型見圖2。
表2 錨桿和噴射混凝土物理力學參數(shù)
表3 結(jié)構(gòu)面的物理力學參數(shù)[7]
在計算結(jié)果中選擇隧道周邊塑性區(qū)分布情況來分析應力場。由于只考慮自重場的作用,故只選擇頂拱開挖面垂直位移來查看隧道周圍的變形情況。本文分別對中下導洞法、全斷面法、左下導洞法、右下導洞法和上臺階法等的掘進支護施工全過程進行了計算,但是鑒于本文的研究重點是擴挖后開挖面的穩(wěn)定性,在此只討論擴挖后的圍巖松動圈、開挖面變形和周邊應力場的分布。
中下導洞法擴挖后最大主應力見圖3,頂拱開挖面主應力最大值為0.05N/mm2;中下導洞法擴挖后垂向位移見圖4,頂拱沉降最大值為26.6mm。限于篇幅,只羅列其他方案的計算結(jié)果,不列出圖片,數(shù)值見表4。
圖1 開挖方案簡圖
圖2 中下導洞法單元劃分
圖3 中下導洞法第一主應力圖(N/mm2)
由圖4可知,中下導洞法頂拱三角形區(qū)域(垂向位移大于1cm)的形狀、尺寸與實際塌方體基本一致,因此可得出本文的參數(shù)取值能定性地反映開挖面的實際情況。從3方面考慮,開挖方案的優(yōu)先順序見表5。
圖4 中下導洞法垂向位移(mm)
表4 各方案數(shù)值模擬結(jié)果
表5 開挖方案的優(yōu)先順序
頂拱第一主應力最大值均沒有超過圍巖的抗拉強度0.49MPa,圍巖沒有破壞,這與實際情況不符。這有2方面原因:一是數(shù)值模擬中物理參數(shù)的取值假設巖體是均勻的;二是爆破會造成節(jié)理裂隙的應力集中。因此,從第一主應力角度來看,造成開挖面應力過大的主要原因不是開挖方案而是爆破擾動,可以優(yōu)先選用爆破擾動最小的全斷面開挖方案。
由表4和表5可知,首先排除各方面條件均不是最佳的中下導洞法和右下導洞法。雖然從數(shù)值計算結(jié)果來看,左下導洞法各方面指標都比較好,是一個可選方案,但是本文二維數(shù)值模擬只考慮第一主結(jié)構(gòu)面,由本文第3.2節(jié)可知,采用下導洞法,第二主結(jié)構(gòu)面對開挖面的穩(wěn)定性影響也很大。因此,建議排除左下導洞法。
全斷面法和上臺階法各方面指標均處于合理區(qū)間,第二、三主結(jié)構(gòu)面對2方案的影響也不大,從施工便利性和經(jīng)濟合理性角度,首先選用全斷面法,其次選用上臺階法。
本項目接下來停止開挖導洞,采用全斷面法光面爆破掘進,施工工序與第3.3節(jié)基本一致,只是缺少了下導洞開挖這一道工序。雖然偶爾還有掉塊,但是掌子面平整度(深淺距離約0.4m)和開挖面安全性顯著提高,采用挖機排險后,頂拱不發(fā)生坍塌,平均線性超挖值已經(jīng)小于150mm。接下來單方向掘進月進尺約70m,按計劃完成了掘進支護工作。
本文結(jié)合Ⅳ級圍巖大跨度山嶺隧道掘進中遇到的困難,采用定性分析和數(shù)值模擬2種方法提出了可行方案,解決了問題,最后整理得出了如下結(jié)論:
(1)與導洞法和臺階法相比,全斷面法只對圍巖擾動一次,可以很好地控制開挖面主應力和圍巖變形。只要控制好周邊眼的間距,加以超前小導管注漿等輔助措施,在Ⅳ級圍巖大跨度山嶺隧道中同樣可以采用全斷面法掘進。本項目一次平均進尺2m。
(2)數(shù)值模擬可以在節(jié)理裂隙發(fā)育的山嶺隧道開挖方案比較中得到應用。由于很難真實模擬整座山,模型得出的數(shù)據(jù)不一定與實際一致,但是模型能得出與實際類似的規(guī)律,且能對各方案的優(yōu)劣性進行比較,結(jié)合現(xiàn)場試驗,就能指導工程少走彎路。
(3)Ⅳ級圍巖大跨度山嶺隧道中遇到主結(jié)構(gòu)面的傾向與隧道掘進方向一致的情況,建議不采用下導洞法,提議采用全斷面法或上臺階法光面爆破掘進。
[1] 余永強,路耀邦,楊小林,等.翔安海底隧道爆破開挖圍巖松動圈數(shù)值模擬及測試分析[J].金屬礦山,2011(8):53-59.
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[8] 李偉,方正,劉文進.切縫藥包爆破技術在提高軟巖隧道爆破效果中的運用[J].工程技術與產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟,2009(11):7-8.