巖溶隧道洞口段超前支護(hù)數(shù)值模擬

鐘劍， 傅鶴林， 唐超

(1.湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.中南大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410075)

1 工程概況

重慶內(nèi)環(huán)快速路南半環(huán)巴南區(qū)境內(nèi)吉慶隧道位于老王沖倒轉(zhuǎn)背斜的西北翼，主要巖性為泥盆系上統(tǒng)和石炭系下統(tǒng)的泥質(zhì)灰?guī)r、混灰?guī)r夾灰?guī)r、頁(yè)巖及砂巖。隧道埋深6 m，圍巖Ⅴ級(jí)，上覆3 m厚土層，圍巖與土層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。采用三臺(tái)階法進(jìn)洞，支護(hù)方法及參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 圍巖與土層的物理力學(xué)參數(shù)

表2 支護(hù)方法及參數(shù)

2 隧道洞口模型的建立

2.1 模型構(gòu)建

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況，分析范圍取長(zhǎng)×寬×高=40 m×70 m×40 m。采用Mohr-coulomb理想彈塑性模型，超前管棚采用Beam單元，鋼拱架+網(wǎng)噴初期支護(hù)采用Shell單元。

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

結(jié)合該隧道地質(zhì)資料，參照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，確定圍巖及材料參數(shù)(見(jiàn)表1、表2)。

2.3 計(jì)算邊界與初始應(yīng)力場(chǎng)

邊界條件：地表為自由邊界，模型左、右、前、后及底部施加法向約束。

初始應(yīng)力場(chǎng)條件：取自重應(yīng)力場(chǎng)，圍巖泊松比取0.33，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的關(guān)系為σzz=σxx=2σyy。

2.4 進(jìn)洞開(kāi)挖與支護(hù)的模擬

進(jìn)洞施工模擬工序?yàn)樽{預(yù)加固→設(shè)置30 m長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)→開(kāi)挖上臺(tái)階5 m→中臺(tái)階、下臺(tái)階開(kāi)挖，各相差5 m→施作初期支護(hù)。以此循環(huán)，直至開(kāi)挖完成。

模型建立中，對(duì)于位移，x向?yàn)樗椒较?，y向?yàn)樨Q向，且以重力方向?yàn)樨?fù)向，z軸負(fù)向?yàn)樗淼篱_(kāi)挖方向。

3 數(shù)值模擬分析

采用上述模型，對(duì)管棚+預(yù)注漿超前支護(hù)、管棚支護(hù)、預(yù)注漿及無(wú)任何支護(hù)作用下隧道洞口的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 模擬結(jié)果

3.1.1 預(yù)注漿+超前管棚支護(hù)的模擬

對(duì)隧道洞口采用預(yù)注漿+管棚超前支護(hù)時(shí)，上臺(tái)階開(kāi)挖豎向應(yīng)力及位移見(jiàn)圖1。由圖1可知：整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中圍巖應(yīng)力對(duì)稱分布，隨著臺(tái)階的推進(jìn)，掌子面因卸載產(chǎn)生低應(yīng)力區(qū)，拱腳則形成高應(yīng)力區(qū)，與開(kāi)挖前相比，應(yīng)力提高100%；最大沉降均出現(xiàn)在拱頂，地表沉降對(duì)稱，且離地表中線越近，沉降越大，隧道頂部地表沉降為4～6 mm。

圖1 預(yù)注漿+管棚支護(hù)時(shí)上臺(tái)階開(kāi)挖y向應(yīng)力及位移(單位：m)

3.1.2 預(yù)注漿加固的模擬

對(duì)隧道洞口地表僅進(jìn)行預(yù)注漿支護(hù)時(shí)，上臺(tái)階開(kāi)挖豎向應(yīng)力及位移見(jiàn)圖2。由圖2可知：縱橫向應(yīng)力相對(duì)隧道軸線對(duì)稱，隨著開(kāi)挖的推進(jìn)，出現(xiàn)局部應(yīng)力集中(拱腳與拱頂部位)，但未出現(xiàn)拉應(yīng)力，橫向應(yīng)力最大值在0.4 MPa左右，豎向應(yīng)力最大值在1.0 MPa左右；拱頂位移和地表沉降呈對(duì)稱分布，地表沉降最大值為11.3 mm。

圖2 預(yù)注漿支護(hù)時(shí)上臺(tái)階開(kāi)挖y向應(yīng)力及位移(單位：m)

3.1.3 管棚超前支護(hù)的模擬

進(jìn)洞僅采用管棚超前支護(hù)時(shí)，上臺(tái)階開(kāi)挖豎向應(yīng)力及位移見(jiàn)圖3。由圖3可知：采用管棚超前支護(hù)時(shí)，上臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)豎向應(yīng)力和位移呈對(duì)稱分布。隨著開(kāi)挖的推進(jìn)，水平位移與縱向位移在拱頂、拱腳及仰拱處變化較大，地表沉降范圍逐步增大，開(kāi)挖完成后最大豎向位移為10 mm左右，水平位移為2.4 mm左右，上部地表沉降為6～8 mm。

圖3 管棚超前支護(hù)時(shí)上臺(tái)階開(kāi)挖y向應(yīng)力及位移(單位：m)

3.2 對(duì)比分析

為對(duì)比各種支護(hù)方法的效果，設(shè)置圖4所示5條變形監(jiān)測(cè)線L1～L5[其中L1為地表沉降監(jiān)測(cè)線(橫)，L2為地表沉降監(jiān)測(cè)線(縱)，L3為拱頂變形監(jiān)測(cè)線，L4為拱底變形監(jiān)測(cè)線，L5為側(cè)壁變形監(jiān)測(cè)線]，每掘進(jìn)5 m記錄各監(jiān)測(cè)線的位移分布，結(jié)果見(jiàn)圖5～9。

圖4 變形監(jiān)測(cè)線的布置

由圖6可知：隨著隧道開(kāi)挖臺(tái)階的推進(jìn)，地表沉降不斷增加，最后趨于穩(wěn)定；采用預(yù)注漿+管棚、管棚、預(yù)注漿3種不同超前支護(hù)方式，盡管地表沉降值不同，但變形規(guī)律基本一致。

圖5 監(jiān)測(cè)線L1地表沉降的變化

由圖7可知：隨著隧道開(kāi)挖臺(tái)階的推進(jìn)，拱頂沉降呈增大趨勢(shì)，拱頂沉降隨著掌子面的推進(jìn)而變化，最終趨于穩(wěn)定。

圖6 監(jiān)測(cè)線L2隧道拱頂沉降的變化

由圖8可知：隨著臺(tái)階的開(kāi)挖，仰拱部位逐步隆起，最終趨于穩(wěn)定。

由圖9可知：超前支護(hù)措施對(duì)監(jiān)測(cè)線L5隧道左側(cè)拱腰收斂值的影響并不大，最終達(dá)到穩(wěn)定。

預(yù)注漿+管棚、管棚、預(yù)注漿和不采用任何支護(hù)方式下隧道沉降變形對(duì)比見(jiàn)表3。

圖7 監(jiān)測(cè)線L3隧道拱頂沉降的變化

圖8 監(jiān)測(cè)線L4隧道拱底隆起的變化

圖9 監(jiān)測(cè)線L5隧道左側(cè)拱腰收斂值的變化

監(jiān)測(cè)線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目預(yù)注漿+管棚管棚預(yù)注漿不采用任何支護(hù)L1地表沉降/mm4.05.57.015.5L2地表沉降效果良好效果一般效果一般沉降較嚴(yán)重L3拱頂沉降控制較好控制一般控制較差沉降嚴(yán)重L4仰拱隆起/mm8101225L5拱底沉降/mm0.61.32.56.0

4 結(jié)論

(1) 采取預(yù)支護(hù)措施可控制地表沉降，對(duì)于破碎圍巖、淺埋地段隧道進(jìn)洞，為確保進(jìn)洞安全，采取預(yù)支護(hù)措施很有必要。

(2) 就控制拱頂沉降而言，幾種支護(hù)方式的效果為預(yù)注漿+管棚支護(hù)>管棚支護(hù)>預(yù)注漿支護(hù)；就仰拱隆起面和隧道側(cè)壁收斂控制而言，預(yù)注漿+管棚支護(hù)、管棚支護(hù)、預(yù)注漿支護(hù)的效果相當(dāng)；就控制隧道圍巖應(yīng)力、位移而言，預(yù)注漿+管棚支護(hù)的效果最好，管棚支護(hù)、預(yù)注漿的效果相當(dāng)。