侵入巖蝕變帶地層隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

伍容兵, 羅勝利, 張志強(qiáng)

(1.中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,云南昆明 650000;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610000)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展,對(duì)于交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求在不斷增加。在隧道工程穿越復(fù)雜不良地層環(huán)境時(shí),高地應(yīng)力條件下軟弱圍巖容易發(fā)生大變形,隨之出現(xiàn)的諸如鋼架扭曲、襯砌開(kāi)裂等問(wèn)題,嚴(yán)重影響到了隧道施工進(jìn)程和安全。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)高地應(yīng)力條件下軟巖隧道開(kāi)挖過(guò)程中的支護(hù)問(wèn)題,開(kāi)展了較為系統(tǒng)的研究工作,并取得了一定成果。田四明等[1]人針對(duì)極高地應(yīng)力環(huán)境作用隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特征開(kāi)展研究,并提出了主動(dòng)支護(hù)設(shè)計(jì)方法。周峰等[2]基于宜巴高速公路峽口隧道,運(yùn)用有限元模擬,分析了高地應(yīng)力軟巖公路隧道襯砌的最佳支護(hù)時(shí)期。劉喆[3]探討了高地應(yīng)力軟巖大變形隧道支護(hù)的主要形式,通過(guò)能量法理論,驗(yàn)證了分層支護(hù)和讓壓支護(hù)的設(shè)計(jì)合理性。

盡管與支護(hù)體系的相關(guān)研究已有較多[4-5],但仍需要進(jìn)一步開(kāi)展研究,以滿(mǎn)足高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道普適化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為此,本文以中老鐵路安定隧道為例,采用FLAC3D三維有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,研究不同支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于圍巖控制和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響程度,確定合適的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù),以期為類(lèi)似工程支護(hù)優(yōu)化提供參考。

1 工程概況及模型建立

安定隧道全長(zhǎng)17 476 m,為單洞雙線(xiàn)隧道。隧隧道最大埋深約880 m,局部具有高地應(yīng)力,并且Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖段落占隧道長(zhǎng)度的80%,掌子面溜塌、圍巖變形侵占襯砌凈空頻繁發(fā)生,特別是在里程DK136～ DK138(埋深約700 m)蝕變帶橄欖巖地段隧道圍巖最大變形約100 cm,嚴(yán)重影響了隧道施工進(jìn)程及安全。

在建立圍巖—結(jié)構(gòu)模型時(shí),結(jié)構(gòu)參數(shù)按Ⅴ級(jí)圍巖段落隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為依據(jù)確定。為降低模型邊界效應(yīng)的影響,隧道距離左右、上下邊界的距離均為50 m,通過(guò)施加表面荷載的方式模擬隧道所處的極高地應(yīng)力環(huán)境。采用三臺(tái)階法進(jìn)行開(kāi)挖模擬,模型及隧道開(kāi)挖方式如圖1所示模擬中地層參數(shù)按鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范的推薦范圍進(jìn)行選取,計(jì)算中設(shè)置V級(jí)圍巖條件,圍巖、初支和注漿加固區(qū)域均采用6面體的單元進(jìn)行模擬,錨桿采用結(jié)構(gòu)單元(pile單元),鋼拱架的作用采用等效的方法考慮到初期支護(hù)中。模型地應(yīng)力根據(jù)實(shí)測(cè)值設(shè)置。模擬參數(shù)如表1和表2所示。

表1 V級(jí)圍巖參數(shù)

表2 地應(yīng)力條件 單位:MPa

圖1 三維整體計(jì)算模型

2 計(jì)算工況設(shè)置

針對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道的圍巖變形規(guī)律,結(jié)合安定隧道 段地應(yīng)力條件以及選用的施工方法,考慮采用初期支護(hù)強(qiáng)度等級(jí)、初期支護(hù)厚度、鋼架間距、錨桿長(zhǎng)度、錨桿布置方式,來(lái)探究各種支護(hù)參數(shù)對(duì)圍巖及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的控制效果。工況設(shè)置以及支護(hù)參數(shù)如表3、表4所示。

表3 工況設(shè)置

表4 主要支護(hù)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 初期支護(hù)強(qiáng)度等級(jí)

統(tǒng)計(jì)不同初期支護(hù)強(qiáng)度等級(jí)下各模型Z=35 m斷面最終拱頂沉降以及最終邊墻水平收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果,以評(píng)價(jià)隧道圍巖穩(wěn)定性,如圖2所示。

圖2 Z=35m斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果(初期支護(hù)強(qiáng)度等級(jí)為C20、C35)

由圖3可知,不同初期支護(hù)強(qiáng)度等級(jí)下圍巖位移發(fā)展趨勢(shì)基本一致,仰拱隆起值均大于拱頂沉降值,左邊墻水平收斂值均大于右邊墻。提取出不同初期支護(hù)強(qiáng)度等級(jí)下最終拱頂沉降以及最終邊墻水平收斂值繪制出折線(xiàn)圖分析變化趨勢(shì)(圖3)。隨著初期支護(hù)強(qiáng)度等級(jí)增大,拱頂沉降值減少值分別為11.4 mm、3.4 mm、2.9 mm,左邊墻水平收斂值減小分別為10.7 mm、4.2 mm、1.5 mm,說(shuō)明增大初期支護(hù)強(qiáng)度等級(jí)對(duì)提高圍巖穩(wěn)定性具有一定效果。當(dāng)初期支護(hù)強(qiáng)度等級(jí)大于C25后,拱頂沉降值和邊墻水平收斂值變化曲線(xiàn)趨于平緩,其提高作用減弱?？紤]不同初期支護(hù)強(qiáng)度等級(jí)對(duì)圍巖位移和工程造價(jià)影響,初期支護(hù)強(qiáng)度等級(jí)為C25時(shí)最佳。

圖3 不同初期支護(hù)強(qiáng)度等級(jí)下圍巖位移

3.2 初期支護(hù)厚度影響分析

統(tǒng)計(jì)不同初期支護(hù)厚度下各模型Z=35 m斷面最終拱頂沉降以及最終邊墻水平收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果,以評(píng)價(jià)隧道圍巖穩(wěn)定性,如圖4、圖5所示。

圖4 不同初期支護(hù)厚度隧道模型

圖5 Z=35m斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果(初期支護(hù)厚度為20cm、55cm)

由圖5可知,不同初支厚度下圍巖位移發(fā)展趨勢(shì)基本一致,仰拱隆起值均大于拱頂沉降值,左邊墻水平收斂值均大于右邊墻。提取出不同初支厚度下最終拱頂沉降以及最終邊墻水平收斂值繪制出折線(xiàn)圖分析變化趨勢(shì),如圖6所示。隨著初支厚度的增大,拱頂沉降值減少值分別為14.9 mm、8.3 mm、3.6 mm,左邊墻水平收斂值減小分別為19.2 mm、9.8 mm、3.7 mm,說(shuō)明增大初支厚度對(duì)提高圍巖穩(wěn)定性具有一定的效果。當(dāng)初支厚度大于40 cm后,拱頂沉降值和邊墻水平收斂值變化曲線(xiàn)趨于平緩,其提高作用減弱?？紤]不同初支厚度對(duì)圍巖位移和工程造價(jià)的影響,初支厚度為40 cm 時(shí)效果最佳。

圖6 不同初期支護(hù)厚度最終拱頂沉降以及最終邊墻水平收斂

3.3 鋼拱架間距影響分析

統(tǒng)計(jì)不同鋼架間距下各模型Z=35m斷面最終拱頂沉降以及最終邊墻水平收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果,以評(píng)價(jià)隧道圍巖穩(wěn)定性,如圖7所示。

圖7 不同鋼架間距隧道模型

由圖8可知,不同鋼架間距下圍巖位移發(fā)展趨勢(shì)基本一致,仰拱隆起值均大于拱頂沉降值,左邊墻水平收斂值均大于右邊墻。提取出不同鋼架間距下最終拱頂沉降以及最終邊墻水平收斂值繪制出折線(xiàn)圖分析變化趨勢(shì),如圖9所示。隨著鋼架間距的增大,拱頂沉降值增加幅度分別為5.56%、4.76%、0.88%,左邊墻水平收斂值增加幅度分別為20.23%、9.23%、2.63%,說(shuō)明減小鋼架間距對(duì)提高圍巖穩(wěn)定性具有一定的效果。左邊墻水平收斂值增大幅度大于拱頂沉降,表明鋼架間隔變化對(duì)控制邊墻水平收斂效果更顯著。且當(dāng)鋼架間距大于2.0 m后,拱頂沉降及邊墻水平收斂值變化曲線(xiàn)趨于平緩,其提高作用減弱。當(dāng)鋼拱架間距為2.0 m時(shí),既能保證圍巖穩(wěn)定性,又可節(jié)約工程造價(jià),支護(hù)效果最佳。

圖8 Z=35m斷面不同鋼架間距監(jiān)測(cè)結(jié)果(單位:m)

圖9 不同鋼拱架間距最終拱頂沉降以及最終邊墻水平收斂

3.4 錨桿長(zhǎng)度影響分析

統(tǒng)計(jì)不同錨桿長(zhǎng)度下各模型Z=5 m 斷面最終拱頂沉降以及邊墻收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果,并繪制出折線(xiàn)圖分析變化趨勢(shì),以評(píng)價(jià)隧道圍巖穩(wěn)定性,如圖10所示。

圖10 不同錨桿長(zhǎng)度隧道模型

由圖11可知,不同錨桿長(zhǎng)度圍巖位移發(fā)展趨勢(shì)基本一致,仰拱隆起值均大于拱頂沉降值,左邊墻水平收斂值均大于右邊墻。提取出不同錨桿長(zhǎng)度下最終拱頂沉降以及最終邊墻水平收斂值繪制出折線(xiàn)圖分析變化趨勢(shì),如圖12所示。隨著錨桿長(zhǎng)度的增加,拱頂沉降及邊墻水平收斂值均受到一定程度的限制作用。拱頂沉降值減小值分別為4.5 mm、2.6 mm、1.3 mm,左邊墻水平收斂值減小值分別為10.4 mm、13.5 mm、2.1 mm。邊墻水平收斂值減小幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拱頂沉降,表明錨桿長(zhǎng)度變化對(duì)控制邊墻水平收斂效果更顯著。當(dāng)錨桿長(zhǎng)度大于 4 m 后,拱頂沉降及邊墻水平收斂值減小幅度較小,其提高效果不再明顯,同時(shí)考慮施工的經(jīng)濟(jì)性,錨桿長(zhǎng)度取 4 m 較為合理。

圖11 Z=35m斷面不同錨桿長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)結(jié)果(單位:m)

圖12 不同錨桿長(zhǎng)度最終枳頂沉降以及最終邊墻水平收斂

4 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬手段,以拱頂沉降與邊墻收斂為主要指標(biāo),分析了不同初期支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)下的圍巖變形和穩(wěn)定性差異,得到了結(jié)論:

(1)改變不同支護(hù)參數(shù),圍巖位移發(fā)展趨勢(shì)基本無(wú)變化,仰拱隆起值均大于拱頂沉降值,左邊墻水平收斂值均大于右邊墻。

(2)增大初支強(qiáng)度等級(jí)、厚度、錨桿長(zhǎng)度以及減小鋼架間距等對(duì)提高圍巖穩(wěn)定性具有一定的效果。但當(dāng)支護(hù)參數(shù)增強(qiáng)至一定范圍后,其提高作用減弱。

(3)單一因素下, 初支強(qiáng)度等級(jí)為C25,厚度為40 cm、鋼架間距為2.0 m以及錨桿長(zhǎng)度為4.0 m時(shí)效果最佳,既能確保圍巖穩(wěn)定性,又能節(jié)約工程造價(jià)。

(4)鋼架間隔變化及錨桿長(zhǎng)度變化對(duì)控制邊墻水平收斂效果更顯著。