Ⅳ級圍巖條件下隧道仰拱施工穩(wěn)定性研究

鄧榮光 王元韓

(1.貴州高速公路集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550004； 2.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

Ⅳ級圍巖條件下隧道仰拱施工穩(wěn)定性研究

鄧榮光1王元韓2

(1.貴州高速公路集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550004； 2.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

以某隧道在Ⅳ級圍巖條件下仰拱開挖過程中，拱腳開挖長度過大而導(dǎo)致隧道失穩(wěn)塌方為例，通過數(shù)值分析隧道仰拱塌方失穩(wěn)機(jī)理，指出了當(dāng)前隧道仰拱施工中應(yīng)注意的安全事項，可為隧道設(shè)計和施工安全控制管理者提供參考。

隧道仰拱，病害，數(shù)值分析，襯砌，塌方

1 工程概述

該隧道工程位于某二級高速公路上，隧址區(qū)屬北亞熱帶溫和、多雨、多霧濕潤氣候區(qū)，區(qū)內(nèi)立體氣候顯著，具四季分明，冬冷有寒雪、夏熱、秋涼的季節(jié)特征。隧道里程樁號K60+785～K63+515，長2 730 m，屬長隧道。

隧道區(qū)內(nèi)存在的主要不良地質(zhì)為煤層瓦斯，無其他類型的不良地質(zhì)現(xiàn)象。區(qū)內(nèi)地下水接受補(bǔ)給來源單一，主要為大氣降水，地下水動態(tài)變化同大氣降水密切相關(guān)，受大氣降水控制。

2 問題闡述

在隧道開挖施工的過程中，對于Ⅳ，Ⅴ級圍巖地段，通常隧道襯砌斷面設(shè)置仰拱，仰拱是隧道結(jié)構(gòu)的主要組成部分之一，它是隧道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。它一方面要將隧道上部的地層壓力通過隧道邊墻結(jié)構(gòu)或?qū)⒙访嫔系暮奢d有效的傳遞到地下，而且還有效的抵抗隧道下部地層傳來的反力，仰拱的作用在于使結(jié)構(gòu)成為統(tǒng)一的受力結(jié)構(gòu)，即仰拱施工完后的隧道斷面應(yīng)是整體統(tǒng)一的承受來自初期支護(hù)的壓力[1，2]。在仰拱的施工過程中，通常先挖去一邊拱腳，然后路面填充混凝土，再挖去另一邊拱腳，最后施作混凝土，使之成為統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)。

一般在地質(zhì)條件較差的情況下，仰拱開挖長度不宜超過5 m～10 m，且開挖后應(yīng)立即噴射混凝土，鋼架支立，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到75%后，方可再次開挖。但在該隧道仰拱開挖過程中，存在一次性開挖拱腳近30 m距離，致使隧道斷面處于懸空失穩(wěn)狀態(tài)，最終導(dǎo)致隧道施工塌方問題。

圖1，圖2為拱腳開挖時(坍塌前后)斷面K62+120的周邊收斂以及拱頂下沉的監(jiān)測量測[3]數(shù)據(jù)。

由圖1和圖2可知：斷面K62+120在開挖后20 d內(nèi)周邊收斂速率逐漸變緩，累計收斂值趨于收斂，這是因為隧道開挖后，沒有進(jìn)行過長的仰拱開挖，此時圍巖具有一定的自穩(wěn)能力，周邊變形量很小，雖然巖體由于開挖后產(chǎn)生了應(yīng)力重分布，由于沒有其他因素影響，應(yīng)力重分布趨于穩(wěn)定即收斂速率逐漸變緩至穩(wěn)定。但隨后仰拱開挖過長，且沒有及時將斷面支護(hù)封閉成環(huán)，洞室開挖后局部地區(qū)產(chǎn)生了塑性擠壓流動或剪切流動，破壞了圍巖應(yīng)力的自穩(wěn)性，從而導(dǎo)致了該斷面的失穩(wěn)[4-6]。

圖3和圖4亦反映了由于仰拱開挖后未及時支護(hù)成環(huán)，超挖而引起的拱頂下沉速率不收斂導(dǎo)致斷面失穩(wěn)。由實際監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，隧道襯砌結(jié)構(gòu)隨著拱腳的開挖長度加大，其拱頂下沉速率和周邊收斂速率均加快，隨著下沉與收斂累計值的增加，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物的破壞，發(fā)生塌方事故。

本文為了分析隧道施作仰拱時，拱腳開挖的距離長短對斷面襯砌影響的范圍，采用三維模型對實際情況進(jìn)行有限元模擬分析。

3 分析參數(shù)及計算模型

本文采用ANSYS三維彈塑性非線性方法[7]進(jìn)行計算，圍巖采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則。選擇隧道失穩(wěn)時的斷面即K62+120，該斷面圍巖為Ⅳ級，襯砌類型為S4y，埋深286 m。隧道斷面尺寸及圍巖參數(shù)[8]見表1,表2及圖5。

表1 隧道斷面尺寸表

表2 Ⅳ級圍巖參數(shù)表

首先建立隧道整體模型，計算出作用于隧道襯砌上方的圍巖壓力，計算采用“地層—結(jié)構(gòu)”模型，圍巖采用單元Solid45，混凝土單元采用Solid65，模型如圖6所示。

在由ANSYS得出作用于襯砌上方的圍巖壓力后，將圍巖壓力作用于襯砌結(jié)構(gòu)上，利用ekill命令將超挖部分的仰拱單元刪除，再次建立隧道襯砌模型如圖7所示。

4 計算結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

通過模型模擬，首先模擬拱腳處開挖30 m后，超挖段襯砌X方向變形圖見圖8。

分析結(jié)果后可得，結(jié)構(gòu)最大變形量為：X正方向變形1.107 m，即拱腳處向臨空面變形了1.107 m，在有限元模擬分析中，未加入結(jié)構(gòu)的破損參數(shù)，但是從實際出發(fā)可知，當(dāng)變形達(dá)到1.107 m，即可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)已經(jīng)向右方向坍塌，模擬與實際相符合。

模擬開挖20 m后，襯砌斷面的X方向變形圖見圖9。

分析結(jié)構(gòu)后可知，結(jié)構(gòu)變形位于超挖位置中，最大變形量為：X正方向變形30.8 cm，即拱腳處向右邊變形了30.8 cm，從實際分析可知，當(dāng)變形達(dá)到30.8 cm時，即可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)已經(jīng)向右發(fā)生屈服，即將或已經(jīng)坍塌，模擬與實際相符合。

模擬開挖5 m后，襯砌斷面的X方向變形圖見圖10。

分析結(jié)果可知：當(dāng)開挖的拱腳只有5 m距離時，結(jié)構(gòu)懸空處向右變形僅僅只有3.7 cm，這是安全的變形范圍，說明此時結(jié)構(gòu)仍然處于彈性穩(wěn)定變形中。這與實際情況相符。

圖11為模擬K62+120斷面變形量隨仰拱一次性開挖長度增加的變化趨勢圖，模擬仰拱一次性開挖長度為2 m，4 m，6 m，…，30 m。可以看出當(dāng)仰拱一次性開挖長度在10 m以內(nèi)時，斷面X方向變形量呈線性變化，此時圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)共同穩(wěn)定變形，且圍巖展現(xiàn)出一定的自穩(wěn)性；當(dāng)開挖長度超過10 m后，可以明顯看出斷面變形量呈指數(shù)增長，即仰拱開挖過長未及時支護(hù)圍巖，導(dǎo)致圍巖急劇變形甚至失穩(wěn)，且未封閉成環(huán)的襯砌不能提供阻止圍巖變形的彈性抗力致使斷面的失穩(wěn)坍塌。仰拱拱腳處的開挖，一次開挖長度不宜超過10 m，噴射混凝土，鋼架支立，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到75%后，方可再次開挖。

5 結(jié)語

通過對仰拱施作時，拱腳處的開挖距離數(shù)值模擬分析可以得出下面結(jié)論：

1)不良地質(zhì)隧道施工應(yīng)堅持“短開挖、弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”的原則，實踐證明，科學(xué)合理的安排仰拱跟進(jìn)距離，能保證施工的速度與安全。

2)拱腳的開挖距離過大會導(dǎo)致拱頂和周邊出現(xiàn)較大變形，故仰拱施工中拱腳的開挖應(yīng)引起高度關(guān)注，開挖前必須按照設(shè)計做好拱墻處鎖腳錨桿等。

3)Ⅳ級圍巖條件下仰拱拱腳處的開挖，一次開挖長度不宜超過10 m。當(dāng)開挖長度保持在10 m內(nèi)時，開挖后的襯砌向臨空面變形呈線性函數(shù)變化；當(dāng)開挖長度超過10 m時，襯砌變形呈指數(shù)函數(shù)增長，即有失穩(wěn)破壞的危險。當(dāng)仰拱開挖后，應(yīng)及時噴射混凝土，鋼架支立，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到75%后，方可再次開挖。

4)加強(qiáng)施工監(jiān)控量測，及時掌握圍巖收斂數(shù)據(jù)，可有效反饋并指導(dǎo)仰拱開挖長度和跟進(jìn)距離。

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[8] JTG D70—2004，公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

Study on tunnel invert construction stability under grade Ⅳ surrounding rock condition

Deng Rongguang1Wang Yuanhan2

(1.GuizhouHighwayGroupCo.,Ltd,Guiyang550004,China;2.CollegeofCivilBuilding,ChongqingUniversityofTraffic,Chongqing400074,China)

Taking the tunnel instability collapse owning to extra-long arch springing in the tunnel invert construction under grade IV surrounding rock condition as an example, the paper carries out numerical analysis of the tunnel invert collapse instability mechanism, and points out tunnel invert construction matters, which will provide some guidance for tunnel design and construction safety control managers.

tunnel invert, disease, numerical analysis, lining, collapse

2015-01-27

鄧榮光(1982- )，男，工程師

1009-6825(2015)10-0167-03

U451.2

A