軟弱土層隧道預(yù)支護(hù)及其參數(shù)優(yōu)化研究

蔣德武

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶　400074)

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軟弱土層隧道預(yù)支護(hù)及其參數(shù)優(yōu)化研究

蔣德武

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶400074)

摘要：為了研究隧道穿越軟弱土地層時(shí)的預(yù)支護(hù)措施，結(jié)合青海東部軟弱土層隧道施工的案例，采用三維有限元計(jì)算模型模擬了隧道在管棚、小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)及無(wú)預(yù)支護(hù)條件下的圍巖穩(wěn)定性變化規(guī)律，表明超前小導(dǎo)管注漿可以滿足圍巖穩(wěn)定要求，并進(jìn)一步對(duì)小導(dǎo)管在不同管徑、環(huán)距、管長(zhǎng)、開(kāi)挖步長(zhǎng)等支護(hù)參數(shù)條件下進(jìn)行了探討.研究表明：在不注漿情況下，單純?cè)龃蠊荛L(zhǎng)、管徑、環(huán)距不能起到抑制圍巖變形的作用；考慮管體注漿的情況下，隨著剩余管長(zhǎng)的增加，拱頂沉降值呈減小趨勢(shì)，但存在某一臨界長(zhǎng)度，當(dāng)剩余管長(zhǎng)超過(guò)這一臨界長(zhǎng)度后，拱頂位移變化趨于穩(wěn)定；對(duì)于軟弱土層中修建隧道開(kāi)挖進(jìn)尺宜取1.0 m，環(huán)向間距宜取0.3 m，小導(dǎo)管長(zhǎng)度宜取4.5 m.本結(jié)論可為軟弱土層隧道設(shè)計(jì)與施工提供參考.

關(guān)鍵詞：軟弱土層；圍巖變形；支護(hù)參數(shù)；穩(wěn)定性

0引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，西部大開(kāi)發(fā)的進(jìn)程也越來(lái)越快，在西部地區(qū)工程中出現(xiàn)的隧道也越來(lái)越多，隧道開(kāi)挖所揭示的地質(zhì)條件更是差異甚大，對(duì)于工程區(qū)域所揭示的黃土層與砂卵石地層而言，兩者都為地質(zhì)條件很差的圍巖.砂卵石地層一般由黏性土或砂卵石、粗砂、卵石等組成，大多數(shù)砂卵石地層結(jié)構(gòu)松散，分布不均，具有強(qiáng)烈的離散特性；而黃土地層具有明顯的垂直節(jié)理，其土質(zhì)疏松遇水侵蝕后極易濕陷.在這兩種特殊的軟弱土地層修建隧道必須采取一定的超前預(yù)支護(hù)措施.對(duì)此，有關(guān)專家針對(duì)預(yù)支護(hù)及相應(yīng)措施進(jìn)行了研究,并取得了大量的成果[1-4].本研究在參照上述研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)青海東部南山1#隧道工程，從隧道在管棚、小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)、無(wú)預(yù)支護(hù)穿越軟弱土地層的圍巖穩(wěn)定性變化規(guī)律，對(duì)小導(dǎo)管在不同管徑、環(huán)距、管長(zhǎng)、開(kāi)挖步長(zhǎng)等參數(shù)條件下，對(duì)軟弱土層隧道預(yù)支護(hù)情況進(jìn)行了探討.

1工程概況

作為研究對(duì)象的青海東部南山1#隧道設(shè)計(jì)路線為雙線，隧道斷面為三心圓，初步設(shè)計(jì)為分離式隧道.根據(jù)線路調(diào)查，隧道穿越地區(qū)為軟弱土地層，在一定深度范圍內(nèi)，從上至下分為黃土層和卵石層.

整個(gè)隧道圍巖級(jí)別均為Ⅴ級(jí)，埋深2.0～63.0 m，隧道洞身均為卵石地層，卵石呈無(wú)膠結(jié)—弱膠結(jié)狀，其圍巖穩(wěn)定性較差，開(kāi)挖時(shí)成洞困難，遇水后洞頂以及側(cè)壁極易變形.局部洞身段埋深在30 m左右，處于上部黃土與下部卵石層交界面，由于上部黃土濕陷厚度最大可達(dá)18 m，且洞頂可見(jiàn)黃土濕陷穴、坑等，隧道開(kāi)挖時(shí)極易形成冒頂、坍塌事故，因此，施工時(shí)應(yīng)注意采取防護(hù)措施.隧道地質(zhì)縱斷面圖(局部)如圖1所示.

圖1隧道地質(zhì)縱斷面(局部)示意圖

2預(yù)支護(hù)方案研究

考慮到隧道穿越的地層為軟弱土地層，應(yīng)采取相應(yīng)的預(yù)支護(hù)措施，對(duì)此，本研究擬采用管棚預(yù)支護(hù)、小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)、無(wú)超前預(yù)支護(hù)3種工況采用有限元軟件模擬隧道開(kāi)挖.

2.1計(jì)算模型及參數(shù)選定

由于小導(dǎo)管、 管棚等預(yù)支護(hù)措施主要在隧道縱向發(fā)揮作用，因此，管棚、小導(dǎo)管的預(yù)支護(hù)作用應(yīng)采用三維有限元全真模擬隧道開(kāi)挖，才能得出較為實(shí)際的力學(xué)行為特點(diǎn).

超前預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)的仿真模擬及計(jì)算參數(shù)的選定如表1所示.

表1　隧道模擬參數(shù)表

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，管棚、導(dǎo)管布置均為拱頂范圍150 °，環(huán)向間距均為0.5 m.管棚長(zhǎng)12 m，搭接長(zhǎng)度為4 m，斜插角為5 °；導(dǎo)管長(zhǎng)度為3.5 m，搭接長(zhǎng)度為2 m，斜插角為10 °.

考慮模型的邊界效應(yīng)，模型隧道洞身橫斷面方向(X向)每側(cè)取4倍洞寬，隧底厚度取不小于3倍洞高，此隧道頂部高度即為隧道埋深45 m，隧道縱向長(zhǎng)度取為36 m.左右邊界約束水平位移，下邊界約束豎直位移，上邊界為自由邊界.

2.23種工況數(shù)值結(jié)果分析

2.2.1超前支護(hù)在隧道開(kāi)挖過(guò)程中力學(xué)行為分析.

針對(duì)管棚、小導(dǎo)管支護(hù)所具有的梁效應(yīng)，此處只考察管棚、導(dǎo)管的縱向彎矩.同時(shí)，由于隧道拱頂處鋼管具有代表性，提取拱頂單根鋼管梁?jiǎn)卧鳛榉治鰧?duì)象，分析管棚、導(dǎo)管在隧道開(kāi)挖前、后的受力特征.小導(dǎo)管、長(zhǎng)管棚超前支護(hù)條件下隧道開(kāi)挖前、后拱頂處的鋼管縱向彎矩分布如圖2所示，其最大彎矩值如表2所示.

分析圖2和表2可知：

1)隧道開(kāi)挖前，管棚預(yù)支護(hù)與小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)所受的縱向彎矩均較小，隧道開(kāi)挖后，兩者所受到的縱向彎矩值均增大，其中，管棚的縱向彎矩值增加量比小導(dǎo)管的增加量大得多.

2)無(wú)論是開(kāi)挖前還是開(kāi)挖后,管棚支護(hù)的縱向彎矩值均比導(dǎo)管支護(hù)的大得多.

上述分析表明小導(dǎo)管、長(zhǎng)管棚在發(fā)揮其作用過(guò)程中均具梁效應(yīng)，管棚所發(fā)揮的梁效應(yīng)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小導(dǎo)管.

圖2　隧道開(kāi)挖前后超前支護(hù)內(nèi)力圖

2.2.2超前支護(hù)條件下圍巖的變形分析.

隧道邊墻的X向(水平)和拱頂Z向(豎向)的位移往往是評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性的重要參考依據(jù)[5].因此，分析過(guò)程中提取隧道在同一開(kāi)挖步距內(nèi)，不同支護(hù)條件下的拱頂沉降和邊墻水平位移值如表3所示.

表3　各種支護(hù)條件下隧道洞周位移值表

分析表3可知：在管棚和小導(dǎo)管2種超前支護(hù)條件下隧道的拱頂沉降均比無(wú)超前支護(hù)小得多，但3種工況下的邊墻水平位移差不多，這說(shuō)明超前支護(hù)能有效的控制隧道拱頂沉降，但控制隧道周邊收斂的效果卻不明顯.

圖3為隧道在各種支護(hù)條件下，同一開(kāi)挖步距時(shí)圍巖拱頂?shù)呢Q向位移沿隧道縱向分布圖.

圖3開(kāi)挖第八步距后拱頂沿隧道縱向的豎向位移分布曲線圖

分析圖3可知：

1)在開(kāi)挖掌子面的后方，隧道拱頂豎向位移隨著距離掌子面的距離加大，其值越大，在距離掌子面大約15 m時(shí)基本趨于穩(wěn)定；2種超前預(yù)支護(hù)條件下拱頂沉降比無(wú)預(yù)支護(hù)下小得多，且二者拱頂沉降值相近.

2)在開(kāi)挖掌子面前方，沿著隧道縱向遠(yuǎn)離掌子面，拱頂?shù)呢Q向位移逐漸減??；超前管棚和超前小導(dǎo)管支護(hù)條件下的拱頂豎向位移均比無(wú)支護(hù)下的豎向位移小，且二者位移接近.

3小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

由以上分析可以看出，在無(wú)預(yù)支護(hù)的情況下，隧道洞周拱頂沉降及周邊收斂均較大，在上述2種預(yù)支護(hù)的條件下，隧道洞周圍巖變形都有了較大的改善，隧道開(kāi)挖面也基本保持了穩(wěn)定.這說(shuō)明在上述2種預(yù)支護(hù)的情況下，均可以有效改善隧道圍巖的穩(wěn)定性.但由于在卵石地層中管棚鉆進(jìn)較困難，結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，本研究建議在該地層中采用超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)措施.

3.1小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)參數(shù)類型分析

通常，采用超前注漿小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)穩(wěn)定軟弱土地層隧道具有較好的效果.下面基于上述分析結(jié)果，對(duì)小導(dǎo)管在軟弱土地層中的應(yīng)用情況進(jìn)行細(xì)化分析，對(duì)小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.

小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)參數(shù)主要指小導(dǎo)管管徑、管長(zhǎng)、環(huán)間距及注漿參數(shù)等，同一條件下，不同預(yù)支護(hù)參數(shù)的選取對(duì)隧道工作面附近圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響[6].在本研究建立的隧道模型基礎(chǔ)上，對(duì)小導(dǎo)管的管徑、環(huán)向間距、管長(zhǎng)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.

3.2小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

3.2.1小導(dǎo)管管徑與環(huán)間距.

在不考慮管體注漿情況下，在隧道埋深40.0 m，管長(zhǎng)4.0 m，環(huán)向間距0.5 m條件下，上臺(tái)階分別開(kāi)挖1.0 m，1.5 m，2.0 m后，拱頂豎向位移和拱肩水平位移隨管徑(Φ32、Φ42、Φ50、Φ76)的變化曲線如圖4、5所示.從圖中可以看出，在同一開(kāi)挖步長(zhǎng)條件下，拱頂、拱肩位移相差不大，說(shuō)明在不注漿條件下，只是單純的增大小導(dǎo)管直徑并不能有效抑制圍巖變形.

圖4管徑對(duì)拱頂豎向位移影響曲線

圖5管徑對(duì)拱肩水平位移影響曲線

管體不注漿情況下，在隧道埋深40.0 m，管長(zhǎng)4.0 m，管徑Φ42條件下，上臺(tái)階分別開(kāi)挖1.0 m，1.5 m，2.0 m后拱頂豎向位移和拱肩水平位移隨環(huán)間距(0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m)變化曲線分別如圖6、7所示.從圖中可看出，在同一開(kāi)挖步長(zhǎng)下， 導(dǎo)管環(huán)距越小，拱頂、拱肩位移小幅越小，說(shuō)明在不注漿的情況下，單純的減小環(huán)距不能有效的抑制洞周變形.

圖6　小導(dǎo)管環(huán)向間距對(duì)拱頂豎向位移影響曲線

圖7小導(dǎo)管環(huán)向間距對(duì)拱肩水平位移影響曲線

在隧道埋深40.0 m，管長(zhǎng)4.0 m，上臺(tái)階一次開(kāi)挖1.0 m情況下得到的不同環(huán)間距下拱頂豎向位移隨導(dǎo)管直徑變化關(guān)系曲線如圖8所示.從圖中可以看出，在相同的管徑情況下，拱頂沉降隨環(huán)距的增大而小幅增大，當(dāng)環(huán)距為0.3 m時(shí)，位移值最小，環(huán)距為0.3 m的位移比環(huán)距為0.6 m時(shí)小6.86 mm；在相同的環(huán)距下，拱頂沉降隨管徑的增大而小幅減小，管徑Φ76比Φ32時(shí)僅減小了3.99 mm.說(shuō)明單純的減小環(huán)距要比單純的增加管徑效果要好一些.另外，從圖中還可以看出，當(dāng)管徑為Φ76、環(huán)間距為0.3 m情況下，拱頂沉降最小，這是因?yàn)楣軓皆龃?，?dǎo)管剛度增大，環(huán)距減小，小導(dǎo)管形成的棚架作用越顯著，相應(yīng)的支護(hù)強(qiáng)度也就越高.

圖8不同環(huán)間距下小導(dǎo)管直徑對(duì)拱頂豎向位移影響曲線

綜合以上分析，在軟弱土層隧道施工中，若注漿效果相同，在環(huán)距和管徑上應(yīng)優(yōu)先考慮環(huán)距，軟弱土層圍巖穩(wěn)定較差，宜采用密集的小導(dǎo)管方式(選用0.3 m),然后根據(jù)施工成本選擇適當(dāng)管徑.

3.2.2小導(dǎo)管管長(zhǎng).

1)不考慮管體注漿時(shí).在管體不注漿時(shí)，隧道埋深40.0 m，管徑Φ42，環(huán)向間距0.3 m，不同長(zhǎng)度小導(dǎo)管(3.0 m、3.5 m、4.0 m、4.5 m、5.0 m)在上臺(tái)階分別開(kāi)挖1.0 m、1.5 m、2.0 m后拱頂豎向位移和拱肩水平位移的變化曲線如圖9、10所示.從圖中可看出，在不注漿情況下，拱頂、拱肩位移隨著導(dǎo)管長(zhǎng)度的增加，位移值小幅減小，說(shuō)明單純?cè)龃蠊荛L(zhǎng)也不能很好起到抑制圍巖變形的作用.

圖9管長(zhǎng)對(duì)拱頂豎向位移影響曲線

圖10管長(zhǎng)對(duì)拱肩水平位移影響曲線

2)考慮管體注漿時(shí).在隧道埋深40.0 m時(shí)，管體注漿后，不同開(kāi)挖步距下掌子面前方圍巖中導(dǎo)管的剩余長(zhǎng)度與拱頂豎向位移的關(guān)系如圖11所示.從圖中可看出，隨著剩余管長(zhǎng)的增加，拱頂沉降值幅度明顯減小，當(dāng)減小到一定程度時(shí)趨于穩(wěn)定，說(shuō)明存在著某一臨界長(zhǎng)度，當(dāng)導(dǎo)管的剩余長(zhǎng)度超過(guò)這一臨界長(zhǎng)度后，拱頂位移變化趨于穩(wěn)定.從圖中還可以看出:當(dāng)上臺(tái)階開(kāi)挖1.0 m時(shí)，巖體中剩余管長(zhǎng)臨界值為3.5 m，即小導(dǎo)管管長(zhǎng)為4.5 m；當(dāng)上臺(tái)階開(kāi)挖1.5 m時(shí)， 巖體中剩余管長(zhǎng)臨界值為4.5 m，即小導(dǎo)管管長(zhǎng)為6.0 m；當(dāng)上臺(tái)階開(kāi)挖2.0 m時(shí)，巖體中剩余管長(zhǎng)臨界值為5.0 m，即小導(dǎo)管管長(zhǎng)為7.0 m.

圖11不同開(kāi)挖步長(zhǎng)下拱頂豎向位移位移與巖體中剩余管長(zhǎng)關(guān)系

由于開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)隧道洞周變形有顯著影響，所以在軟弱土層中進(jìn)行隧道開(kāi)挖時(shí)，宜用短進(jìn)尺.對(duì)于軟弱土層隧道，一次開(kāi)挖進(jìn)尺宜取1.0 m，相應(yīng)小導(dǎo)管長(zhǎng)度宜取4.5 m.此方案既達(dá)到了較好的預(yù)支護(hù)效果，又降低了工程成本.

4結(jié)論與建議

本研究針對(duì)隧道穿越軟弱土層施工過(guò)程中的圍巖變形，并運(yùn)用有限元數(shù)值模擬方法進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1)在無(wú)預(yù)支護(hù)的情況下，隧道洞周拱頂沉降及周邊收斂均較大；在有預(yù)支護(hù)的條件下，隧道洞周圍巖位移有了較大的改善，隧道開(kāi)挖面也基本保持了穩(wěn)定.此說(shuō)明在軟弱土層中修建隧道應(yīng)采取相應(yīng)的預(yù)支護(hù)措施.

2)在不注漿條件下增大導(dǎo)管直徑、減小環(huán)距、增大管長(zhǎng)，拱頂、拱肩位移變化并不明顯，表明單純?cè)龃髮?dǎo)管直徑、減小環(huán)距、增加管長(zhǎng)均不能有效抑制圍巖變形.

3)考慮管體注漿的情況下，隨著剩余管長(zhǎng)的增加，拱頂沉降值減小，當(dāng)減小到一定程度后，其值趨于穩(wěn)定，即存在某一臨界長(zhǎng)度，當(dāng)剩余管長(zhǎng)超過(guò)這一臨界長(zhǎng)度后，拱頂位移變化趨于穩(wěn)定.

4)對(duì)于軟弱土層中修建隧道開(kāi)挖進(jìn)尺宜取1.0 m，環(huán)向間距宜取0.3 m，小導(dǎo)管長(zhǎng)度宜取4.5 m.

5)150 °范圍布置的超前支護(hù)能有效控制隧道拱頂沉降，但對(duì)于控制隧道周邊收斂的效果不是很明顯，建議加寬布置范圍，在注漿效果相同的條件下建議不宜加大導(dǎo)管直徑.

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Tunnel Pre-support and Parameter Optimization under Soft Soil Layer

JIANGDewu

(Civil Engineering College, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

Abstract:In order to study the tunnel pre-support measures across the soft soil layer,and based on the eastern Qinghai soft soil tunneling case,the paper adopts the three-dimensional finite element model to simulate the change rule of the surrounding rock stability in pipe sheds,and small pipes with and without pre-support.The study shows that advanced small pipe grouting could meet the requirements of surrounding rock stability and therefore, the small pipes' different diameters,their ring distance,their length,the excavation step length and other support parameters are discussed.The results show that without of grouting,increasing the pipes' length and enlarging their diameter and their ring distance cannot restrain the surrounding rock deformation.In the case of the pipe grouting,with the increase of the remaining pipe length,the vault sedimentation value shows a decreasing trend,but there is a limit,that is,there exists a critical length.When the remaining pipe length exceeds the critical length,displacement vault slope becomes more stable gradually.For the construction of tunnels in soft soil,excavation footage should be 1.0 m,ring spacing,0.3 m,small pipe length,4.5 m.The conclusion drawn from the paper can provide a reference for the design and construction of similar tunnels.

Key words:soft soil;surrounding rock deformation;supporting parameter;stability

文章編號(hào)：1004-5422(2016)02-0191-05

收稿日期：2016-05-16.

作者簡(jiǎn)介：蔣德武(1990 — )， 男， 碩士研究生， 從事隧道與地下工程設(shè)計(jì)研究.

中圖分類號(hào)：U455.49；U455.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A