紅層隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

代超龍， 張志強(qiáng)

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031)

大量紅層地區(qū)高等級(jí)公路建設(shè)實(shí)踐表明[1-4]，紅層地區(qū)公路隧道修建程中會(huì)誘發(fā)規(guī)模較大的滑坡、崩塌、滲水、軟化蠕變、隧道圍巖變形坍塌破壞等各類災(zāi)害。

針對(duì)紅層大跨度隧道的特點(diǎn)[5]，鄭昳采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方法，研究得出CRD可以滿足隧道圍巖穩(wěn)定性要求。陳國忠[6]等從隧道施工圍巖的變形、塑性區(qū)分布規(guī)律、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)等方面研究CRD的合理施工工序。劉明[7]等利用隧道實(shí)時(shí)監(jiān)測的圍巖拱頂下沉和周邊收斂數(shù)據(jù)，研究了紅層隧道圍巖的穩(wěn)定狀況、變形規(guī)律以及二襯支護(hù)時(shí)機(jī)。

本文依據(jù)達(dá)萬高速公路天坪隧道工程實(shí)際情況，確定紅層典型結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征，采取塊體離散元方法研究不同地質(zhì)條件的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況，優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)，提出支護(hù)參數(shù)與支護(hù)原則，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

以達(dá)萬(達(dá)州～萬州)高速公路天坪寨隧道S5-1DM06標(biāo)段為依托，通過對(duì)天坪寨隧道隧址區(qū)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在整個(gè)洞身段，結(jié)構(gòu)面不甚發(fā)育，主要結(jié)構(gòu)面以原生層面和構(gòu)造節(jié)理為主。區(qū)內(nèi)出露巖性眾多，節(jié)理裂隙發(fā)育，地勘報(bào)告顯示，其主要發(fā)育3組(主控節(jié)理2組)，包括：①J1組：產(chǎn)狀0～35 °∠55～77 °，間距0.2～0.5m不等，為區(qū)內(nèi)主控節(jié)理之一；②J2組：產(chǎn)狀190～230 °∠59～80 °，間距0.20～0.70m不等；③J3組：產(chǎn)狀40～65 °∠60～80 °，間距0.50～1.00m不等，可見延伸長度1～4m；微張～張開，面較平直，局部泥質(zhì)充填。

2 數(shù)值模型

2.1 計(jì)算模型與參數(shù)

以天坪寨隧道S5-1DM06段為實(shí)際工程背景，結(jié)合達(dá)州至萬州高速公路天坪寨隧道Ⅴ型襯砌斷面設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 Ⅴ型襯砌斷面設(shè)計(jì)

計(jì)算中所采用的巖體模型、巖塊節(jié)理參數(shù)和構(gòu)造實(shí)測應(yīng)力場參數(shù)見表1和表2。其中，錨桿間距縱×橫0.8m×1.0m，φ22藥卷錨桿長度3.0m，密度7 857kg/m3，彈性模量取210GPa，屈服拉力為180kN。初期襯砌為C20噴射防腐蝕混凝土，初期襯砌24cm厚，計(jì)算所用的襯砌力學(xué)參數(shù)見表1，節(jié)理計(jì)算參數(shù)見表2。

表1 圍巖及初期襯砌計(jì)算參數(shù)

表2 節(jié)理計(jì)算參數(shù)

天坪寨隧道計(jì)算埋深573m，跨徑為12m，模型寬度108m，仰拱距下邊界約36m，拱頂距上邊界約48m。模型上邊界施加上覆巖層壓力，左右邊界約束水平位移，下邊界約束其豎向位移(圖2)。

圖2 計(jì)算模型(0°傾角節(jié)理)

2.2 計(jì)算工況

如表3所示，在自重應(yīng)力場中，全斷面開挖，除節(jié)理傾角以30 °遞增變化外，各計(jì)算模型其他計(jì)算參數(shù)相同。以此來探討不同節(jié)理傾角對(duì)隧道圍巖變形的影響。

表3 計(jì)算工況表

3 計(jì)算結(jié)果分析

運(yùn)用離散元軟件UDEC，計(jì)算在各傾角節(jié)理地層中全斷面開挖隧道，應(yīng)力釋放20 %后打設(shè)錨桿、噴射混凝土，其初期支護(hù)受力計(jì)算分析如下。

3.1 錨桿受力分析

錨桿軸力和沿桿長方向剪力計(jì)算結(jié)果如圖3～圖6所示(僅列出節(jié)理傾角為0 °與60 °計(jì)算結(jié)果)。

圖3 水平巖層錨桿軸力(單位：N)

圖4 60°傾斜巖層錨桿軸力(單位：N)

圖5 水平巖層錨桿剪力(單位：N)

圖6 60°傾斜巖層錨桿剪力(單位：N)

取最接近實(shí)際的60 °傾角巖層隧道分析各根錨桿軸力和沿桿長方向剪力最大值統(tǒng)計(jì)見圖7。

圖7 60°傾角各錨桿軸力和沿桿長方向剪力最大值統(tǒng)計(jì)

從圖7中可以看出：最大錨桿軸力都發(fā)生在右拱腳處的4#錨桿，其值為65.33kN；最大錨桿沿桿長方向剪力都發(fā)生在右拱腳處的3#錨桿，其值分別21.52kN，由此可以看出對(duì)于層狀傾角偏壓隧道，拱腳處錨桿對(duì)改善拱腳處圍巖受力狀況和控制拱腳收斂的作用很明顯。

3.2 襯砌受力分析

襯砌軸力和彎矩計(jì)算結(jié)果如圖8、圖9所示(僅列出0 °與60 °)。

(a)水平巖層

(b)60°巖層圖8 襯砌軸力(單位：N)

(a)水平巖層

(b)60°巖層圖9 襯砌彎矩(單位：N·m)

由計(jì)算結(jié)果可知：水平巖層隧道其軸力彎矩左右對(duì)稱且都不大；在傾斜偏壓隧道中，特別是在60 °傾角節(jié)理地質(zhì)偏壓的隧道中，相對(duì)于右拱肩和右拱腰，左拱肩和左拱腰處的襯砌軸力和彎矩都較大；最大襯砌軸力發(fā)生在左拱腰處，其值為321.8kN；最大襯砌彎矩也發(fā)生在左拱腰處，其值為75.77kN·m，因此建議加強(qiáng)襯砌左側(cè)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

(1)在偏壓隧道中，兩側(cè)拱腳墻腳和左側(cè)拱肩的錨桿軸力剪力相對(duì)較大，拱部和右拱腰的錨桿軸力剪力相對(duì)較小。

(2)相對(duì)于右拱肩和右拱腰，左拱肩和左拱腰處的初期襯砌和圍巖之間的法向接觸壓力、襯砌軸力和彎矩都較大；圍巖與初期襯砌之間最大法向接觸壓力、襯砌最大軸力和最大彎矩都發(fā)生在左拱腰處，因此建議加強(qiáng)襯砌左側(cè)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

(3)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)采取不對(duì)稱設(shè)計(jì)之后，隧道結(jié)構(gòu)只是在施工過程中的局部受力較不利，但是對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性不會(huì)造成傷害；而且采用不對(duì)稱支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，采取恰當(dāng)?shù)氖┕げ襟E可以使其受力優(yōu)于對(duì)稱機(jī)構(gòu)受力。即對(duì)受力較好的一側(cè)適當(dāng)減弱支護(hù)，受力較不利的一側(cè)適當(dāng)增強(qiáng)支護(hù)，既能滿足結(jié)構(gòu)受力，又能達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)適用性。

4 結(jié)論

本文主要研究支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征及優(yōu)化，并對(duì)其安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到以下結(jié)論：

(1)兩側(cè)拱腳墻腳和左側(cè)拱肩的錨桿軸力剪力相對(duì)較大，拱部和右拱腰的錨桿軸力剪力相對(duì)較小。對(duì)于節(jié)理傾角60 °，拱部和右拱肩處的錨桿穿越結(jié)構(gòu)面和巖層較少，而兩側(cè)拱腳墻腳和左側(cè)拱肩處的錨桿穿越的結(jié)構(gòu)面和巖層較多，故兩側(cè)拱腳墻腳和左側(cè)拱肩處的錨桿將承受更多由節(jié)理錯(cuò)動(dòng)變形引發(fā)的錨桿軸力和剪力。各錨桿沿長度方向軸力剪力分布并不均勻，有的軸力剪力最大值發(fā)生在距洞壁約1/3錨桿長度處，有的在約2/3錨桿長度處，有的在錨桿中部。最大錨桿軸力剪力都發(fā)生在右拱腳處的錨桿。

(2)在60 °傾角節(jié)理地質(zhì)偏壓的隧道中，相對(duì)于右拱肩和右拱腰，左拱肩和左拱腰處的初期襯砌和圍巖之間的法向接觸壓力、襯砌軸力和彎矩都較大；圍巖與初期襯砌之間最大法向接觸壓力、襯砌最大軸力和最大彎矩都發(fā)生在左拱腰處，因此建議加強(qiáng)襯砌左側(cè)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

(3)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)采取不對(duì)稱設(shè)計(jì)之后，隧道結(jié)構(gòu)只是在施工過程中的局部受力較不利，但是對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性不會(huì)造成傷害，對(duì)受力較好的一側(cè)適當(dāng)減弱支護(hù)，受力較不利的一側(cè)適當(dāng)增強(qiáng)支護(hù)，既能滿足結(jié)構(gòu)受力，又能達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)適用性。