草果山隧道支護(hù)措施優(yōu)化

曲 宏 略， 吳 昆 銘， 張 勇， 李 學(xué) 華， 李 彪， 張 建 經(jīng)

(1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；2.天然氣地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；3.云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司市政總承包部，云南 昆明 650000；4.西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

1 概 述

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，公路、鐵路工程在我國(guó)西南部呈網(wǎng)狀鋪開，隧道的數(shù)量不斷增多，隧道埋深也越來(lái)越大，如二郎山隧道、秦嶺終南山隧道等，高應(yīng)力隧道的施工安全也得到越來(lái)越多的關(guān)注。因此，如何在確保施工安全條件下，合理優(yōu)化支護(hù)措施，對(duì)于高應(yīng)力隧道建設(shè)具有非常重要的意義。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值計(jì)算方法被廣泛應(yīng)用到隧道監(jiān)測(cè)驗(yàn)證和預(yù)測(cè)之中[1-6]。對(duì)于針對(duì)初期支護(hù)優(yōu)化的研究，陶志剛[7]等通過(guò)數(shù)值模擬軟件對(duì)NPR錨索間距進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，提出了該方案的優(yōu)化方向。何尉詳?shù)萚8]為解決隧道仰拱初期支護(hù)鋼拱架缺失，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，采用中空注漿錨桿對(duì)仰拱進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng)，取得較好的整治效果。

申志軍[9]等開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)初期支護(hù)不同組合形式進(jìn)行研究，其結(jié)果表明在深埋巖質(zhì)隧道初期支護(hù)中，采用“網(wǎng)噴+鋼架”或“網(wǎng)噴+系統(tǒng)錨桿”即可。關(guān)寶樹[10]指出初期支護(hù)的重要施工原則即必須使之與圍巖成為一體才能發(fā)揮其功能，初步設(shè)計(jì)的支護(hù)方案應(yīng)視施工中圍巖的揭露情況靈活變動(dòng)。

已有的研究在隧道支護(hù)過(guò)程圍巖變形特征與安全評(píng)估方面取得了重要成果，擬采用數(shù)值模擬,對(duì)比草果山隧道輕微巖爆段在不同支護(hù)措施下隧道的變形規(guī)律，對(duì)隧道原支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，并在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程中驗(yàn)證了該優(yōu)化方案的合理性與可行性，能夠?yàn)轭愃乒こ烫峁﹨⒖肌２莨剿淼罏槁闹两鹌礁咚俟返淖铋L(zhǎng)分離式隧道，屬于控制性工程。草果山隧道起訖樁號(hào)：左線ZK33+947.04-ZK40+952，右線YK33+955-YK40+960。隧道全長(zhǎng)7 005 m，為特長(zhǎng)隧道，海拔高程介于1 125～2 126 m之間，相對(duì)高差1 001 m，最大埋深903.8 m，隧道圍巖以二長(zhǎng)巖與花崗巖為主。現(xiàn)場(chǎng)在K35+140處進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果并參照陶征宇判據(jù)，判斷結(jié)果為輕微巖爆，并且在K35+480(埋深507 m)處曾出現(xiàn)輕微掉塊和異常聲響，屬輕微巖爆現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工情況以及考慮到輕微巖爆對(duì)隧道支護(hù)的安全性影響較小[11]，筆者選擇草果山隧道K35+200—K35+600輕微巖爆段進(jìn)行取消鋼拱架的優(yōu)化措施，通過(guò)研究該段圍巖的變形情況來(lái)判斷支護(hù)措施優(yōu)化的效果。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 數(shù)值模型

選取K35+200—K35+600段作為計(jì)算模型，該模型見(jiàn)圖1，計(jì)算模型長(zhǎng)400 m，寬570 m，頂面按照實(shí)際地形選取高程。利用Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，加密了隧道及附近網(wǎng)格，共劃分90 288個(gè)單元，并導(dǎo)入Flac3D5.0軟件進(jìn)行計(jì)算。

圖1 隧道計(jì)算模型圖

2.2 邊界條件及計(jì)算參數(shù)

隧道模型底面和四個(gè)側(cè)面施加法向固定位移約束，上表面為自由邊界。巖體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系計(jì)算采用適于巖土體力學(xué)行為的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。根據(jù)室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果與草果山隧道地質(zhì)資料，選取該模型的巖體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料，K35+200—K35+600區(qū)段圍巖級(jí)別及設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 巖體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

表2 K35+200—K35+600區(qū)段圍巖級(jí)別及設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)表

初期支護(hù)考慮錨桿、鋼拱架、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土的共同作用，采用等效的方法考慮鋼拱架及鋼筋網(wǎng)，初期支護(hù)力學(xué)參數(shù)取值[12]見(jiàn)表3。

2.3 方案設(shè)計(jì)及計(jì)算結(jié)果

數(shù)值模擬的錨噴支護(hù)模型圖見(jiàn)圖2。該次研究共設(shè)計(jì)3種支護(hù)方案，具體方案見(jiàn)表4。隧道采用全斷面分步開挖方式，5 m一次開挖，開挖完成后進(jìn)行支護(hù)，再繼續(xù)循環(huán)開挖。對(duì)隧道拱頂與兩側(cè)邊墻位移變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)位移變化分析隧道開挖與支護(hù)過(guò)程中的變形情況。

表3 初期支護(hù)力學(xué)參數(shù)

圖2 錨噴支護(hù)模型

表4 方案設(shè)計(jì)

(1)方案一。錨桿間距為1.0 m×1.0 m，錨桿長(zhǎng)度為2.5 m，混凝土選用C25，噴射混凝土厚度為0.22 m。鋼拱架間距為1.2 m。K35+600處位移云圖見(jiàn)圖3。

(a) X向位移云圖

(b)Z向位移云圖圖3 方案一位移云圖(m)

(2)方案二。取消鋼拱架，錨桿間距為1.0 m×1.0 m，錨桿長(zhǎng)度為2.5 m，混凝土選用C25，噴射混凝土厚度為0.12 m。K35+600處位移云圖見(jiàn)圖4。

(a) X向位移云圖

(b)Z向位移云圖圖4 方案二位移云圖(m)

(3)方案三。取消鋼拱架，錨桿間距為1.0 m×1.0 m，錨桿長(zhǎng)度為3.5 m，混凝土選用C25，噴射混凝土厚度為0.12 m。K35+600處位移云圖見(jiàn)圖5。

(a) X向位移云圖

(b)Z向位移云圖圖5 方案三位移云圖(m)

選取K35+250、K35+350、K35+450、K35+550四個(gè)典型剖面進(jìn)行分析，將三個(gè)支護(hù)方案位移計(jì)算結(jié)果整理后見(jiàn)表5。

表5 三個(gè)支護(hù)方案位移計(jì)算結(jié)果表

方案一拱頂最大沉降量為0.42 cm，總收斂值最大為2.1 cm。方案二是在方案一的基礎(chǔ)上取消了鋼拱架，拱頂最大沉降量達(dá)到0.9 cm，增大了114.3%，總收斂值最大為2.32 cm，增大了10.5%，說(shuō)明鋼拱架對(duì)隧道變形控制具有一定的作用，尤其是對(duì)拱頂?shù)某两悼刂菩Ч^為明顯。方案三是在方案二的基礎(chǔ)上將錨桿加長(zhǎng)了1 m，其拱頂沉降量和最大收斂值為0.86 cm和2.35 cm，相較于方案二，拱頂沉降量與洞周收斂值有4.4%與1.3%的變化，可以表明加長(zhǎng)錨桿對(duì)支護(hù)作用效果有所提升，但提升效果不明顯。

由于公路隧道監(jiān)控量測(cè)沒(méi)有全國(guó)統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，且鐵路隧道安全等級(jí)高于公路隧道，參考鐵路規(guī)程[13]，方案二與方案三皆滿足其初期支護(hù)極限位移30 mm的要求。但由于該段處于巖爆發(fā)生段，而巖爆的發(fā)生又具有突發(fā)性與不可預(yù)知性，為保證施工人員的作業(yè)安全，選擇方案三作為試驗(yàn)段的支護(hù)措施。

3 試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

草果山隧道在K35+564-K35+600段進(jìn)行了試驗(yàn)段，在原設(shè)計(jì)支護(hù)類型上取消了鋼拱架支護(hù)措施，采用方案三支護(hù)措施進(jìn)行支護(hù)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控量測(cè)，得到試驗(yàn)段的變形情況。隧道周邊位移與拱頂沉降測(cè)點(diǎn)布置示意圖見(jiàn)圖6，分別在試驗(yàn)段三處位置對(duì)洞內(nèi)變形的情況進(jìn)行監(jiān)控測(cè)量，其結(jié)果見(jiàn)表6。

圖6 隧道周邊位移與拱頂沉降測(cè)點(diǎn)布置示意圖

表6 試驗(yàn)段監(jiān)控量測(cè)洞內(nèi)變形數(shù)據(jù)匯總及結(jié)果一覽表

根據(jù)草果山隧道后期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)半個(gè)月的監(jiān)控量測(cè)報(bào)告，未觀察到巖爆現(xiàn)象，監(jiān)測(cè)斷面拱頂最大下沉量為1.05 cm，而數(shù)值模擬結(jié)果拱頂最大下沉量為0.93 cm，數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段實(shí)際情況較吻合。草果山試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)結(jié)果滿足規(guī)范要求，因此，在草果山隧道巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果為輕微巖爆段采取取消鋼拱架的措施是可行的。

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者通過(guò)數(shù)值模擬手段及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)驗(yàn)證，針對(duì)草果山隧道預(yù)測(cè)結(jié)果為輕微巖爆段區(qū)域進(jìn)行了巖爆防治的支護(hù)措施設(shè)計(jì)優(yōu)化研究。

(1)采用數(shù)值模擬，對(duì)比分析了三種不同的支護(hù)方式下圍巖變形特征，表明在取消了鋼拱架后，隧道的變形雖然有了一定的增長(zhǎng)，但仍然滿足隧道圍巖變形安全規(guī)范要求，草果山隧道輕微巖爆段具備取消鋼拱架支護(hù)的可行性。

(2)對(duì)草果山隧道K35+564-K35+600段進(jìn)行取消鋼拱架的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段變形監(jiān)測(cè)結(jié)果表明在取消了鋼拱架后，隧道的拱頂下沉量最大為0.74 cm，洞周收斂值最大為1.05 cm，收斂值滿足安全規(guī)范要求。實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果有較好的一致性，驗(yàn)證了數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的合理性。

(3)通過(guò)對(duì)草果山隧道的支護(hù)措施優(yōu)化，取消了鋼拱架的架設(shè)，降低了支護(hù)成本，加快了施工進(jìn)度，為類似工程提供了參考。