川藏鐵路大渡河特大橋錨洞對(duì)隧道安全影響評(píng)價(jià)

馬云飛

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300000)

川藏鐵路地形環(huán)境極其艱險(xiǎn)、不良地質(zhì)發(fā)育，給工程建設(shè)帶來了極大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)[1]。因此，探究適用于川藏鐵路的施工方案并進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)顯得極為迫切和需要。

隧道錨具有工程量小、承載能力大和對(duì)周圍環(huán)境影響小的特點(diǎn)[2]，且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能化模型和設(shè)備正逐步應(yīng)用于隧道錨施工[3-4]，因此，隧道錨常作為懸索橋錨碇形式。目前，對(duì)隧道錨的研究主要集中于特殊地層的隧道錨特性研究[5-7]、邊坡和滑坡對(duì)隧道錨的影響[8-9]、隧道錨承載特性及破壞模式[10-13]以及隧道錨力學(xué)模型的建立等[14-16]。此外，顏冠峰等[17]對(duì)隧道錨的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，研究結(jié)果對(duì)于隧道錨在地震動(dòng)作用下的受力特性具有借鑒作用；楊懋偲等[18]采用改進(jìn)的灰色模型對(duì)隧道錨的極限承載力進(jìn)行預(yù)測(cè)，并驗(yàn)證了該方法的合理性；楊星宇，楊忠平等[19-20]分別研究了重力相似條件和幾何尺寸對(duì)隧道錨的影響；文麗娜等[21]對(duì)隧道錨蠕變特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明錨碇蠕變不會(huì)影響懸索橋的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

綜上所述，目前對(duì)于隧道錨的研究主要集中于其自身承載特性和破壞模式以及外界環(huán)境對(duì)其影響，鮮有對(duì)隧道錨與隧道間的合理施工方案及其安全性進(jìn)行分析。依托川藏鐵路大渡河特大橋?qū)λ淼厘^的施工方案進(jìn)行分析并進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，研究結(jié)果對(duì)于大渡河特大橋及類似工程的施工和設(shè)計(jì)具有一定的借鑒和參考作用。

1 工程概況

圖1 大渡河特大橋橋梁立面布置(單位：m)

2 計(jì)算模型及參數(shù)

大渡河特大橋成都側(cè)地質(zhì)條件較為復(fù)雜，巖層中分布大量軟弱夾層，巖體破碎，且左岸隧道錨尺寸較大(受主纜高強(qiáng)鋼絲散開面積影響，隧道錨前錨面尺寸較大，決定了隧道錨整體尺寸較大)，錨塞體部分穿過軟弱夾層，因此，選取成都側(cè)對(duì)隧道錨和鐵路隧道施工方案及安全性進(jìn)行研究。而拉薩側(cè)隧道錨與鐵路隧道凈距較小，隧道錨散索鞍支墩、前錨室、錨塞體及后錨室和鐵路隧道洞口段、洞口邊坡防護(hù)工程空間上疊加并存，施工交叉程度高，且隧道為變截面隧道(車站隧道)，因此，選取拉薩側(cè)研究隧道錨施工對(duì)近距離變截面隧道的影響。采用Plaxis進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示，計(jì)算參數(shù)如表1～表3所示。其中，成都側(cè)模型整體尺寸為550 m×250 m×440 m(長(zhǎng)×寬×高)，拉薩側(cè)模型整體尺寸為550 m×200 m×480 m(長(zhǎng)×寬×高)。巖土體采用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，模型底邊固定約束，四周法向約束，頂端自由。

圖2 隧道錨計(jì)算模型

表1 成都側(cè)地層參數(shù)(引用大渡河橋地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告數(shù)據(jù))

表2 拉薩側(cè)地層參數(shù)(引用大渡河橋地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告數(shù)據(jù))

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 施工方案比選

通過設(shè)置先施工鐵路隧道后施工隧道錨、先施工隧道錨后施工鐵路隧道和二者同時(shí)施工3種工況，對(duì)隧道模型最大變形進(jìn)行研究。不同施工工況下隧道模型變形曲線及其最大值如圖3、圖4所示。由圖可得：

圖3 不同施工方案下的模型變形值

圖4 模型最大變形值

(1)采用3種工況的隧道最大變形值均發(fā)生在離隧道洞口210～240 m軟弱夾層破碎段，因此，在施工過程中應(yīng)該加強(qiáng)該段施工措施，并加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，確保施工安全。

(2)采用3種工況開挖隧道錨洞室時(shí)，最大變形的產(chǎn)生部位均位于兩側(cè)隧道錨穿過的軟弱夾層段(左側(cè)隧道錨洞室開挖深度為160～205 m處，右側(cè)開挖深度約為147～192 m處)。建議在隧道錨開挖至此段時(shí)采取縮短開挖進(jìn)程、加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)等措施，密切關(guān)注隧道錨洞室及上方隧道的變形，做好應(yīng)急預(yù)案。

(3)采用先隧后錨、先錨后隧和隧錨同步3種工況施工過程中，模型最大變形值均在18 mm左右，產(chǎn)生于隧道錨剖面。鐵路隧道剖面產(chǎn)生最大變形的工況由小到大為先錨后隧、先隧后錨、隧錨同步，分別為8.92，8.95，9.64 mm。

4 隧道錨極限抗拔安全系數(shù)分析

為探究隧道錨的極限抗拔安全系數(shù)，對(duì)隧道錨的變形、隧道錨與圍巖間的剪應(yīng)力變化及塑性點(diǎn)分布進(jìn)行研究。大渡河特大橋單根主纜采用217根索股，單根索股由91根φ5.77 mm的鍍鋅-鋁合金鍍層高強(qiáng)鋼絲組成。本次有限元計(jì)算采用后推荷載模擬主纜力荷載，以主附工況下最大拉力431 267 kN為1倍工況荷載取值。成都側(cè)隧道錨后錨面尺寸為16.52 mm×24.00 m，則1倍后推荷載F計(jì)算如下

F=431 267/[0.125×16.522+16.52×

(24-0.5×16.52)]=1 175 kPa

(1)

同理可得其他后推荷載(2～10倍工作荷載)的計(jì)算結(jié)果。不同后推荷載下模型變形和隧道錨與巖體間的主應(yīng)力變化曲線如圖5所示，隧道錨塑性點(diǎn)分布如表4所示。

表4 不同荷載下隧道錨塑性點(diǎn)分布

圖5 不同荷載下的模型變形及剪應(yīng)力變化曲線

(1)隨著主纜力荷載的增大，隧道豎向位移表現(xiàn)為線性增大趨勢(shì)，表明隧道錨施加主纜力荷載對(duì)隧道的變形影響較大，且在10倍工作荷載內(nèi)，隧道錨周圍巖土體仍處于彈性變形階段。當(dāng)工作荷載由1倍增加至10倍時(shí)，隧道錨最大位移由2.54 mm增加至31.62 mm，隧道剖面最大位移由1.16 mm增加至13.53 mm。

(2)隧道錨與巖體間剪應(yīng)力變化規(guī)律表明：1～6倍主纜力工作荷載作用下，隧道錨與巖體間剪應(yīng)力變化幅度較?。划?dāng)后推荷載大于6倍主纜力荷載后，隧道錨與巖體間剪應(yīng)力變化百分比發(fā)生急劇上升，隧道錨與巖體水平剪應(yīng)力變化百分比由0.23%上升至20.64%。6倍主纜力荷載是隧道錨與巖體間剪應(yīng)力發(fā)生較大變化的特征點(diǎn)。

目前中國(guó)石化已成立青年創(chuàng)新工作室379個(gè)，獲省部級(jí)及以上科技創(chuàng)新成果208項(xiàng)、國(guó)家發(fā)明專利3646項(xiàng)，匯聚了全員創(chuàng)新動(dòng)能和創(chuàng)效活力。

(3)塑性點(diǎn)分布表明，隧道錨在1～8倍主纜力工作荷載作用下，界面塑性區(qū)未出現(xiàn)貫通或只出現(xiàn)少量貫通現(xiàn)象，可認(rèn)為尚未達(dá)到抗拔極限承載力狀態(tài)。當(dāng)對(duì)隧道錨錨塞體施加主纜力荷載至10倍工作荷載時(shí)，隧道錨錨塞體界面出現(xiàn)大面積塑性區(qū)，說明隧道錨達(dá)到抗拔極限承載力狀態(tài)。

(4)綜合不同倍數(shù)主纜力工作荷載作用下隧道錨變形曲線、隧道錨與圍巖間剪應(yīng)力變化百分比曲線以及塑性點(diǎn)分布，可知隧道錨的抗拔安全系數(shù)由隧道錨與巖體間的界面剪應(yīng)力所控制，推斷大渡河特大橋成都側(cè)隧道錨的極限抗拔安全系數(shù)為6.0。

5 錨洞施工對(duì)隧道的影響研究

考慮到隧道錨施工周期較長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)很難做到先錨后隧施工方案，同時(shí)，為探明隧道錨施工對(duì)鐵路隧道的影響，選取拉薩側(cè)研究隧道錨施工對(duì)車站隧道的影響。默認(rèn)為在隧道錨開挖前，鐵路隧道已施工完畢，拉薩岸隧道錨長(zhǎng)180 m，上下游同時(shí)開挖，第1～第9階段，每階段開挖隧道錨20 m，完成錨洞洞身開挖。

第10階段施工隧道錨錨塞體，第11階段～第16階段施加后推荷載。隧道錨及鐵路隧道開挖均采用控爆形式，爆破振速應(yīng)控制在5.0 cm/s以下。隧道監(jiān)測(cè)斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖6所示，計(jì)算結(jié)果的變化曲線如圖7所示。

圖6 隧道監(jiān)測(cè)斷面布置

由圖7可得：

圖7 不同監(jiān)測(cè)斷面位移變化曲線

(1)隨著隧道錨洞室開挖深度的增加，Ⅰ-Ⅰ斷面隧道位移不斷增加，第5階段后，位移逐漸穩(wěn)定在0.58 mm。當(dāng)隧道錨錨塞體施加后推荷載后，Ⅰ-Ⅰ斷面隧道位移繼續(xù)表現(xiàn)為增大趨勢(shì)。隧道錨洞室開挖和隧道錨錨塞體施加后推荷載過程中，Ⅰ-Ⅰ斷面隧道各測(cè)點(diǎn)位移大小及變化規(guī)律基本相同。

(2)第1～第3階段開挖隧道錨洞室對(duì)Ⅱ-Ⅱ斷面隧道位移影響較小，開挖完成后最大位移為1.14 mm。Ⅱ-Ⅱ斷面隧道不同位置位移的變化規(guī)律為：仰拱>右拱腰>左拱腰>拱頂。主要原因?yàn)棰?Ⅱ斷面隧道距離右側(cè)隧道錨較近，隧道斷面右拱腰與右側(cè)隧道錨凈距只有10.2 m，因此，兩側(cè)隧道錨在同時(shí)開挖的情況下，Ⅱ-Ⅱ斷面隧道右拱腰位移大于左拱腰，第3階段以后，隧道錨洞室開挖掌子面位于隧道下方，因此，隧道錨洞室開挖對(duì)隧道仰拱的影響大于拱頂，表現(xiàn)為仰拱位移大于拱頂。

(3)第1～第6階段開挖隧道錨洞室對(duì)Ⅲ-Ⅲ斷面和Ⅳ-Ⅳ斷面隧道位移影響較小，第6階段以后，隨著隧道錨開挖深度的增加，Ⅲ-Ⅲ斷面和Ⅳ-Ⅳ斷面隧道的位移也不斷增加，分別為2.22 mm和0.47 mm。隧道錨錨塞體施加后推荷載以后，Ⅲ-Ⅲ斷面和Ⅳ-Ⅳ斷面隧道的位移先減小后增大。隧道錨錨塞體施加后推荷載對(duì)Ⅲ-Ⅲ斷面和Ⅳ-Ⅳ斷面隧道仰拱影響較大，隨著后推荷載的增大，仰拱位移變化速率大于拱腰和拱頂，6倍工作荷載以后，仰供位移大于拱腰和拱頂。

6 結(jié)論

(1)隧道錨對(duì)鐵路隧道安全影響的主要因素為兩洞先后施工順序、兩洞之間距離及爆破開挖振速。

(2)先錨洞后隧道施工方案的安全性相對(duì)較好，建議采用先錨后隧施工方案。最大變形均處于軟弱夾層破碎帶，在隧道開挖至軟弱夾層處時(shí)應(yīng)密切關(guān)注錨洞的變形，采取縮短開挖進(jìn)程、加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)等措施。

(3)隧道錨抗拔安全系數(shù)由隧道錨與巖體界面間的剪應(yīng)力所控制，成都側(cè)隧道錨抗拔安全系數(shù)為6.0。

(4)隧道錨洞施工對(duì)隧道洞口段影響最大，最大位移為2.22 mm。隧道施工超前時(shí)，在拉薩側(cè)錨洞開挖至120～180 m時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)相鄰段近接隧道的位移監(jiān)測(cè)。