沙質(zhì)黃土隧道支護(hù)侵限段邁式管棚超前支護(hù)技術(shù)有效性分析

(中鐵十二局集團(tuán) 第二工程有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

風(fēng)積沙質(zhì)黃土是以沙性土為主的土，施工中這種土質(zhì)易于發(fā)生坍塌。沙質(zhì)黃土圍巖的有各向異性、強(qiáng)度低、松散等力學(xué)特性，直接影響到隧道開挖后掌子面的穩(wěn)定性。如果施工后的圍巖應(yīng)力大于黃土直立方向的強(qiáng)度，就會(huì)造成開挖工作面的失穩(wěn)；如遇濕陷性黃土?xí)r，含水量超過一定值或者遇水后會(huì)產(chǎn)生很大的“沉陷”變形和承載能力的喪失。工程實(shí)踐證實(shí)，隧道側(cè)壁及拱腳處的應(yīng)力集中過大，要求較大的地基承載力，而沙質(zhì)黃土隧道的側(cè)壁及拱腳處承載力不足，是造成隧道塌方的重要原因之一。此外由于沙質(zhì)黃土隧道的土壓力分布極不平衡，一般呈馬鞍形分布，而在淺埋的場合，由于不能發(fā)揮成拱作用，在這種情況下不是出現(xiàn)很大的松弛壓力，就是出現(xiàn)整體下沉的現(xiàn)象?？傊壳霸陲L(fēng)積沙質(zhì)黃土隧道施工中極易出現(xiàn)拱頂下沉，邊墻下塌、收斂、侵限、噴射混凝土剝落，支護(hù)鋼拱架扭曲變形、鎖腳錨管切斷，地表出現(xiàn)多條橫、縱向裂縫等施工現(xiàn)象[1-3]。

采用有限元差分軟件FLAC3D對風(fēng)積沙質(zhì)黃土隧道坍塌體工作面超前支護(hù)技術(shù)進(jìn)行分析研究，工程技術(shù)措施和研究成果對同類工程具有一定的參考和借鑒意義。

1 隧道侵限情況概述

準(zhǔn)池鐵路朔州隧道進(jìn)口DK128+832～DK128+856是淺埋偏壓風(fēng)積沙質(zhì)黃土段，洞頂覆蓋層厚28～30 m，襯砌設(shè)計(jì)斷面如圖1所示。在施工到DK128+856上導(dǎo)初期支護(hù)完成24 h后，拱頂出現(xiàn)塌陷、下沉見圖2；中導(dǎo)DK128+832～DK128+849段噴射混凝土剝落、開裂、下塌變形且侵限；下導(dǎo)DK128+832～DK128+841.6初支開裂、變形且下沉；地表出現(xiàn)多條橫、縱向裂縫，范圍超前，地表最大裂縫寬度12 cm。監(jiān)控量測結(jié)果表明，拱頂最大下沉89 cm，最小下沉62 cm；左側(cè)邊墻最大下塌104 cm、收斂侵限5.1 cm，右側(cè)邊墻下沉80 cm，收斂侵限1.2 cm。初期支護(hù)鋼拱架發(fā)生嚴(yán)重扭曲變形見圖3所示，鎖腳錨管切斷，有塌方冒頂前兆。

圖1 襯砌設(shè)計(jì)斷面(單位：cm)

圖2 拱頂塌陷下沉 圖3 噴混凝土剝落、鋼拱架扭曲變形

為了防止隧道發(fā)生更大的坍塌，立即采取噴錨封閉掌子面，拉渣回填洞室并封閉。然后采用邁式管棚超前支護(hù)技術(shù)對初支進(jìn)行拆換，侵限段支護(hù)拆換施工變形得到了很好的控制[4]。

2 模型建立及參數(shù)選取

2.1 模型建立

采用三維有限差分元模型，計(jì)算范圍左右各取40 m，仰拱下取為40 m，拱頂以上覆土厚度按照實(shí)際埋深取為30 m，依據(jù)實(shí)際工程情況，縱向取30 m。邊界約束為前后左右邊界施加相應(yīng)方向的水平位移約束，下邊界施加豎向位移約束，上邊界為自由面。地層采用摩爾-庫侖準(zhǔn)則，噴混凝土采用實(shí)體彈性單元，鋼支撐暫沒單獨(dú)予以考慮，而將其剛度等效轉(zhuǎn)換到噴混凝土中，超前邁式管棚及其注漿加固考慮為帶有一定厚度的殼體，用shell單元模擬，系統(tǒng)錨桿及鎖腳錨桿采用cable單元模擬，采用位于節(jié)點(diǎn)處的彈簧—滑塊系統(tǒng)描述水泥砂漿加固圈的剪切行為，計(jì)算模型如圖4、圖5所示。為了消除三維邊界效應(yīng)影響，取整個(gè)模型的中間斷面進(jìn)行分析[5]。

圖4 模型細(xì)部網(wǎng)格劃分 圖5 徑向和超前邁式管棚模型

2.2 參數(shù)選取

初期支護(hù)采用25 cm厚，C25噴混凝土；徑向邁式錨桿長度在上、中臺階7.5 m，下臺階6.0 m環(huán)向間距均為1.0 m，水平間距為0.4 m；鋼架采用I25b型鋼鋼架，縱向間距0.4 m/榀。超前支護(hù)在隧道拱頂180°范圍內(nèi)雙層布設(shè)邁式管棚，直徑Φ51 mm，長7.5 m，環(huán)向間距20 cm，縱向搭接2.5 m，仰角控制在10°～15°，錨管內(nèi)注水泥漿。

依據(jù)對沙質(zhì)黃土參數(shù)試算可知，支護(hù)位移遠(yuǎn)未達(dá)到此施工段支護(hù)的實(shí)際位移，且在施工過程中僅30 m長度范圍內(nèi)出現(xiàn)侵限情況，推知此段地質(zhì)參數(shù)可能較差，故依據(jù)現(xiàn)場位移情況，先假定泊松比為0.45，采用二分法推演現(xiàn)場圍巖的彈性模量、內(nèi)聚力、摩擦角，參照實(shí)際施工位移，反演尋求最接近施工實(shí)際的圍巖參數(shù)。試算所取沙質(zhì)黃土圍巖參數(shù)及經(jīng)反演計(jì)算確定的侵限段沙質(zhì)黃土圍巖、初期支護(hù)、超前支護(hù)計(jì)算力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算力學(xué)參數(shù)材料類型容重/(kN·m-3)彈性模量/MPa泊松比內(nèi)聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)沙質(zhì)黃土 15.51200.3550.326.1侵限段沙質(zhì)黃土15.5450.4520.011.5初期支護(hù) 22.029 5000.20——超前管棚加固區(qū)17.04500.25200.030.0

3 邁式管棚施作有效性分析

3.1 位移控制

3.1.1 地表沉降控制

地表沉降是描述施工有效性的一個(gè)重要指標(biāo)，利用邁式管棚超前支護(hù)拆換初支時(shí)各施工步序引起的地表沉降曲線如圖6所示。

圖6 各主要施工步序引起地表沉降曲線圖

由圖6可以看出，引起較大地表沉降的主要施工步驟是下臺階開挖至考察斷面和隧道挖通。當(dāng)上臺階開挖至考察斷面時(shí)，由于上部土體的開挖，使圍巖壓力開始釋放，致使地表產(chǎn)生沉降，但是由于超前邁式管棚的支護(hù)作用，最大地表沉降僅為5.1 mm；而當(dāng)隧道開挖完成且初支成環(huán)后，初支形成了較好的受力體系，但由于圍巖為風(fēng)積沙質(zhì)黃土，地基承載能力很差，上部圍巖壓力可能會(huì)使整個(gè)初支下陷，致使產(chǎn)生較大的地表沉降，施工完成后最大地表沉降達(dá)到11.4 mm。

3.1.2 初支變形控制

初期支護(hù)的拱頂沉降及水平收斂隨開挖步的變化如圖7、圖8所示。

由圖7和圖8可以看出，拱頂下沉主要由上中臺階開挖引起，水平收斂主要由中臺階開挖引起，最大拱頂沉降為30.4 mm，水平收斂為48.5 mm，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于未做特殊支護(hù)時(shí)的位移，說明邁式超前管棚及邁式錨桿對控制支護(hù)位移效果明顯。

圖7 拱頂沉降隨施工步的變化曲線 圖8 水平收斂隨施工步的變化曲線

3.2 塑性區(qū)分布

隧道開挖過程中圍巖塑性區(qū)的分布變化如圖9所示。

圖9 圍巖塑性區(qū)分布圖

由圖9可以看出，上臺階開挖后由于超前邁式管棚的保護(hù)作用，隧道拱頂、拱腰處并未出現(xiàn)塑性區(qū)，僅僅在中臺階處出現(xiàn)小范圍的塑性區(qū)，即超前邁式管棚對圍巖有支撐作用，減少了開挖對圍巖的擾動(dòng)；中臺階開挖后，塑性區(qū)在隧道周圍出現(xiàn)，但是范圍依舊較小，當(dāng)下臺階開挖后，塑性區(qū)開始大面積出現(xiàn)，主要出現(xiàn)在邊墻及仰拱下方，且施做7.5 m的徑向邁式錨桿處的塑性區(qū)較施做6 m的徑向邁式錨桿的塑性區(qū)要小。由于隧道所處圍巖為風(fēng)積沙質(zhì)黃土，承載能力很差，如果隧道基底處出現(xiàn)大面積的塑性區(qū)，可能會(huì)導(dǎo)致隧道整體下沉，影響施工安全，施工時(shí)建議加強(qiáng)基地承載力。

3.3 徑向錨桿軸力

隧道施工過程中徑向邁式錨桿軸力的分布變化如圖10～圖12所示。

圖10 上臺階開挖后錨桿軸力 圖11 中臺階開挖后錨桿軸力

由圖10～圖12可以看出，徑向邁式錨桿軸力隨開挖逐漸增加，上中臺階處錨桿主要受拉，下臺階處錨桿主要受壓，且上臺階處錨桿受拉加大，開挖完成后最大錨桿軸力為103.5 kN。中臺階的錨桿受拉力較小，但是在中下臺階相交處的錨桿(鎖腳錨桿)受力也較大。下臺階處錨桿受壓為主，說明上中臺階發(fā)揮了較大的作用，而下臺階錨桿作用不大。

4 結(jié)論

通過對施做邁式管棚超前支護(hù)以及徑向邁式錨桿隧道開挖全過程數(shù)值模擬，分析其地表沉降、支護(hù)位移、塑性區(qū)發(fā)展及徑向錨桿受力情況，得出如下主要結(jié)論：

(1)該超前支護(hù)技術(shù)可有效控制地表沉降，但是由于圍巖承載能力很差，隧道支護(hù)成環(huán)后，可能會(huì)使隧道整體下沉，從而影響地表沉降。此外該工法還可以有效控制支護(hù)位移，確保施工安全。

(2)超前邁式大管棚可以有效支撐拱頂部位圍巖，減少圍巖受施工期間的擾動(dòng)。7.5 m的徑向邁式錨桿能夠有效發(fā)揮錨桿對圍巖的加固作用，抑制圍巖塑形區(qū)的發(fā)展。

(3)隧道施工完成后，隧道仰拱下部出現(xiàn)大面積塑形區(qū)，由于圍巖承載能力很差，如若產(chǎn)生較大范圍塑性區(qū)，極易使隧道整體下沉，危及施工安全。

(4)下臺階處的徑向邁式錨桿(長為6 m)以受壓為主，說明此處錨桿對圍巖的加固作用不顯著。

綜上所述，邁式管棚超前支護(hù)結(jié)合邁式徑向錨桿可以有效控制支護(hù)及圍巖變形，但是由于圍巖條件極差，且圍巖承載能力極差，故建議施工過程中適當(dāng)加固隧底基礎(chǔ)，保證隧道基底的承載能力。

參 考 文 獻(xiàn)

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