高地應(yīng)力軟硬互層隧道開挖工法比選分析

焦天磊,霍云峰

(中國鐵路蘭州局集團有限公司 蘭州市 730000)

0 引言

我國西部地區(qū)由于其特殊地形地貌,層狀圍巖分布非常廣泛,該地區(qū)內(nèi)隧道的修建常由于圍巖強度較低、穩(wěn)定性差等原因,各種災(zāi)害大變形問題層出不窮,嚴重影響隧道的施工與后期的運營維護。同時,隨著隧道與地下工程的大量建設(shè),由高地應(yīng)力造成的施工問題也愈發(fā)凸顯[1-3]。

陳亮等[4]通過對比二臺階法、CD法、CRD法以及雙側(cè)壁導坑法的塑性區(qū)分布,得到若高地應(yīng)力軟巖隧道施工采用臺階法,需要進行超前加固;楊友彬等[5]采用數(shù)值模擬,對淺埋條件下的軟巖隧道開挖進行分析,綜合比較支護結(jié)構(gòu)受力和圍巖變形,在上下臺階+預留核心土、三臺階+預留核心土和交叉中隔壁法三種開挖工法中,三臺階+預留核心土對變形控制效果最好且改善結(jié)構(gòu)受力。徐國文等[6]依托鷓鴣山隧道,采用有限元軟件,分析不同開挖方法下結(jié)構(gòu)受力與變形情況, 得到對于高地應(yīng)力作用下的互層隧道,宜采用三臺階施工同時合理預留變形量。

為此,文章針對高地應(yīng)力軟硬互層隧道中的關(guān)鍵因素,通過數(shù)值模擬對變形機理進行分析;在此基礎(chǔ)上開展軟硬互層隧道開挖工法比選,從而總結(jié)得出針對高地應(yīng)力軟硬互層隧道大變形的施工控制技術(shù),對類似地下工程、隧道的設(shè)計和修建以及節(jié)省投資具有參考意義。

1 工程背景

以中衛(wèi)至蘭州客運專線尖山隧道為工程背景,隧道處于甘肅省白銀市,全長5970 m。隧道所處區(qū)域地勢較為陡峭,整體高差較大,地層巖性主要以沉積巖和變質(zhì)巖為主。隧道通過區(qū)域軟弱圍巖主要為砂巖和泥巖等,抗壓強度低,屬高地應(yīng)力地區(qū)。

2 高地應(yīng)力軟硬互層隧道開挖工法比選

2.1 計算模型與參數(shù)選擇

綜合分析常用開挖工法,參考已有隧道經(jīng)驗,可以明確得出目前國內(nèi)外隧道施工的常用工法仍然是臺階法,因此,為研究不同開挖方式對高地應(yīng)力軟硬互層隧道的擾動程度和受力情況,選取三種工法進行分析。以離散元數(shù)值分析軟件3DEC為工具對傾角為59°的尖山隧道優(yōu)勢層理面進行分析,從而選取合理開挖工法。完整的模型在X、Y、Z三個方向集合尺寸為100 m×60 m×100 m,如圖1所示。

圖1 不同工法模型示意圖

隧道圍巖物理力學參數(shù)及支護參數(shù)的選定按照表1和表2進行計算。

表1 圍巖力學參數(shù)表

表2 隧道支護參數(shù)表

2.2 隧道開挖順序與監(jiān)測點布置

模擬中,上下臺階法是采用在上下臺階開挖完成后仰拱獨立開挖支護的工法,臺階長度為6 m;上下臺階+預留核心土法施工,預留核心土落后環(huán)形部分2 m開挖;CD法左右側(cè)分別分為上下兩部分進行開挖,隧道斷面共分為4個部分進行開挖,先對左側(cè)1、2部分分別進行開挖,依次完成支護,每相鄰部

分臺階長度為6 m。

隧道監(jiān)測斷面測點布置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點布置示意圖

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

(1)變形分析

三種施工方法下豎向位移和水平位移云圖,如圖3所示。由圖3可知:上下臺階法開挖后最大沉降值為122.28 mm,仰拱最大隆起值122.34 mm,最大水平收斂為191.26 mm。上下臺階+預留核心土法開挖后圍巖的最大沉降值為116.27 mm,仰拱最大隆起值為115.38 mm,最大水平收斂為129.49 mm,最大水平收斂和上下臺階法相比降低了32.30%,最大沉降值降低了4.91%;因為采用環(huán)形開挖,預留下的掌子面提高了周圍巖石的穩(wěn)定性,從而大幅度降低了圍巖水平收斂,沉降和仰拱隆起也得到部分改善。中隔壁法圍巖最大沉降值為87.97 mm,仰拱最大隆起值為68.38 mm,最大水平收斂為114.14 mm,比其余兩種工法變形結(jié)果都小。

圖3 各工況位移變形云圖(單位:m)

對比分析可知:中隔壁法在三種工法中洞周圍巖變形最小,理論上隧道采用中隔壁法施工時,減小了隧道各部分開挖面積,開挖后及時進行支護,更有利于減小圍巖變形,但是對于此類高地應(yīng)力隧道最為突出的水平收斂變形而言,和上下臺階+預留核心土法相比減小幅度不大,僅為11.85%,且中隔壁法在施工過程中增加了開挖分步,施工工序復雜,施工進度慢,經(jīng)濟成本高,在施加和拆除中隔壁的過程中不容易控制,增加了未知風險發(fā)生的可能性。

(2)應(yīng)力分析

三種不同開挖工法圍巖第一和第三主應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 不同工法圍巖主應(yīng)力云圖

由圖4可以看出:上下臺階法最大拉應(yīng)力為1.3MPa,上下臺階+預留核心土法施工時最大拉應(yīng)力為0.95 MPa,中隔壁法施工時最大拉應(yīng)力為0.66 MPa;上下臺階法施工最大壓應(yīng)力為35.97 MPa,上下臺階+預留核心土法施工時最大壓應(yīng)力為22.85 MPa,中隔壁法最大壓應(yīng)力為19.85 MPa。對于隧道開挖過程中圍巖最大主應(yīng)力而言,整體表現(xiàn)為上下臺階法>上下臺階+預留核心土法>中隔壁法。

隧道在采用三種工法開挖后應(yīng)力云圖從分布形態(tài)上分析無明顯不同,圍巖主應(yīng)力均為非均勻分布,而且在隧道開挖應(yīng)力擴散邊緣出現(xiàn)類似于鋸齒狀分布,顯然這些在節(jié)理面出現(xiàn)的應(yīng)力突變現(xiàn)象是由于塊體被眾多節(jié)理切割所引起的,最大主應(yīng)力云圖分布基本沿著節(jié)理方向?qū)ΨQ分布。

3 結(jié)論

(1) 上下臺階法開挖后圍巖最大沉降值為122.28 mm,最大水平收斂值為191.26 mm;上下臺階+預留核心土法最大沉降值為116.27 mm,最大水平收斂值為129.49 mm;中隔壁法最大沉降值為87.97 mm,最大水平收斂值為114.14 mm。結(jié)合各測點變形值發(fā)現(xiàn)除上下臺階法外,其余兩種開挖工法隧道變形值均滿足規(guī)范要求。

(2) 由于高地應(yīng)力軟硬互層隧道中存在節(jié)理面,圍巖主應(yīng)力云圖呈現(xiàn)出沿著節(jié)理面方向的對稱現(xiàn)象,且在垂直節(jié)理面方向發(fā)生一定深度的應(yīng)力擴散。

(3) 綜合分析圍巖變形、應(yīng)力和施工等因素,上下臺階+預留核心土法對于高地應(yīng)力軟硬互層隧道具有明顯適用性,相對來說該工法施工簡單,施工過程容易控制且施工工序少、經(jīng)濟性好、施工進度快、靈活性高,建議采用。