淺埋黏質(zhì)黃土隧道變形控制機(jī)制及措施研究

馮冀蒙, 譚玉梅, 姚仕鈺, 顏志堅(jiān), 張俊儒, *, 王圣濤

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川 成都 610036; 2. 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 610036; 3. 中鐵四局集團(tuán)有限公司, 安徽 合肥 230000)

0 引言

黃土地層在我國的陜西、山西、甘肅及寧夏等地都有廣泛的分布,大斷面黃土隧道在開挖過程中變形控制難度大,特別是地表有建(構(gòu))筑物時(shí),施工誘發(fā)的地表沉降給建(構(gòu))筑物的結(jié)構(gòu)安全及正常使用帶來巨大影響[1-2]。

從鄭西客專建設(shè)以來,包括函谷關(guān)隧道、呂梁山隧道等20余座黃土隧道均存在下穿既有鐵路或公路的情況,采用的施工方法主要是以有臨時(shí)豎向支撐進(jìn)行減跨作用的CRD或雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等為主。該類方法相比較臺(tái)階法等非減跨施工方法,具有變形控制效果好、地表沉降量小的優(yōu)點(diǎn)[3-4]。但是由于豎橫向支撐的存在,嚴(yán)重限制了大型機(jī)械的使用,臨時(shí)支撐拆除的過程中存在著結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)的巨大風(fēng)險(xiǎn)。如何在達(dá)到變形控制要求的前提下,盡可能實(shí)現(xiàn)快速高效施工,是科研工作者和工程建設(shè)者的共同目標(biāo)。

在實(shí)踐過程中,增加超前支護(hù)及加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)是有效控制變形的措施,其中超前管棚的設(shè)置,在隧道進(jìn)口段、淺埋暗挖段以及地鐵暗挖車站等地下工程穿越復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的施工中發(fā)揮了巨大作用[5]。臨時(shí)仰拱的施作,及早閉合支護(hù)結(jié)構(gòu),在眾多變形要求嚴(yán)格的隧道施工中也有積極效果。

針對(duì)管棚的作用機(jī)制及受力規(guī)律,許多學(xué)者開展了一系列的研究[6-7]。例如: Ibrahim[8]以伊斯坦布爾地鐵2期為工程背景,對(duì)采用UAM(umbrella arch method,以管棚為主要超前支護(hù)的開挖方法)和NATM(新奧法)開挖法下的地表沉降值進(jìn)行了監(jiān)測(cè),結(jié)果表明,采用UAM開挖的地表沉降值比采用NATM開挖法的地表沉降值小1/3; Harazaki等[9]通過對(duì)管棚的監(jiān)測(cè),得出管棚在掌子面前方1.5 m和后方2.5 m范圍內(nèi)彎矩有較大變化,其中掌子面上方的管棚彎矩方向是向洞內(nèi)的,管棚有效優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的縱向受力; 武松等[10]、Heng等[11]通過模型分析和現(xiàn)場監(jiān)測(cè)的方式,也得到了類似的彎矩分布規(guī)律。

隨著管棚施作技術(shù)的提升,以導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)技術(shù)為典型代表的超長超大管棚(超過40 m)施工已經(jīng)越來越普遍。相較于傳統(tǒng)需要搭接的管棚施工,超長超大管棚具有一次超前量大、使用機(jī)具簡單、支護(hù)效果好、施工速度快等特點(diǎn),能實(shí)現(xiàn)一次性長距離超前支護(hù),施工安全性和施工效率顯著提高,優(yōu)勢(shì)明顯。

當(dāng)前對(duì)超長大管棚的研究,是沿用短管棚的研究經(jīng)驗(yàn),數(shù)值方法中采用梁單元模擬管棚,精度不足,特別是研究的結(jié)果需要進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測(cè)驗(yàn)證時(shí)是極為困難的。雖然有采用應(yīng)變片及測(cè)斜管對(duì)管棚的內(nèi)力進(jìn)行測(cè)試的先例,但在跟進(jìn)式超長管棚的現(xiàn)場測(cè)試中卻并不適用[12-13]。

基于如上背景,本文采用實(shí)體單元進(jìn)行超長管棚的精細(xì)化建模和光柵光纖測(cè)試技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管棚縱向應(yīng)力,對(duì)不同管棚長度及支護(hù)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析,得到大管棚縱向應(yīng)力的演變規(guī)律,并進(jìn)一步揭示縱橫支撐體系的變形控制機(jī)制。

1 依托工程

1.1 工程概況

干堡隧道是銀西鐵路建設(shè)中的重要項(xiàng)目,位于陜西省永壽縣,隧道總長度為1 969.62 m,為單洞雙線隧道,設(shè)計(jì)速度為250 km/h。隧道在地面下方32 m處從DK105+013～+097下穿國家Ⅰ級(jí)電氣化有砟單線客貨共線鐵路—西平鐵路,影響區(qū)間長達(dá)84 m,埋深32 m,2線路的中線夾角為55°。干堡隧道下穿段為V級(jí)圍巖段,隧道最大開挖跨度為15.1 m,最大開挖斷面積超過160 m2。干堡隧道與西平鐵路空間位置如圖1所示。

圖1 干堡隧道與西平鐵路空間位置圖

干堡隧道位于黃土梁上,從黃土梁側(cè)緣邊坡進(jìn)入,黃土梁兩側(cè)沖溝深切發(fā)育,岸坡陡峻,溝谷內(nèi)常年有季節(jié)性流水,梁頂?shù)孛娴匦屋^為平坦,隧道主要穿過第四系新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土地層。

1.2 初步方案

西平鐵路在隧道施工過程中一直處于正常運(yùn)行狀態(tài),按照TB 10753—2018《高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》要求,地面沉降控制值設(shè)定在30 mm。

為滿足沉降控制要求,初步施工方案如下: 當(dāng)干堡隧道到達(dá)西平鐵路正下方之前,選用φ159 mm超長管棚設(shè)置縱向支撐,該支撐體系結(jié)構(gòu)的設(shè)置范圍為隧道洞身拱頂140°內(nèi);在隧道掘進(jìn)過程中,縱向支撐與臨時(shí)仰拱一起形成“縱橫支撐”體系,替代臨時(shí)豎撐,起到預(yù)防和遏制地層變形的作用。

施工步序如圖2所示。隧道斷面自上而下大致等分成3部分,上臺(tái)階①開挖后,導(dǎo)坑周邊初噴C25混凝土,架設(shè)I20b鋼架,同時(shí)底部施作臨時(shí)仰拱,即架設(shè)I18鋼架,噴射18 cm厚混凝土; ②～③臺(tái)階依次進(jìn)行相應(yīng)的施工; 最后進(jìn)行④仰拱施工,一次施工封階成階。為了防止在施工過程中出現(xiàn)坍塌等問題,在上、中、下臺(tái)階兩側(cè)的拱腳位置分別設(shè)置鎖腳錨管。支護(hù)參數(shù)如表1所示。

圖2 施工步序

表1 支護(hù)參數(shù)表

1.3 黏質(zhì)黃土力學(xué)參數(shù)

經(jīng)現(xiàn)場采樣后進(jìn)行土工試驗(yàn),得到如表2所示的物理力學(xué)指標(biāo)。參照筆者之前發(fā)表的文獻(xiàn)中,壓縮模量與土體應(yīng)力的相關(guān)關(guān)系,明確彈性模量數(shù)值[14]。

表2 隧道圍巖力學(xué)參數(shù)一覽表

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型及參數(shù)選取

采用FLAC3D有限差分計(jì)算軟件,具體開挖方法的模型如圖3所示。為了較為精準(zhǔn)地模擬管棚,摒棄傳統(tǒng)采用Beam單元的方法,改用實(shí)體單元模擬,管壁采用鋼材的參數(shù),其中的填充采用混凝土的參數(shù)。實(shí)體單元的單元示意如圖4所示。

圖3 開挖方法的模型圖

(a) 實(shí)體單元示意

(b) 實(shí)體單元細(xì)部示意

計(jì)算中對(duì)比普通三臺(tái)階法和施作了超長管棚和臨時(shí)仰拱的三臺(tái)階法,并考慮不同管棚長度的影響,工況設(shè)置說明如表3所示,計(jì)算參數(shù)如表4所示。

表3 工況設(shè)置說明

表4 計(jì)算參數(shù)表

根據(jù)式(1)計(jì)算獲取壓縮模量值,并由式(2)計(jì)算彈性模量,賦值給土體單元,得到土體單元的最大主應(yīng)力。

(1)

(2)

式(1)—(2)中:E為彈性模量;Es為壓縮模量;σ為土體應(yīng)力,kPa;μ為泊松比。

2.2 變形分析

以模型的中間斷面為對(duì)象,選取最具有代表性的數(shù)據(jù)(拱頂沉降值、地表沉降值)進(jìn)行分析,工況P-84 m～工況P-0的拱頂沉降及地表沉降隨掌子面的變化情況如圖5所示。

(a) 拱頂沉降

(b) 地表沉降

由圖5(a)可以看出: 1)4個(gè)工況的沉降曲線變化趨勢(shì)相似,拱頂沉降于掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)前出現(xiàn),到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)沉降曲線急劇變化,而后支護(hù)發(fā)揮作用,拱頂沉降曲線越來越平穩(wěn); 2)地表沉降總體上表現(xiàn)為先緩慢增大,再加速變形,最終到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài); 3)拱頂沉降和地表沉降的相關(guān)性較強(qiáng),拱頂沉降量較大的,地表沉降量也會(huì)較大。

由圖5(b)可以看出: 1)40 m管棚和20 m管棚在管棚未施作前,地表的沉降規(guī)律與工況P-0是相差不大的,當(dāng)管棚施作后,地表沉降的控制效果逐漸顯現(xiàn); 2)當(dāng)掌子面通過管棚中點(diǎn)后,整體沉降規(guī)律與84 m管棚的規(guī)律是一致的,但是由于未施作管棚前的累積沉降,總的沉降量顯著增加; 3)P-20 m最終計(jì)算得到的地表沉降已經(jīng)大于30 mm,這是不能滿足要求的。

相比較管棚長度對(duì)變形控制的作用,形成的縱橫支撐整體的變形控制效果更加顯著。

2.3 管棚縱向應(yīng)力分布規(guī)律

超長大管棚的承載作用主要是承受抗彎的能力,起到縱梁的效果。鋼管是主要的承載結(jié)構(gòu),其應(yīng)力狀態(tài)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性具有重要影響。因此在數(shù)值計(jì)算中,監(jiān)測(cè)鋼管的縱向應(yīng)力可直接反映管棚的受力情況,工況P-84 m～P-20 m拱頂部位中模型中間管棚上下表面的縱向應(yīng)力分布規(guī)律如圖6所示。

(a) 上表面應(yīng)力

(b) 下表面應(yīng)力

由圖6可以看出: 1)管棚整體受力規(guī)律是較為一致的; 2)隨著開挖面的靠近,管棚應(yīng)力先逐漸增加,當(dāng)掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近時(shí),應(yīng)力增加到最大值后,逐漸開始減小,并最終呈現(xiàn)出穩(wěn)定受拉的狀態(tài)(P-84 m工況的受拉數(shù)值較小,P-20 m工況的受拉數(shù)值較大); 3)上表面的應(yīng)力在掌子面位于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位時(shí)最大,下表面應(yīng)力在距離掌子面還有3 m時(shí)最大; 4)管棚的長度越大,管棚的應(yīng)力值越大,40 m管棚和84 m管棚的應(yīng)力數(shù)值差別不大,但是20 m管棚的最大應(yīng)力值約為84 m管棚應(yīng)力值的一半,整體效果較差; 5)工況P-84 m中應(yīng)力產(chǎn)生較大變化的范圍在掌子面前30 m至后20 m,范圍較大,為1～2倍隧道跨徑; 6)工況P-40 m和工況P-20 m一旦施作,應(yīng)力數(shù)值就開始顯著增加,已經(jīng)開始發(fā)揮積極作用; 7)3個(gè)工況應(yīng)力的最大值為62 MPa,遠(yuǎn)小于管棚材料的極限強(qiáng)度(鋼材Q235鋼材的屈服強(qiáng)度為235 MPa),管棚有較大的安全冗余。

3 現(xiàn)場實(shí)測(cè)及分析

3.1 測(cè)試項(xiàng)目

為保障現(xiàn)場施工過程安全及變形量控制要求,并驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的正確性,研究中進(jìn)行了管棚縱向應(yīng)力、圍巖壓力、初期支護(hù)鋼架應(yīng)力、初期支護(hù)和二次襯砌的圍巖壓力、二次襯砌混凝土應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力的力學(xué)監(jiān)測(cè),以及初期支護(hù)拱頂沉降、地表沉降的監(jiān)測(cè)。

3.2 測(cè)試方法

3.2.1 初期支護(hù)及二次襯砌力學(xué)監(jiān)測(cè)

由于初期支護(hù)和二次襯砌力學(xué)監(jiān)測(cè)屬于常規(guī)內(nèi)容,已有成熟的監(jiān)測(cè)方法[15-16]介紹,本文不再贅述。

3.2.2 管棚縱向應(yīng)力測(cè)試方法

文中采用的管棚縱向應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)包含便攜光纖光柵解調(diào)儀、光纖回路(3 mm鎧裝光纜引線)和光纖光柵測(cè)試元件3部分。管棚縱向應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 管棚縱向應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)

具體施作方法如下:

1)光纖埋深定位。沿管棚軸線方向在管棚上下表面做2條平行線,標(biāo)記為管棚上下表面光纖光柵安裝位置。

2)光纖埋設(shè)槽段的切割。使用打磨機(jī)沿定位線切槽深3 mm,寬3 mm;并在槽段兩端部預(yù)留出穿線孔。

3)安裝光纖光柵。將光纖放置于槽段內(nèi),布置4個(gè)光柵測(cè)點(diǎn),每個(gè)光柵測(cè)點(diǎn)的間距為1 m,光柵使用膠水逐一固定,沿光纖表面注入環(huán)氧樹脂充填槽段。

4)光纖通路測(cè)試。光纖線路連接好后,使用光纖光柵解調(diào)儀進(jìn)行通路測(cè)試。

5)選定拱頂位置為測(cè)試管棚的點(diǎn)位。

6)管棚的施工。先依次打入前端的管棚節(jié)段,當(dāng)試驗(yàn)管棚節(jié)段全部打入時(shí),需做好標(biāo)記,保證管棚的測(cè)點(diǎn)在上下表面。當(dāng)試驗(yàn)管棚節(jié)段頂進(jìn)至測(cè)點(diǎn)位置后,停止鉆孔,將測(cè)試線路取出,測(cè)試光路是否通暢,并記錄各測(cè)點(diǎn)初始波長。

7)數(shù)據(jù)測(cè)試。隨著掌子面的逐步向前掘進(jìn),采用便攜式光纖光柵解調(diào)儀進(jìn)行測(cè)試。

3.3 測(cè)點(diǎn)布置

在下穿西平鐵路的正下方布置3個(gè)測(cè)試斷面,如表5所示。其中初期支護(hù)設(shè)置8個(gè)測(cè)點(diǎn),每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置3個(gè)元件(1個(gè)土壓力盒,2個(gè)鋼架表面應(yīng)變計(jì)); 二次襯砌設(shè)置6個(gè)測(cè)點(diǎn),每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置5個(gè)元件(1個(gè)土壓力盒,2個(gè)混凝土應(yīng)變計(jì),2個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì))。測(cè)點(diǎn)元件及位置示意如圖8所示。

表5 量測(cè)典型斷面及量測(cè)內(nèi)容

(a) 監(jiān)測(cè)元件布置

(b) 試驗(yàn)管棚位置

管棚的縱向應(yīng)力采用格柵光纖進(jìn)行測(cè)試,在平西鐵路正下方的拱頂管棚節(jié)段(見圖8,A和B分別代表2個(gè)管棚都布置了測(cè)點(diǎn),但是A管棚數(shù)據(jù)丟失,只有B管棚上的數(shù)據(jù))上下表面分別布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)(里程DK105+060～+064),B管棚上表面測(cè)點(diǎn)分別標(biāo)記為B-U01、B-U02、B-U03和B-U04,相對(duì)應(yīng)的下表面測(cè)點(diǎn)標(biāo)記為B-L01、B-L02、B-L03和B-L04。管棚上下表面測(cè)點(diǎn)位置如圖9所示。

圖9 管棚上下表面測(cè)點(diǎn)位置

3.4 測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

3.4.1 初期支護(hù)圍巖壓力

初期支護(hù)的圍巖壓力直接反映出地層對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的荷載大小,DK105+062斷面的初期支護(hù)圍巖壓力隨監(jiān)測(cè)時(shí)間的增長規(guī)律如圖10所示?？梢钥闯? 1)隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增加,圍巖壓力逐漸增加,呈現(xiàn)出先快速增加后逐步趨于穩(wěn)定的規(guī)律; 2)當(dāng)仰拱封閉后,圍巖壓力趨于穩(wěn)定。

圖10 DK105+062斷面初期支護(hù)圍巖壓力

各斷面圍巖壓力分布規(guī)律如圖11所示?？梢钥闯? 1)初期支護(hù)的圍巖壓力值總體較小,最大值為0.079 MPa,換算為土柱高度僅3.7 m; 2)分布規(guī)律為拱部數(shù)值較小,拱腳部位數(shù)值較大,仰拱部位數(shù)值處于拱部和拱腳數(shù)值之間。

3.4.2 鋼架應(yīng)力

初期支護(hù)中鋼架作為重要的支護(hù)結(jié)構(gòu),起到快速承載的作用。DK105+062斷面鋼架應(yīng)力如圖12所示?？梢钥闯? 1)DK105+062斷面的鋼架應(yīng)力整體呈現(xiàn)出先快速增加后趨于穩(wěn)定的規(guī)律,同圍巖壓力的規(guī)律一致,當(dāng)仰拱封閉后,測(cè)試數(shù)值趨于穩(wěn)定; 2)整體呈現(xiàn)出受壓的狀態(tài),數(shù)值較小。各斷面鋼架應(yīng)力分布如圖13所示。

(a) 鋼架內(nèi)側(cè)

(b) 鋼架外側(cè)

由圖12和圖13可以看出: 1)鋼架總體壓應(yīng)力值較小,最大值為183.64 MPa,未超過材料的極限強(qiáng)度(235 MPa); 2)鋼架的整體穩(wěn)定性較好,整體處于受壓狀態(tài),且應(yīng)力分布較均勻,未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中。

綜合初期支護(hù)圍巖壓力及鋼架應(yīng)力的監(jiān)測(cè)值可知,作用于初期支護(hù)上的荷載較小,結(jié)構(gòu)安全性較高。

3.4.3 初期支護(hù)與二次襯砌間壓力

初期支護(hù)與二次襯砌間的壓力直觀地反映了二次襯砌承受的壓力,如圖14所示?？梢钥闯? DK105+062斷面的初期支護(hù)與二次襯砌間的壓力在二次襯砌施作完3 d后就已經(jīng)趨于穩(wěn)定,且數(shù)值較小。

圖14 DK105+062斷面二次襯砌壓力

3.4.4 二次襯砌鋼筋應(yīng)力

DK105+062斷面鋼筋應(yīng)力如圖15所示?？梢钥闯? 二次襯砌鋼筋的壓應(yīng)力與襯砌壓應(yīng)力的發(fā)展規(guī)律是一致的,在測(cè)試的第3天已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài),最大值僅為20.5 MPa,遠(yuǎn)低于鋼筋的極限強(qiáng)度(HRB335鋼筋的抗壓強(qiáng)度為268 MPa)。

圖15 DK105+062斷面鋼筋應(yīng)力

3.4.5 二次襯砌混凝土應(yīng)力

DK105+062斷面二次襯砌混凝土應(yīng)力如圖16所示。可以看出: 混凝土應(yīng)力的規(guī)律與二次襯砌鋼筋的規(guī)律是一致的,整體上數(shù)值較小,最大值僅為1.09 MPa,結(jié)構(gòu)的安全冗余高。

圖16 DK105+062斷面二次襯砌混凝土應(yīng)力

從現(xiàn)場實(shí)測(cè)的初期支護(hù)及二次襯砌的圍巖壓力及結(jié)構(gòu)內(nèi)力的數(shù)據(jù)來看,結(jié)構(gòu)整體滿足安全要求。

3.4.6 管棚應(yīng)力

管棚應(yīng)力的發(fā)展規(guī)律如圖17所示。可以看出: 1)應(yīng)力實(shí)測(cè)值和數(shù)值計(jì)算結(jié)果的規(guī)律基本一致; 2)上表面的應(yīng)力先緩慢增加,到掌子面距離測(cè)點(diǎn)為15 m時(shí),出現(xiàn)了一段平緩區(qū),一直持續(xù)到掌子面距離測(cè)點(diǎn)5 m時(shí),應(yīng)力開始快速增大,并達(dá)到最大值,然后快速減小; 3)在掌子面通過測(cè)點(diǎn)15 m左右時(shí),應(yīng)力趨于穩(wěn)定,并呈現(xiàn)出受拉的特征,下表面的應(yīng)力整體上也是先增加后減小; 4)在掌子面距離測(cè)點(diǎn)10 m時(shí),出現(xiàn)了應(yīng)力增加緩慢的階段,到掌子面距離測(cè)點(diǎn)5 m時(shí),應(yīng)力快速增加,掌子面距離測(cè)點(diǎn)2 m時(shí)應(yīng)力增加到最大值,此后應(yīng)力快速減小,掌子面通過測(cè)點(diǎn)20 m后,應(yīng)力趨于穩(wěn)定; 5)上表面應(yīng)力的影響范圍在掌子面-15～15 m,下表面的影響范圍在-10～20 m,上表面的應(yīng)力最大值要大于下表面的應(yīng)力最大值。

(a) 上表面應(yīng)力

(b) 下表面應(yīng)力

根據(jù)材料力學(xué)中關(guān)于應(yīng)力和內(nèi)力的相互關(guān)系,可按照式(3)對(duì)數(shù)值計(jì)算應(yīng)力、現(xiàn)場實(shí)測(cè)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,得到如圖18所示的管棚縱向彎矩及軸力圖。

(3)

式中:M為計(jì)算得到的彎矩值;N為軸力值;σ1為作用在管棚上表面的應(yīng)力;σ2為作用在管棚下表面的應(yīng)力;Iz為慣性矩;yh為到中性軸的距離;A為管棚橫截面面積。

由圖18可以看出: 1)縱向內(nèi)力實(shí)測(cè)數(shù)值和數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到的規(guī)律是一致的; 2)軸力整體呈現(xiàn)出先逐步增加,在掌子面到達(dá)測(cè)點(diǎn)前2 m時(shí)達(dá)到軸力的最大值,隨后逐漸減小,掌子面通過測(cè)點(diǎn)20 m后,整體的軸力已經(jīng)趨于穩(wěn)定; 3)在掌子面距離測(cè)點(diǎn)20 m時(shí)出現(xiàn)一定的向洞內(nèi)方向的彎矩,隨后在掌子面距離測(cè)點(diǎn)5 m時(shí),彎矩的方向開始向洞外方向,掌子面離測(cè)點(diǎn)2 m時(shí)彎矩達(dá)到了最大值,隨后彎矩方向反轉(zhuǎn),當(dāng)掌子面在測(cè)點(diǎn)正下方時(shí),彎矩的方向向洞內(nèi),達(dá)到了最大值,隨后逐漸減小,在掌子面通過測(cè)點(diǎn)10 m時(shí),彎矩整體趨向于穩(wěn)定。

(b) 彎矩

在當(dāng)前三臺(tái)階開挖及特定支護(hù)參數(shù)的前提下,數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)表明,管棚的影響范圍是掌子面前30 m至后20 m,強(qiáng)影響范圍為掌子面前方10 m和掌子面后方5 m,這個(gè)范圍超過了短管棚和部分中管棚的自身長度,顯然超長管棚的支護(hù)效果是更加顯著的。

3.5 位移監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

拱頂及地表的現(xiàn)場沉降觀測(cè)值、數(shù)值計(jì)算結(jié)果,其演變規(guī)律如圖19所示?？梢钥闯? 基于現(xiàn)場實(shí)測(cè)的土層數(shù)據(jù),結(jié)合實(shí)體單元進(jìn)行數(shù)值模擬得到的計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好。

(a) 拱頂沉降

(b) 地表沉降

由于拱頂?shù)臄?shù)據(jù)必須是在掌子面到達(dá)該測(cè)點(diǎn)后才能進(jìn)行監(jiān)測(cè)的,因此實(shí)測(cè)得到的拱頂沉降數(shù)據(jù)僅是拱頂沉降的一部分。取掌子面開挖后的數(shù)值模擬沉降曲線和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,如圖19所示?？梢钥闯? 1)整體的發(fā)展規(guī)律是一致的,先快速增加,然后逐漸減緩并趨于穩(wěn)定; 2)地表沉降的變形整體呈現(xiàn)出先緩慢增加,隨著掌子面逐步靠近監(jiān)測(cè)點(diǎn),其數(shù)值快速增加,后又逐步趨向于穩(wěn)定; 3)實(shí)測(cè)得到的拱頂沉降數(shù)據(jù)比數(shù)值計(jì)算得到的數(shù)據(jù)小,而地表沉降的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值解相近,只有2個(gè)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)偏大,總體的最大沉降值并未超出30 mm。平西鐵路的運(yùn)營也未受到影響。

4 縱橫支撐結(jié)構(gòu)體系作用機(jī)制分析

基于數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測(cè)的分析可知,長大管棚中,掌子面前30 m和掌子面后20 m范圍內(nèi)的管棚應(yīng)力出現(xiàn)了較大變化,可以認(rèn)為是隧道開挖對(duì)縱向長度范圍內(nèi)的影響的區(qū)域。對(duì)比傳統(tǒng)短管棚(20 m左右)或中管棚(小于40 m)的情況,管棚施作之后,開挖就會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大的影響,由于縱向長度較小,管棚的作用范圍也有限,管棚整體受力較小,承擔(dān)的荷載也較小,而長管棚能夠在較大范圍的垂直方向上,將隧道內(nèi)的豎向荷載轉(zhuǎn)移到初期支護(hù)的鋼架和掌子面前方的穩(wěn)定圍巖上,進(jìn)而減少了掌子面前后范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)及掌子面土體的荷載承擔(dān)量,最大限度地控制了開挖影響的沉降?？v橫支撐示意如圖20所示。

圖20 縱橫支撐示意圖

由圖20可以看出: 1)上臺(tái)階開挖后支護(hù)結(jié)構(gòu)與臨時(shí)仰拱形成了閉合結(jié)構(gòu),中臺(tái)階支護(hù)與臨時(shí)仰拱也形成了閉合結(jié)構(gòu),最終穩(wěn)定的閉合結(jié)構(gòu)是支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體成環(huán); 2)管棚和支護(hù)結(jié)構(gòu)形成的縱橫支撐體系,不僅與隧道的跨度有關(guān),也與最終穩(wěn)定閉合結(jié)構(gòu)的形成距離有關(guān); 3)為保證縱向受力傳遞的可靠性,管棚須有一定的錨固段落,即管棚的最小距離應(yīng)該大于掌子面到支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合距離的2倍。本項(xiàng)目要求掌子面與仰拱閉合的距離不大于25 m,管棚的整體長度就應(yīng)該大于50 m,傳統(tǒng)長度小于40 m管棚的支護(hù)效能就不能得到有效的發(fā)揮。

臨時(shí)仰拱和鋼架閉合形成橫向支撐環(huán),與長管棚一起組成“縱橫支撐”體系,有效提升了結(jié)構(gòu)整體剛度,荷載分配更加均勻,控制變形的效果更好。

5 結(jié)論與討論

本文依托銀西鐵路干堡隧道工程,采用實(shí)體單元模擬超長管棚,并通過光柵光纖測(cè)試技術(shù)監(jiān)測(cè)管棚應(yīng)力,對(duì)“縱橫支撐”體系的作用機(jī)制展開研究,主要結(jié)論如下。

1)“縱橫支撐”體系由超長管棚和臨時(shí)仰拱構(gòu)成,代替了臨時(shí)豎撐,在縱向上可實(shí)現(xiàn)更大區(qū)域的豎向荷載轉(zhuǎn)移到鋼架和圍巖中,減小了掌子面附近的荷載承擔(dān)量,實(shí)現(xiàn)了對(duì)黃土隧道變形的有效控制。

2)采用光柵光纖測(cè)試技術(shù)對(duì)隧道開挖過程中的管棚縱向應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),可操作性強(qiáng)、精度高、受施工影響小。

3)管棚和支護(hù)結(jié)構(gòu)形成的縱橫支撐體系,與隧道跨度和最終穩(wěn)定閉合結(jié)構(gòu)的形成距離有關(guān),管棚的最小距離應(yīng)該大于掌子面到支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合距離的2倍。

4)數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測(cè)的結(jié)果都表明超長大管棚受開挖影響的范圍在掌子面前30 m至后20 m,強(qiáng)影響范圍為掌子面前方10 m和掌子面后方5 m,要遠(yuǎn)大于短管棚的受力影響范圍,超長大管棚的整體性更好,控制變形能力更強(qiáng)。

本文的研究成果有望為未來隧道支護(hù)設(shè)計(jì)提供新的思考方向。黃土隧道施工一直是工程界關(guān)注的焦點(diǎn),本文盡管做了一定程度的研究,但還是需要進(jìn)行更多的現(xiàn)場驗(yàn)證。