大斷面隧道挑頂施工三維數(shù)值計(jì)算分析

魯建邦

(中鐵三局集團(tuán)有限公司,太原 030001)

1 概述

鄭西客運(yùn)專線ZXZQ4標(biāo)段,起點(diǎn)為新三門峽車站出站端(DK247+320),終點(diǎn)至河南與陜西兩省省界(DK333+000),正線全長(zhǎng)為67.832 km。共有隧道5座,均為雙線黃土隧道,分布在呂家崖至臺(tái)村之間,總長(zhǎng)度為6 850延長(zhǎng)米,其中最長(zhǎng)隧道為盤東隧道,鄭西客專黃土隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合考慮了新老黃土(圍巖級(jí)別及C、φ值)、隧道深淺埋情況及黃土天然含水量等因素。通過和已建成鐵路雙線及公路黃土隧道進(jìn)行工程類比,并結(jié)合黃土的特性,鄭西客運(yùn)專線隧道采用單洞雙線大斷面形式[1-3],洞內(nèi)凈空為100 m2(軌頂面以上),開挖面積達(dá)164～174 m2。針對(duì)黃土隧道交叉口斷面大、施工控制難度大、體系轉(zhuǎn)換復(fù)雜等特點(diǎn)[4],經(jīng)過多方調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[5],采用逐步改變斜井的開挖方向和型鋼鋼架的立設(shè)角度[6]、加強(qiáng)支護(hù)、采用垂直挑頂施工等綜合施工技術(shù)成功完成斜井和正洞交叉口施工[7],針對(duì)以上工況采用三維有限元進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析,以期得到挑頂開挖對(duì)超大斷面隧道施工的力學(xué)特征和規(guī)律,并論證方案的可行性。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

本區(qū)為黃土地區(qū),普遍黃土厚度大,廣泛存在黃土地區(qū)普遍分布的沖溝、陡坎、崩塌、陷穴、人為坑洞等。同時(shí)存在松軟土等特殊巖土,工程地質(zhì)條件差。線路位于第四系全新統(tǒng)塌滑堆積層(Q4del),上更新統(tǒng)(Q3eol+al)風(fēng)積與沖積層的黃土、砂層,中更新統(tǒng)(Q2)黃土、砂層、礫石層中。測(cè)區(qū)內(nèi)堆積層較厚,未見構(gòu)造形跡。隧道主要穿過新黃土,成分以粉粒為主,質(zhì)地均勻,結(jié)構(gòu)疏松,孔隙比大,具肉眼可見之大孔隙,一般具高壓縮性,遇水易崩解濕陷；據(jù)試驗(yàn)資料,該場(chǎng)地屬中等～嚴(yán)重自重濕陷性場(chǎng)地,自重濕陷深度15～25 m。

隧道洞身主要穿過〈2-2〉、〈2-3〉、〈3-2〉砂質(zhì)黃土層(Q3eol+al),黃土結(jié)構(gòu)疏松,具有中等～嚴(yán)重自重濕陷性。

地表水為隧道北部的黃河及隧道進(jìn)出口端的弘濃澗河、沙河。地下水位埋藏較深,在可見水位在小于-30 m,未見地下水出露,黃土塬及階地上村民生活用水采用機(jī)井抽取地下水,一般位于河谷地表水位附近,隧道洞身位于地下水位以上。

3 斜井進(jìn)正洞施工方法

斜井與正洞交叉口部的鋼架,同時(shí)承受該區(qū)域斜井頂部地層的荷載和正洞拱部鋼架傳遞的荷載,受力復(fù)雜,且交叉口部鋼架比斜井洞身一般地段鋼架的矢跨比又小許多[8]。因此,有必要對(duì)交叉口部鋼架采取加強(qiáng)措施。

交叉口部加強(qiáng)完成后,自斜井進(jìn)入正洞采用挑頂方案施工。開挖前施做超前支護(hù),同時(shí)緊跟臨時(shí)支護(hù)。

(1)斜井開挖進(jìn)尺控制在1.57 m左右。

(2)斜井開挖寬度控制在2.4 m以內(nèi),以便于安裝5榀鋼架為宜(安裝3榀型鋼鋼架,2榀格柵鋼架)。

(3)開挖后及時(shí)噴混凝土封閉。鋼架間噴射混凝土前先對(duì)掌子面進(jìn)行噴混凝土封閉支護(hù),視圍巖情況酌情打設(shè)錨桿[7]；沿正洞線路方向兩側(cè)打設(shè)超前小導(dǎo)管,導(dǎo)管長(zhǎng)1 m,環(huán)向間距0.4 m。

(4)通道內(nèi)開挖作業(yè)人員為2人,其他為輔助人員。為便于適應(yīng)不同高度的作業(yè)需要,施工現(xiàn)場(chǎng)配備不同高度的梯子。挑頂開挖前向上打設(shè)φ22 mm藥包錨桿,錨桿長(zhǎng)2.0 m左右,錨桿間距0.6 m,循環(huán)挑頂高度1.0 m左右,割除余長(zhǎng)外露錨桿后重復(fù)下一循環(huán)。

(5)每一步驟挑頂開挖至設(shè)計(jì)輪廓時(shí),立設(shè)鋼架。鋼架每單元長(zhǎng)度提前按設(shè)計(jì)加工,兩側(cè)為2榀格柵鋼架(矩形截面,主筋為φ25 mm鋼筋)、3榀為型鋼鋼架(I25型鋼)。根據(jù)開挖空間大小,盡可能打設(shè)較長(zhǎng)的藥包錨桿以臨時(shí)固定鋼架位置。鋼架之間采用螺紋鋼進(jìn)行縱向連接,環(huán)向間距0.6 m,而后網(wǎng)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度(35 cm)。

(6)待噴射混凝土具有一定強(qiáng)度后,重復(fù)上述步驟,直至完成線路右側(cè)的上半斷面的鋼架立設(shè),并自拱部由上向下立設(shè)臨時(shí)中隔壁鋼架和臨時(shí)仰拱鋼架,并對(duì)鋼架進(jìn)行網(wǎng)噴混凝土加強(qiáng)支護(hù)。

(7)按CRD法施工,先進(jìn)行線路右側(cè)上下洞室的開挖支護(hù),達(dá)間隔距離要求后,自中隔壁墻開孔進(jìn)入線路左側(cè)自上而下進(jìn)行線路左側(cè)洞室的施工。

挑頂開挖斷面見圖1。

圖1 挑頂開挖斷面(單位：m)

4 挑頂施工三維模型建立及地層參數(shù)選取

4.1 模型建立

為了更好的模擬挑頂開挖的圍巖位移、應(yīng)力等力學(xué)因素變化,建立足夠大的模型,以保證固定邊界條件的施加不會(huì)對(duì)實(shí)際力學(xué)行為產(chǎn)生影響。本模型一共建立52萬個(gè)有限元單元,而且在隧道開挖部分進(jìn)行網(wǎng)格加密,距離開挖處較遠(yuǎn)的地方網(wǎng)格較稀疏。

單元類型主要有4種,即實(shí)體單元類型、桿件單元類型(植入式桁架)、梁?jiǎn)卧愋图皻んw單元類型。圍巖及主隧道、斜井隧道核心土均為實(shí)體單元類型,隧道錨桿部分為植入式桁架單元,挑頂支撐柱子為梁?jiǎn)卧愋?襯砌為殼體單元類型。

隧道挑頂開挖模擬步驟嚴(yán)格按照實(shí)際施工步驟進(jìn)行,以達(dá)到在為挑頂開挖之前就可以預(yù)測(cè)到圍巖變化情況預(yù)先對(duì)薄弱環(huán)節(jié)制定有效改良措施進(jìn)而指導(dǎo)施工的目的。

斜井隧道與主隧道模型見圖2，挑頂開挖模型見圖3。

圖2 斜井隧道與主隧道模型

圖3 挑頂開挖模型

4.2 本構(gòu)關(guān)系

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣和巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算中采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞式

(1)

式中,σ1、σ3分別是最大和最小主應(yīng)力；c、φ分別是黏結(jié)力和摩擦角。

當(dāng)fs>0時(shí),材料將發(fā)生剪切破壞。在通常應(yīng)力狀態(tài)下,巖體的抗拉強(qiáng)度很低,因此可根據(jù)抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則(σ3≥σT)判斷巖體是否產(chǎn)生拉破壞。

4.3 地層參數(shù)選取

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告和相關(guān)補(bǔ)充勘察報(bào)告,圍巖、注漿層及初期支護(hù)的物理力學(xué)參數(shù)取值如表1、表2所示。

表1 圍巖地層物理力學(xué)參數(shù)

表2 注漿區(qū)及初期支護(hù)物理及力學(xué)參數(shù)

5 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

5.1 應(yīng)力場(chǎng)分析(圖4)

圖4 隧道挑頂開挖過程中應(yīng)力場(chǎng)變化過程

從三維有限元模擬挑頂?shù)睫D(zhuǎn)換CRD開挖過程的結(jié)果圖形可以看出,在斜井隧道與挑頂施工的連接部位,由于所開挖空間突然變大,圍巖應(yīng)力釋放較為充分,開挖面有較大位移,挑頂?shù)牡谝徊糠稚喜克缮⑼馏w與斜井隧道上部松散土體聯(lián)通,成為較大范圍的松散土體,由于大面積的土體失去自穩(wěn)能力,其自重作為荷載直接作用于支撐結(jié)構(gòu)上,造成支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力較為集中。第一部分和第二部分的挑頂開挖在造成上部圍巖應(yīng)力釋放的同時(shí)也給下部圍巖應(yīng)力釋放提供了空間,出現(xiàn)明顯的反拱現(xiàn)象,下部土體變得較為松散,基本和上部位移形成對(duì)稱分布。鑒于此,在挑頂開挖時(shí),加密支撐支護(hù),以達(dá)到用上面的松散土體的自重荷載來抵消下面土體的上拱力的目的,使得上部土體沉降變小的同時(shí),下部土體的反拱量也變小。同時(shí),需要加大臺(tái)階進(jìn)尺,以防止臺(tái)階土體發(fā)生沖切破壞,同時(shí)可以考慮一個(gè)臺(tái)階上支撐多排支柱,同時(shí)考慮臺(tái)階土體的加固措施。

5.2 位移場(chǎng)分析(圖5、圖6)

圖5 挑頂開挖支護(hù)過程中地層位移剖面

圖6 挑頂施工對(duì)地表沉降的影響

從開挖支護(hù)過程中的位移分布和發(fā)展圖上可以看出,隨著挑頂?shù)拈_挖,在開挖洞室的周邊位移基本都在1.5～5 cm,波及范圍在1倍開挖洞室直徑之內(nèi),從剖面圖的位移圖可以看出,下部底鼓現(xiàn)象較為嚴(yán)重,主要原因是斜井與正洞交叉部位開挖臨空面積較大。在挑頂開挖支護(hù)過程中由于斜井交叉部位核心土的留設(shè)和加固,正洞左側(cè)的位移量很小,而且波及范圍相對(duì)隧道周邊小很多,所以在大斷面隧道挑頂施工過程中,斜井核心土留設(shè)和加固對(duì)隧道開挖穩(wěn)定十分重要,經(jīng)計(jì)算本工程最終核心土留設(shè)高度為3 m,深度為5 m,實(shí)踐表明效果十分理想。地表沉降圖表明,地表沉降的范圍也隨之迅速變大,沉降量也逐漸變大,但是從模擬結(jié)果看到,雖然挑頂施工的上方沉降范圍變化明顯,但是沉降量卻沒有隨著挑頂開挖范圍的擴(kuò)大而激增。地面最終最大沉降量在8.5 cm左右,若地面沒有對(duì)沉降十分敏感的建筑物,可不對(duì)地面進(jìn)行特殊處理。經(jīng)后期地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明最大沉降為6.8 cm,表明擬定方案和計(jì)算的取值是可行的。

5.3 支護(hù)體系受力分析(圖7、圖8)

圖7 錨桿支護(hù)體系受力情況

圖8 初期支護(hù)體系受力情況

根據(jù)模擬結(jié)果圖的數(shù)據(jù)分析,錨桿和初支受力較大同時(shí)也較集中,主要原因是挑頂開挖面較大,上部一定范圍的土體發(fā)生破壞,鑒于此,施工每一步挑頂前,要進(jìn)行有效的小導(dǎo)管注漿,以改善開挖面前方土體的力學(xué)參數(shù),增強(qiáng)圍巖強(qiáng)度，減小圍巖破壞范圍,從而減輕支護(hù)結(jié)構(gòu)受力。

6 結(jié)論與建議

(1)在大斷面及超大斷面隧道挑頂施工過程中,每個(gè)臺(tái)階上的支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要高,支護(hù)密度要大,每個(gè)支護(hù)循環(huán)進(jìn)尺,安裝5榀鋼架為宜,其中3榀型鋼鋼架,2榀格柵鋼架,這樣可以同時(shí)減小底鼓和塌頂。

(2)斜井核心土的留設(shè)和加固對(duì)隧道開挖穩(wěn)定十分重要,其可以有效改善洞室圍巖受力情況,減小圍巖位移,阻止破壞區(qū)擴(kuò)散。最終核心土留設(shè)高度為3 m,深度為5 m,且放坡,作為后續(xù)開挖出土的臨時(shí)通道,不會(huì)影響后續(xù)出土。

(3)對(duì)斜井開挖面施作φ42 mm超前小導(dǎo)管,小導(dǎo)管長(zhǎng)2.5 m,間距0.4 m；對(duì)挑頂處正洞土體加固采用φ42 mm超前小導(dǎo)管,小導(dǎo)管長(zhǎng)2.5 m,間距0.3 m。挑頂施工過程中,在斜井中對(duì)正洞核心土進(jìn)行有效的注漿加固可以有效改善支護(hù)體系受力,減小應(yīng)力集中程度。

[1] 趙 勇,王樹強(qiáng),李 本.鄭西客運(yùn)專線砂質(zhì)黃土大斷面隧道淺埋暗挖法施工技術(shù) [J], 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2007(S1)：85-88.

[2] 賀廷西,蘇萬軍.石太鐵路客運(yùn)專線大斷面黃土隧道施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2007(4)：21-24.

[3] 辛振省.砂質(zhì)黃土大斷面隧道施工方法優(yōu)化研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2011(1)：58-61.

[4] 王夢(mèng)恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論[M].合肥：安徽教育出版社,2005.

[5] 鐵道部第二工程局.鐵路工程施工技術(shù)手冊(cè).隧道[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,1995.

[6] 楊建民.函谷關(guān)隧道砂質(zhì)黃土地層支護(hù)受力測(cè)試分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2008(6)：56-60.

[7] 李 本.大斷面黃土隧道斜井進(jìn)入正洞的挑頂施工技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù),2008(3):34-37.

[8] 王新東,宋 冶,王 剛,等.客運(yùn)專線大斷面黃土隧道施工監(jiān)控技術(shù)[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2010(1)：52-56.