淺埋偏壓小凈距隧道的最小合理間距研究

魏梧樹

?

淺埋偏壓小凈距隧道的最小合理間距研究

魏梧樹*

(湖南慶新建設(shè)工程有限公司, 湖南 邵陽, 422200)

偏壓隧道易發(fā)生塌方、冒頂、地表塌陷等工程災(zāi)害, 在小凈距偏壓隧道的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中, 要求對其施工方法、支護(hù)參數(shù)以及施工順序進(jìn)行特殊設(shè)計(jì). 用FLAC3D對小凈距偏壓隧道在不同施工間距下循環(huán)開挖過程進(jìn)行了模擬, 對偏壓率分別為1.16、1.25和1.5時(shí)的不同間距, 以及不同偏壓率時(shí)的施工力學(xué)效應(yīng)和圍巖沉降進(jìn)行了研究. 結(jié)果表明: 當(dāng)隧道偏壓率分別為1.5、1.25和1.16時(shí), 2隧道中間巖柱最小合理間距分別為30、24和18 m; 偏壓過大時(shí), 圍巖大范圍塑性區(qū)集中于右洞右邊墻側(cè), 需加強(qiáng)對右邊墻的支護(hù). 考慮偏壓淺埋隧道的實(shí)際地形情況, 設(shè)計(jì)中間巖柱間距為18 m, 監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果顯示18 m的間距設(shè)計(jì)是合理的, 滿足圍巖穩(wěn)定性要求, 驗(yàn)證了數(shù)值模擬研究結(jié)果的可靠性.

淺埋偏壓; 小凈距; 最小合理間距; 數(shù)值模擬

由于偏壓隧道伴隨復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造或地形等原因, 容易造成施工開挖后的圍巖壓力明顯不對稱, 因而隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)承受偏壓荷載. 偏壓隧道也伴隨著塌方、冒頂、地表塌陷等工程災(zāi)害, 偏壓對后期支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)影響明顯, 同時(shí)也影響隧道施工過程中的圍巖穩(wěn)定性. 因此, 開展對地形偏壓對隧道結(jié)構(gòu)圍巖穩(wěn)定性影響及偏壓淺埋小凈距隧道的最小合理間距研究, 具有重要指導(dǎo)意義.

近些年, 學(xué)者們對偏壓小凈距隧道進(jìn)行了不少研究. 楊小禮、眭志榮[1]采用對不同工序下的淺埋小凈距偏壓公路隧道進(jìn)行了施工力學(xué)數(shù)值模擬分析, 得出了不同開挖工序時(shí)的圍巖位移、應(yīng)力、地表位移及塑性區(qū)的變化情況. 李云鵬[2]等從不同圍巖級別出發(fā), 對小間距隧道采用雙側(cè)導(dǎo)坑法的開挖施工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬, 給出了在施工過程中不同圍巖級別下的圍巖破壞特征及其變形規(guī)律, 洞周最大變形量值之間的相對比值關(guān)系得以確定. 劉勝利等[3]采用有限元數(shù)值模擬法, 對復(fù)雜地質(zhì)條件下的小間距雙線隧道的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析, 并結(jié)合依托隧道的圍巖及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了評估. 姚勇等[4]采用數(shù)值模擬方法, 對小凈距隧道的復(fù)合襯砌的力學(xué)效應(yīng)、中間巖柱受力及變形特點(diǎn)進(jìn)行了研究.

學(xué)者們對偏壓隧道的研究成果不少, 但隧道工程地質(zhì)復(fù)雜多樣, 多數(shù)成果對實(shí)際工程的參考價(jià)值不是很大. 目前, 偏壓小凈距隧道的最小合理間距問題仍沒有得到很好解決, 而公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[5]規(guī)定當(dāng)小凈距隧道有偏壓時(shí), 支護(hù)參數(shù)、施工方法和施工順序宜進(jìn)行特殊設(shè)計(jì). 本文以宴崗隧道為背景, 利用FLAC3D軟件, 對比分析不同偏壓率時(shí)的不同間距, 對比分析其模擬結(jié)果以獲得最佳合理間距, 得出在不同偏壓率時(shí)的圍巖沉降結(jié)果, 為該類淺埋偏壓小凈距隧道的設(shè)計(jì)和施工提供參考.

1 工程概況及建模參數(shù)的確定

晏崗隧道位于廣深高速公路東莞市虎門鎮(zhèn), 隧道設(shè)計(jì)為偏壓小凈距短隧道, 埋深較淺, 右線隧道全長300 m, 左線隧道全長310 m. 左右線隧道都位于直線上, 縱坡都設(shè)計(jì)成小人字坡, 右線隧道縱坡坡度為1.25%和-0.9%, 左線隧道縱坡坡度為1.25%和-0.898%. 隧道最大覆土厚度約25 m, 左右隧道間的凈巖柱寬為18 m. 為了研究淺埋小凈距隧道合理間距與隧道偏壓程度間的關(guān)系, 引入偏壓率指標(biāo)[6], 采用FLAC3D軟件用不同偏壓率值對比隧道最小合理間距, 并進(jìn)行分析.

以下為研究的前提與方法[7—9]:

① 保證左洞埋深相同(埋深均為20 m), 建立1:6、1:4和1:2三種坡度的隧道模型;

② 模擬隧道圍巖級別為V級, 其參數(shù)見表1;

③ 無支護(hù)條件下隧道中間巖柱塑性區(qū)貫通, 視為隧道失穩(wěn), 進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析;

④ 根據(jù)地表坡度與偏壓率的關(guān)系1 +0(其中為洞寬,0為埋深), 分析偏壓率分別為1.16、1.25和1.5時(shí)保證圍巖穩(wěn)定的中間巖柱寬度;

⑤ 確定以上條件下的隧道最小合理間距.

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

1.1 偏壓率1.16隧道最小合理間距

圖1為偏壓率為1.16時(shí), 間距分別為18、24、30和36 m時(shí)4種情況下隧道無支護(hù)結(jié)構(gòu)開挖后的圍巖塑性區(qū)分布圖.

由圖1可知, 受偏壓影響, 右洞塑性區(qū)明顯大于左洞, 邊墻角和拱腰的塑性區(qū)發(fā)展嚴(yán)重. 對比4個(gè)圖, 圖1(a)中隧道間距為18 m時(shí)中間巖柱塑性區(qū)貫通, 而圖1(b)、(c)、(d)中未有貫通, 而是中間巖柱塑性區(qū)分離. 根據(jù)貫通視為失穩(wěn)的準(zhǔn)則, 圖1(b)、(c)、(d)中最小的間距為24 m, 可認(rèn)為, 偏壓率為1.16時(shí), 2隧道合理間距為24 m.

1.2 偏壓率1.25隧道最小合理間距

圖2為偏壓率1.25時(shí), 間距分別為18、24、30和36 m時(shí)4種情況下隧道無支護(hù)開挖后圍巖塑性區(qū)分布圖. 左、右洞隧道的圍巖塑性區(qū)分布與偏壓率為1.16時(shí)相似, 但是圍巖塑性區(qū)的范圍明顯比偏壓率1.16時(shí)塑性區(qū)的范圍大. 據(jù)上述準(zhǔn)則, 同樣, 偏壓率為1.25時(shí), 2隧道最小合理間距為24 m.

圖1 偏壓率1.16時(shí)不同間距圍巖塑性區(qū)分布

圖2 偏壓率1.25時(shí)不同間距圍巖塑性區(qū)分布

1.3 偏壓率1.5隧道最小合理間距

圖3為偏壓率為1.50時(shí), 間距分別為18、24、30和36 m時(shí)4種情況下隧道無支護(hù)開挖后圍巖塑性區(qū)分布圖. 相比前2種偏壓情況, 偏壓率為1.5時(shí)隧道右洞右側(cè)塑性區(qū)變形嚴(yán)重, 可見, 偏壓太大, 右側(cè)圍壓才是最關(guān)鍵的問題. 圖2(a)、(b)中, 隧道間距為18和24 m時(shí)中間巖柱塑性區(qū)貫通, 圖2(c)中間距為30 m時(shí), 中間巖柱塑性區(qū)分離. 因而偏壓率為1.50時(shí), 2隧道最小合理間距為30 m, 并且還應(yīng)首先確保右洞的右側(cè)圍巖穩(wěn)定.

圖3 偏壓率1.50時(shí)不同間距圍巖塑性區(qū)分布

2 隧道合理施工間距模擬分析

分析左右2隧道施工時(shí)掌子面間的合理間距按如下條件進(jìn)行計(jì)算: ① 建立三維模型, 模型縱深90 m, 圍巖按表1中Ⅳ級圍巖參數(shù)取值; ②分別建立2隧道施工掌子面間距為0、10、20、30和40 m的5種模型; ③左右隧道均采用全斷面法開挖, 均以10 m為一個(gè)循環(huán)開挖至貫通, 不考慮工法; ④ 支護(hù)結(jié)構(gòu)以錨桿、噴射混凝土和加固圈方式進(jìn)行, 注漿錨桿采用錨索單元. 噴射混凝土-鋼拱架采用殼體單元.

2.1 圍巖沉降計(jì)算結(jié)果

圖4為施工掌子面間距40 m時(shí), 隧道貫通后圍巖豎向位移云圖. 施工時(shí)需對核心土進(jìn)行必要的支護(hù), 工作面施工完成后及時(shí)封閉, 拱頂部分進(jìn)行超前支護(hù), 仰拱及時(shí)施工. 如圖5所示在進(jìn)深10 m斷面處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn), 得到地表沉降曲線如圖6—圖9.

圖4 圍巖豎向位移云圖

2隧道貫通后, 左拱頂沉降、右拱頂沉降和地表沉降最終值基本是相同的, 只是施工過程中每一分步引起的沉降值差別較大, 從圖5和圖6不能分析出施工時(shí)2隧道的合理間距.

圖5 測點(diǎn)布置圖

圖6 施工步與測點(diǎn)沉降關(guān)系曲線

2.2 圍巖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

在中間巖柱上取如圖5所示3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行圍巖豎向應(yīng)力監(jiān)測, 應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)如圖7所示, 應(yīng)力變化曲線見圖8.

圖7 應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)

圖8所反映的中間巖柱應(yīng)力變化曲線與圍巖沉降變化曲線相似, 各測點(diǎn)應(yīng)力最終是相同的, 在中間工序應(yīng)力增量差異明顯. 圖9為不同施工間距時(shí)監(jiān)測點(diǎn)豎向應(yīng)力增量曲線.

當(dāng)掌子面間距為20 m時(shí), 目標(biāo)斷面應(yīng)力增量峰值分為2個(gè), 圍巖豎向應(yīng)力增量峰值減小明顯. 沿隧道縱向方向, 目標(biāo)斷面前后20 m范圍內(nèi), 隧道施工對中間巖柱的豎向應(yīng)力增量影響較大, 所以, 為保證2隧道同時(shí)施工對中間巖柱影響不至于太大, 掌子面合理間距宜大于20 m.

圖8 測點(diǎn)豎向應(yīng)力曲線圖

圖9 測點(diǎn)豎向應(yīng)力增量曲線

3 結(jié)論

依托晏崗隧道工程, 運(yùn)用FLAC3D軟件建立晏崗隧道三維施工模型, 分別對淺埋偏壓小凈距隧道不同偏壓情況下隧道最小合理間距和施工掌子面合理間距進(jìn)行了優(yōu)化模擬研究, 得到以下2點(diǎn)結(jié)論:

① 通過FLAC3D對比分析, 設(shè)計(jì)隧道偏壓率分別為1.5、1.25和1.16時(shí), 2隧道中間巖柱最小合理間距分別是30、24和18 m. 3種情況下, 埋深較大的隧道右邊墻側(cè)向應(yīng)力增大明顯, 且偏壓率越大所產(chǎn)生塑性區(qū)的范圍也越大, 需加強(qiáng)對該區(qū)域的支護(hù). 設(shè)計(jì)中間巖柱間距為18 m, 可滿足圍巖穩(wěn)定性要求, 監(jiān)測數(shù)據(jù)滿足設(shè)計(jì)要求, 進(jìn)一步驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性.

② 基于三維模擬方法，設(shè)計(jì)隧道的施工掌子面距離分別為0、10、20、30和40 m五種模型，對比分析研究中間巖柱的穩(wěn)定性. 結(jié)果表明: 當(dāng)左右隧道的施工掌子面距離為20 m時(shí), 中間巖柱豎向應(yīng)力增量明顯減少, 為確保圍巖穩(wěn)定及施工合理, 建議實(shí)際施工時(shí)左右隧道施工掌子面距離應(yīng)大于20 m.

[1] 楊小禮, 眭志榮. 淺埋小凈距偏壓隧道施工工序的數(shù)值分析[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 38(4): 764—770.

[2] 李云鵬, 王芝銀, 韓常領(lǐng), 等. 不同圍巖類別小間距隧道施工過程模擬研究[J]. 巖土力學(xué), 2006, 27(1): 11—17.

[3] 劉勝利, 施成華, 彭立敏, 等. 小間距隧道施工期間洞室與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性評判[J]. 西部探礦工程, 2003(3): 108—111.

[4] 姚勇, 晏啟祥, 周俐俐. 小凈距隧道在不同開挖方式下的力學(xué)效應(yīng)分析[J]. 西南科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 20(2) : 53—56.

[5] 中華人民共和國交通部. JTJD70-2004 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2004.

[6] 劉波, 韓彥輝. FLAC原理、實(shí)例與應(yīng)用指南[M]. 北京: 人民交通出版社, 2005: 543—549.

[7] 關(guān)寶樹. 隧道及地下工程[M]. 成都: 西南交通大學(xué)出版社, 2000.

[8] 傅鶴林, 張聚文, 黃陵武, 等. 軟弱圍巖中大跨度淺埋偏壓小間距隧道開挖的數(shù)值模擬[J]. 采礦技術(shù), 2009, 9(5): 17—21.

[9] Ng C W W, Lee K M, Tang D K W. Three-dimensional numerical investigations of new ustrian tunneling method (NATM) twin tunnel interactions[J]. Can Geoteeh J, 2004, 41: 523—539.

Discussion on the reasonable spacing of shallow, unsymmetrical loading and closely-spaced tunnel

WEI Wu-shu

(Hunan Qingxin Engineering Co., LTD., Shaoyang 422200, China)

Collapse, roof fall, ground subsidence and other engineering disasters happen often in bias and close spacing tunnels. In the related design specifications, constructing methods, supporting parameters and constructing steps must be designed specially. With the help of FLAC3D,circular excavation with different steps and with bias rateof 1.16, 1.25 and 1.5 were simulated, construction mechanics and results of rock’s settlement were analyzed as well. Results show that when a tunnel with bias rate of 1.16, 1.25 and 1.5, rock pillars minimum spacing between the two closing tunnel is correspond to 18 m, 24 m and 30 m. Whilethe bias pressure was great in the right side wall on the right tunnel, a wide range of plastic zone is produced, the stability of sidewall was influenced in which should be reinforced support. Finally, taking into account the actual terrain conditions, rock pillars in the middle distance was designed with 18 m, monitoring results show that the spacing design is reasonable, stability of surrounding rock met the requirements, the reliability of numerical simulation results were verified.

shallow and unsymmetrical loading; small clear spacing;minimum spacing;numerical simulation

10.3969/j.issn.1672-6146.2013.04.016

U 455

1672-6146(2013)04-0064-06

email:xiaochenghuang@163.com.

2013-10-16

(責(zé)任編校: 江 河)