某隧道塌方段支護(hù)變更設(shè)計(jì)及其安全驗(yàn)核

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 350004)

某隧道塌方段支護(hù)變更設(shè)計(jì)及其安全驗(yàn)核

■馮希林

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 350004)

對(duì)某在建隧道塌方段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，認(rèn)為原支護(hù)設(shè)計(jì)不能滿足強(qiáng)度要求，并提出Z5-2復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)支護(hù)的變更方案?；诤奢d-結(jié)構(gòu)法和泰沙基理論，利用MIDAS-GTS軟件對(duì)Z5-2襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行塌方后隧道圍巖壓力計(jì)算模型模擬分析，驗(yàn)核各測(cè)點(diǎn)安全系數(shù)是否滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，結(jié)果可為類似隧道問題提供借鑒。

塌方 泰沙基理論 荷載-結(jié)構(gòu)法 襯砌支護(hù) 變更設(shè)計(jì)

1 工程概況

某在建隧道全長(zhǎng)2613.5m，為分離式雙洞四車道。其中左洞全長(zhǎng)2627m，右洞全長(zhǎng)2627m。左右洞進(jìn)口段分別位于半徑為R=1196.5m、R=1203.5m的平面曲線內(nèi)，左右洞出口分別位于半徑為R=596.5m、R=590m的平面曲線內(nèi)。

該隧道開挖至YK45+028附近時(shí)發(fā)生塌方，坍塌體里程為Y45+028～YK45+030，坍塌段拱頂?shù)乇硇纬梢粋€(gè)約5m×5m的近似圓形陷穴，地表坍塌中心位于隧中側(cè)左的位置，坍塌底部最深處離原地表約為3m。塌方體長(zhǎng)度約為2m，坍腔高度約為28.61～29.55m。選取典型斷面，即塌方段樁號(hào)YK45+028處縱斷面，該段距右洞出口約167m，如圖1所示。

圖1 塌方段縱斷面示意圖

由于該塌方段地質(zhì)為Ⅴ級(jí)圍巖，原設(shè)計(jì)襯砌形式為Z5。但由于塌方引起圍巖擾動(dòng)[1]，因此需對(duì)原有襯砌形式進(jìn)行變更設(shè)計(jì)。

2 襯砌形式變更設(shè)計(jì)

2.1 塌方段現(xiàn)場(chǎng)處置方案

首先加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，對(duì)于塌方體后方的初期支護(hù)應(yīng)進(jìn)行臨時(shí)加固，每榀鋼支撐用1根工25b型鋼作為臨時(shí)豎撐，并加強(qiáng)縱橫向豎撐之間的連結(jié)，保證臨時(shí)豎撐的整體受力，臨時(shí)豎撐應(yīng)做好基礎(chǔ)和原鋼支撐的連接，以確保塌方處理人員的施工安全。用沙包對(duì)塌方體坡腳進(jìn)行反壓回填，然后在其表面噴一層20cm厚的C25早強(qiáng)混凝土將塌方體封閉，且根據(jù)具體情況在塌方體上設(shè)置平孔排水，然后在塌方體表面打入Φ50mm長(zhǎng) 5m的小導(dǎo)管[2-3]，梅花形布設(shè)，間距為100cm×100cm，如圖2。加壓注漿以固結(jié)塌方體保證洞內(nèi)塌方體的穩(wěn)定。

圖2 注漿孔布置圖(單位：cm)

2.2塌方段襯砌形式變更方案

根據(jù) 《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2004)、《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70-2010)、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，需改變強(qiáng)化塌方段落的支護(hù)結(jié)構(gòu)[4,5]。具體方案為：超前支護(hù)采用F2-2型雙層小導(dǎo)管注漿，復(fù)合式襯砌支護(hù)由原設(shè)計(jì)的Z5型改為Z5-2型，其中工20b鋼支撐間距為0.5m，二襯施工前要對(duì)初支內(nèi)腔進(jìn)行測(cè)量，并判斷初支內(nèi)輪廓是否侵入二襯。Z5-2襯砌結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

3 計(jì)算參數(shù)及荷載

3.1 圍巖及襯砌力學(xué)參數(shù)

隧道圍巖及Z5-2復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)見表1及表2所示。

3.2 圍巖壓力計(jì)算

隧道塌方段位于V級(jí)深埋段，埋深34m，考慮隧道預(yù)留變形量，開挖跨度為Bt=12.42m，開挖高度Ht=10.44m。設(shè)計(jì)荷載根據(jù) 《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70-2010)深埋單洞隧道圍巖壓力經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，計(jì)算模型如圖4。

圖3 Z5-2復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)圖(單位：cm)

表1 V圍巖計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)表

表2 Z5-2支護(hù)力學(xué)參數(shù)表

圖4 深埋隧道圍巖壓力

由于隧道頂塌方冒頂形成的寬約2.5m塌方體可視為散粒體，采用K·泰沙基理論[6]近似計(jì)算塌方體土柱對(duì)隧道產(chǎn)生的附加荷載，K值取為1.25，不考慮散粒體粘聚力和圍巖內(nèi)摩擦角，簡(jiǎn)化計(jì)算圖示如圖5，最終圍巖壓力如圖6所示。

圖5 塌方體附加荷載簡(jiǎn)化計(jì)算圖示(單位：m)

圖6 最終圍巖壓力圖示

4 襯砌支護(hù)數(shù)值模擬

4.1 有限元計(jì)算模型

本次計(jì)算基于荷載-結(jié)構(gòu)法[7,8]，采用MIDAS-GTS有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算內(nèi)容包括初支與二砌，采用梁?jiǎn)挝荒M襯砌結(jié)構(gòu)，圍巖對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的作用采用彈性連接(受壓)單元模擬。初支及襯砌有限元模型如圖7。

圖7 有限元計(jì)算模型

4.2 初支計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行驗(yàn)算，采用綜合安全系數(shù)法，其中最不利位置位于拱頂4號(hào)節(jié)點(diǎn)處，其軸力為1310.7kN，彎矩為129.18kN·m，位移值為13.1mm，安全系數(shù)為 1.67，滿足規(guī)范要求。驗(yàn)算施工階段的強(qiáng)度時(shí)，安全系數(shù)采用上述規(guī)范“永久荷載+基本可變荷載+其它可變荷載”欄內(nèi)的數(shù)值乘以折減系數(shù)0.9，得出其安全系數(shù)應(yīng)大于1.53。初支計(jì)算軸力圖、彎矩圖及位移如圖8所示，驗(yàn)算數(shù)值如表3。

圖8 初支模擬計(jì)算結(jié)果

表3 初支內(nèi)力及安全系數(shù)驗(yàn)算表

4.3 二襯計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行驗(yàn)算，采用綜合安全系數(shù)法，其中最不利位置位于拱頂 4號(hào)節(jié)點(diǎn)處，軸力為 899.04kN，彎矩為415.04kN·m，位移為8.6mm，安全系數(shù)為2.56，滿足《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2004)中安全系數(shù)應(yīng)大于2.0的要求。模擬計(jì)算結(jié)果如圖9所示，驗(yàn)算數(shù)值如表4所示。

圖9 二襯模擬計(jì)算結(jié)果

表4 二襯內(nèi)力及安全系數(shù)驗(yàn)算表

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

利用MIDAS-GTS有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算初支及二襯的軸力，彎矩及位移，按照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，安全系數(shù)驗(yàn)算均滿足要求。即使在最不利位置即拱頂4號(hào)節(jié)點(diǎn)處，其安全系數(shù)最小，但仍能滿足要求，證明Z5-2復(fù)合襯砌支護(hù)的強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范要求，變更設(shè)計(jì)方案可行。

5 結(jié)論

通過對(duì)某隧道塌方原因分析，并提出現(xiàn)場(chǎng)處置方案，需要對(duì)支護(hù)形式進(jìn)行變更設(shè)計(jì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)-荷載法和泰沙基理論，并利用MIDAS-GTS有限元軟件，對(duì)變更設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算隧道各節(jié)點(diǎn)相關(guān)數(shù)值，并驗(yàn)算安全系數(shù)。證明Z5-2復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)能夠滿足規(guī)范要求，對(duì)塌方段可以進(jìn)行可靠有效支撐，該襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)可為類似隧道提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

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