全風(fēng)化地層大斷面隧道洞口預(yù)加固技術(shù)模擬分析

陳 昕，張志強(qiáng)

(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 610031)

隨著我國(guó)交通事業(yè)的快速發(fā)展，公路及鐵路隧道的建設(shè)將越來(lái)越多，會(huì)有大量隧道洞口面臨淺埋、軟弱圍巖等不良地質(zhì)情況[1-3]。全風(fēng)化花崗巖地層大斷面隧道洞口施工工序繁多，由于圍巖多次擾動(dòng)，圍巖應(yīng)力及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況復(fù)雜[4]，因此選擇合理的預(yù)加固技術(shù)并充分認(rèn)識(shí)在預(yù)加固條件下圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特征和受力特征對(duì)保證隧道洞口段圍巖及山體穩(wěn)定具有重要意義[5-6]。

本文依托汕湛高速公路全風(fēng)化花崗巖橫山隧道，建立較為逼真的三維數(shù)值模型，基于Flac3D有限差分法對(duì)管棚和超前注漿小導(dǎo)管兩種洞口預(yù)加固技術(shù)進(jìn)行了模擬對(duì)比，分析了在預(yù)加固條件下圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形特征、掌子面穩(wěn)定性，得出的結(jié)論對(duì)類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)及施工有借鑒和參考意義。

1 工程概況

橫山隧道位于汕湛高速公路汕頭至揭西段附近。該隧道為一座分離式雙洞長(zhǎng)隧道，穿過(guò)丘陵地貌區(qū)。隧道界限寬度15.25 m，開(kāi)挖斷面為131.74～170.93 m3。隧道進(jìn)、出口洞口段埋深約10 m，圍巖極破碎，濕水易軟化，巖石主要成分為全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，局部見(jiàn)中風(fēng)化花崗巖，圍巖級(jí)別V級(jí)。

2 隧道計(jì)算模型及參數(shù)

本文采用有限差分模擬軟件Flac3D對(duì)橫山隧道的預(yù)加固和開(kāi)挖進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬和監(jiān)測(cè)。隧道埋深取10 m，不考慮地表起伏，X方向長(zhǎng)75 m(隧道水平方向)、Y方向長(zhǎng)80 m(隧道開(kāi)挖方向)和Z方向高50 m(豎直方向)。圍巖、初期支護(hù)采用六面體單元進(jìn)行模擬，預(yù)加固措施中管棚采用Beam單元模擬，超前注漿小導(dǎo)管采用Cable單元模擬，注漿加固則采取加強(qiáng)注漿圈內(nèi)圍巖材料參數(shù)的方式進(jìn)行模擬。開(kāi)挖方式為全斷面開(kāi)挖，采取開(kāi)挖一步支護(hù)上一步的方式循環(huán)開(kāi)挖，每個(gè)開(kāi)挖步長(zhǎng)度2 m，共開(kāi)挖10步。計(jì)算模型如圖1所示，圍巖和初期支護(hù)示意圖見(jiàn)圖2，材料參數(shù)見(jiàn)表1。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 圍巖變形特征分析

為了避免邊界效應(yīng)的影響，主要分析兩種預(yù)加固方式下隧道開(kāi)挖20 m后，Y=10 m截面的圍巖變形和地表位移，圖3中STEP表示Flac3D迭代步數(shù)。

圖1 橫山隧道三維數(shù)值模型

(a)管棚

表1 圍巖與初期支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)

圖3 Y=10m斷面的拱頂沉降值變化曲線

(1)拱頂下沉分析

如圖3所示，從隧道的拱頂沉降變化趨勢(shì)來(lái)看，超前注漿小導(dǎo)管在開(kāi)挖進(jìn)行至約600個(gè)迭代步后，拱頂沉降就開(kāi)始快速增加，而施加管棚后，開(kāi)始階段沉降值基本為零，直到開(kāi)挖至約2 400個(gè)迭代步后沉降速度才開(kāi)始逐漸增加到與前者同一水平。這說(shuō)明管棚相對(duì)超前注漿小導(dǎo)管來(lái)說(shuō)能對(duì)早期的沉降增加產(chǎn)生較強(qiáng)的控制作用，而最終兩種加固方法的沉降速度將趨于一致。

(2)水平收斂位移分析

如圖4所示，隧道開(kāi)挖的初始階段，超前注漿小導(dǎo)管加固下圍巖的水平收斂值略大于管棚，但其曲線的斜率從始至終變化不大，增長(zhǎng)比較平緩；而管棚的水平收斂變化趨勢(shì)為初始增加緩慢，而到迭代步達(dá)到2 000左右時(shí)開(kāi)始快速增加，最終產(chǎn)生的收斂值反而比超前注漿小導(dǎo)管更大。這說(shuō)明管棚在開(kāi)挖早期對(duì)隧道水平收斂有較強(qiáng)的約束作用，而超前注漿小導(dǎo)管預(yù)加固則在更長(zhǎng)的范圍內(nèi)更有優(yōu)勢(shì)。

圖4 Y=10 m斷面的拱腰處水平收斂值變化曲線

(3)地表沉降分析

如圖5所示，管棚預(yù)加固下地表沉降相對(duì)更小，沉降值基本集中在80 mm附近,而超前注漿小導(dǎo)管加固的沉降最大值達(dá)到了223 mm，且地表沉降大小和水平方向坐標(biāo)基本呈現(xiàn)出二次函數(shù)相關(guān)。

兩種預(yù)加固方式下隧道開(kāi)挖在Y=10 m處產(chǎn)生的圍巖變形量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

圖5 Y=10m截面的地表沉降值

表2 兩種預(yù)加固方式下圍巖變形結(jié)果 mm

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

在Y=10 m處初期支護(hù)的彎矩和軸力結(jié)果如表3、表4所示。

表3 初期支護(hù)各部位彎矩大小對(duì)比 kN·m

表4 初期支護(hù)各部位軸力大小對(duì)比 kN

(1)與超前注漿小導(dǎo)管相比，管棚預(yù)加固條件下初期支護(hù)拱頂、拱肩處彎矩分別僅為前者的68 %和58 %，拱肩處則軸力為前者的兩倍，而其他位置則基本一致。這說(shuō)明，以上兩種預(yù)加固方式在初支彎矩上的區(qū)別僅限于上部結(jié)構(gòu)，管棚能有效降低拱肩部初支的彎矩，而超前注漿小導(dǎo)管則可以有效降低拱頂部初支的軸力。

(2)由于素混凝土抗拉強(qiáng)度較低，所以截面內(nèi)力的偏心距越大，截面上越容易產(chǎn)生拉應(yīng)力。通過(guò)表3、表4可得，超前注漿小導(dǎo)管預(yù)加固的最大偏心距出現(xiàn)在拱頂位置，為0.187 m，管棚預(yù)加固下最大偏心距出現(xiàn)在拱腰位置，為0.136 m，顯然相比超前小導(dǎo)管注漿加固,管棚預(yù)加固下初支安全性更高。這說(shuō)明從偏心距大小來(lái)看，要提升初期支護(hù)的穩(wěn)定性，管棚相對(duì)超前注漿小導(dǎo)管更加有效。

3.3 掌子面穩(wěn)定性分析

選取隧道開(kāi)挖至Y=20 m時(shí)的掌子面作為分析對(duì)象，得到隧道掌子面中心線法向擠出量分布圖和掌子面擠出變形云圖，分別如圖6、圖7所示。

從圖6可知，在超前注漿小導(dǎo)管預(yù)加固條件下，掌子面變形較大，最大值達(dá)到61 mm，而管棚預(yù)加固條件下掌子面法向擠出位移最大值僅為33 mm。

而從圖7所示掌子面內(nèi)部巖體Y方向位移云圖可知，管棚預(yù)加固下掌子面變形量在掌子面內(nèi)和法向方向的分布比較都較為均勻，而超前注漿小導(dǎo)管加固下掌子面中心位置的變形則明顯高于掌子面四周。這說(shuō)明管棚在控制掌子面變形大小和不均勻形變上相比超前注漿小導(dǎo)管有較大的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

基于對(duì)全風(fēng)化地層大斷面隧道采用管棚和超前注漿小導(dǎo)

圖6 Y=20 m掌子面中心線擠出量分布

(a)管棚

管兩種預(yù)加固方式下隧道開(kāi)挖引起的圍巖變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)及掌子面穩(wěn)定性分析，得出以下結(jié)論：

(1)洞口段采用管棚預(yù)加固后，雖然最終的隧道兩側(cè)水平收斂程度不如超前注漿小導(dǎo)管，但其拱頂沉降、地表沉降較超前注漿小導(dǎo)管均得到有效控制，并且管棚可以有效降低隧道開(kāi)挖早期的豎直和水平方向變形速度。

(2)在管棚預(yù)加固方式下，初期支護(hù)軸力在拱頂處為203.5 kN，大于超前注漿小導(dǎo)管下的101.9 kN；與超前注漿小導(dǎo)管相比，管棚預(yù)加固條件下初期支護(hù)拱頂、拱肩處彎矩分別僅為前者的68 %和58 %；管棚預(yù)加固下，截面內(nèi)力最大偏心距僅為超前注漿小導(dǎo)管的72.7 %。因此管棚預(yù)加固能更好的提高初期支護(hù)的安全性。

(3)管棚預(yù)加固條件下掌子面擠出位移最大值遠(yuǎn)小于超前注漿小導(dǎo)管，僅為后者的54 %，并且形變也更加均勻，因此相比超前注漿小導(dǎo)管能更好的提升掌子面的穩(wěn)定性。