軟弱圍巖連拱隧道力學特性及支護參數研究

肖 楊，蒲 松，2

(1.中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司,重慶 400023; 2.西南交通大學土木工程學院,四川 成都 610031)

0 引言

支護體系是隧道穩定性的保障,支護體系的合理性應根據隧道的圍巖條件、地形條件、水文條件和施工工法等綜合評判[1-3]。合理的支護體系不僅能夠保證隧道的安全,還要能夠滿足經濟性。初期支護是隧道支護體系的重要組成部分,利用初期支護的柔性使圍巖發生收斂性的變形,在變形的過程中圍巖應力逐漸釋放,初期支護對圍巖的抗力逐漸增大,洞周變形逐漸穩定。

繼而眾多國內外學者對隧道初期支護展開了大量研究,唐興華等[4]總結了高溫下隧道初支混凝土的受力分布及特點;利用有限差分軟件FLAC3D模擬了雙連拱隧道的開挖施工,研究發現在側面溶洞的影響下,初期支護的彎矩和軸力普遍減小[5];常舒等[6-7]采用數值模擬方法研究了隧道開挖后初期支護的變形規律,同時根據現場實時監測驗證結論正確性;王欣等[8-9]介紹了連拱隧道的施工技術;張俊儒等[10]依托蘭渝鐵路某連拱隧道工程,結合數值模擬和室內試驗的手段分析了連拱隧道圍巖變形規律及受力特征;Li等[11]以青島地鐵1號線某地鐵車站為工程背景,通過建立三維有限元數值模型研究分析了大跨度地鐵地下車站初期支護受力特征和變形歷程,結合現場監測,總結了初支變形受力特點,并將初支變形分為緩慢變形、劇烈變形和穩定變形三個階段;陳新棟[12]借助模型試驗的研究手段分析了由單洞隧道擴建為連拱隧道后初支的受力特征以及地表沉降規律,研究結果表明,擴建對圍巖的擾動性更大,相較于單洞,連拱隧道圍巖變形及初支受力更大,同時,后行洞的開挖會對中隔墻造成偏壓影響。

綜上,國內外大多學者結合室內試驗、數值分析、現場監測等研究手段深入研究了不同圍巖環境、隧道斷面類型下初期支護的變形規律及受力特征,并取得了顯著成果。而目前專門針對軟弱圍巖連拱隧道力學特性及支護方案的研究還很匱乏,提出一套軟弱圍巖條件下連拱隧道合理的支護體系迫在眉睫。本文依托某軟弱圍巖連拱隧道為工程背景,借助大型有限差分軟件FLAC3D模擬連拱隧道在不同初支參數下的循環開挖支護全過程,研究分析不同支護參數下隧道圍巖變形規律及支護結構的受力特征,最終比選出軟弱圍巖連拱隧道最為合理的支護參數,為類似工程科學組織施工提供依據。

1 工程概況

某連拱隧道全長約440 m,最大埋深約27 m。隧道穿越巖層主要以粉煤灰為主,粉煤灰為特殊巖土,具有比重小、孔隙率大、自穩能力差等特點,隧道開挖后掌子面易發生失穩塌方。為減小隧道施工對圍巖的擾動,隧道采取中導洞-左右側壁預留核心土法施工,開挖后及時初噴成環,降低圍巖變形,在保證施工安全的同時,為了節省費用,對不同初噴厚度進行比選。

2 計算工況及模型參數

2.1 計算工況

為了選擇更合理的初支參數,本文借助有限差分軟件分別模擬不同支護參數下隧道開挖支護全過程,計算分析在不同初支參數下隧道變形及支護結構受力特點,綜合比選出既能達到工程安全又能節省經濟的合理初支噴混厚度。隧道初期支護采用噴射混凝土+鋼筋網+鋼拱架的組合形式,超前支護采用φ42 mm×4 mm超前小導管,具體支護方案如表1所示。

表1 各工況支護方式

2.2 參數選取

模型計算時,將鋼拱架力學參數通過式(1)等效換算到初噴混凝土,采用FLAC3D中內置的Shell單元進行初支的模擬,對于超前小導管的模擬采用軟件內置的Cable單元。

E=E0+SdEd/S0

(1)

其中,E為初支彈模;E0為混凝土彈模;Ed為鋼拱架彈模;Sd為鋼拱架截面面積;S0為混凝土截面面積。

對小導管注漿強化圍巖的作用,可通過等效方法來進行模擬,圍巖注漿后其物理力學參數可認為發生了量級上的轉變[13]。對于注漿加固圈的厚度,可以通過錨桿或小導管的長度乘以外插角的正弦值得出。隧道圍巖參數通過地勘資料獲取,最后取值見表2。

表2 隧道圍巖力學特性及支護參數

3 數值分析

3.1 初支受力特征分析

FLAC3D中以拉為正,以壓為負,故而最大主應力為結構拉應力,最小主應力為結構壓應力。圖1—圖3為隧道采取不同初噴厚度下結構最大、最小主應力云圖,由圖1(a),圖2(a),圖3(a)可知,左右隧道及中導洞均在拱頂處受力最大,三者量值相差不大,均在1.8 MPa左右,在拱腰處最大主應力最小,除去模型邊界效應的影響,隧道上部結構最大主應力分布較為對稱,受力分布均勻,結構整體受力較好。

由圖1(b),圖2(b),圖3(b)可知,不同初期支護厚度下右線隧道初期支護受力均勻,呈明顯左右對稱分布,除拱底受力較小外,其他部分受壓均在3 MPa以上,支護結構與圍巖接觸較好,整體結構受力較好,不同工況下右線隧道最大壓應力均出現在拱肩處。

在不同初支厚度下,支護結構受力分布基本一致,只是量值上略有差異。不同初支厚度對結構受力的影響較小,對比隧道中部位置斷面結構受力的最大值,當支護厚度由30 cm逐步增加到40 cm時,支護結構受力由13.5 MPa減小到12.4 MPa,隨著支護厚度的增加可以削弱支護應力集中現象,但削弱程度不明顯。

3.2 圍巖變形規律分析

圖4—圖6為各工況下圍巖變形歷程,由圖4可知,當初支厚度為30 cm時,最大豎向變形發生在拱頂,為12.95 mm,底部隆起為3.67 mm;最大水平位移發生在拱腰,為4.00 mm。由圖5可知,當初支厚度為35 cm時,最大豎向變形發生在拱頂,為12.64 mm,底部隆起為3.64 mm;最大水平位移發生在拱腰,為4.11 mm。由圖6可知,當初支厚度為40 cm時,最大豎向變形發生在拱頂,為12.39 mm,底部隆起為3.61 mm;最大水平位移發生在拱腰,為4.11 mm。

綜合對比如圖4—圖6所示,不同初期支護厚度下圍巖變形發展規律基本一致,只在變形數值上存在較小差異。從圍巖水平位移來看,由于隧道扁平率大,支護結構受擠壓大,拱腰有向外側變形的趨勢;從圍巖豎直方向位移來看,拱頂沉降量最大,拱腳處豎向位移趨于0。隨著初支厚度的增加,隧道變形有略微的減小趨勢,但同一位置處的圍巖變形數值相差較小,增加支護厚度對圍巖位移控制效果不佳。

合理的初支厚度既要求對洞周位移能控制在一個合理的范圍內,也能釋放一定的圍巖應力使初期支護不致承受太大的圍巖變形壓力且不會使洞周變形過大導致圍巖進入松動狀態。綜上,不同支護厚度下對圍巖位移、支護結構受力的對比,選擇30 cm厚初支混凝土厚度。

4 結論

1)不同支護厚度下,支護結構內力分布規律基本一致,當支護厚度由30 cm增加到40 cm時,支護結構受壓由13.5 MPa減小到12.4 MPa,隨著支護厚度的增加可以削弱支護應力集中現象,但削弱程度并不明顯。

2)隨著初支混凝土厚度的增加,圍巖位移有減小的趨勢,但減小程度并不明顯,初支混凝土厚度提升10 cm后,最大拱頂沉降減少不足1 mm。

3)綜合考慮施工安全性和經濟性等因素,可選用30 cm厚初噴混凝土。