伍容兵, 羅勝利, 張志強

(1.中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司,云南昆明 650000;2.西南交通大學土木工程學院,四川成都 610000)

0 引言

隨著我國經濟建設的蓬勃發展,對于交通基礎設施建設的需求在不斷增加。在隧道工程穿越復雜不良地層環境時,高地應力條件下軟弱圍巖容易發生大變形,隨之出現的諸如鋼架扭曲、襯砌開裂等問題,嚴重影響到了隧道施工進程和安全。

國內外學者針對高地應力條件下軟巖隧道開挖過程中的支護問題,開展了較為系統的研究工作,并取得了一定成果。田四明等[1]人針對極高地應力環境作用隧道支護結構力學特征開展研究,并提出了主動支護設計方法。周峰等[2]基于宜巴高速公路峽口隧道,運用有限元模擬,分析了高地應力軟巖公路隧道襯砌的最佳支護時期。劉喆[3]探討了高地應力軟巖大變形隧道支護的主要形式,通過能量法理論,驗證了分層支護和讓壓支護的設計合理性。

盡管與支護體系的相關研究已有較多[4-5],但仍需要進一步開展研究,以滿足高地應力軟弱圍巖隧道普適化的結構設計。為此,本文以中老鐵路安定隧道為例,采用FLAC3D三維有限差分軟件進行數值模擬計算,研究不同支護結構參數對于圍巖控制和結構狀態的影響程度,確定合適的初期支護結構參數,以期為類似工程支護優化提供參考。

1 工程概況及模型建立

安定隧道全長17 476 m,為單洞雙線隧道。隧隧道最大埋深約880 m,局部具有高地應力,并且Ⅳ、Ⅴ級圍巖段落占隧道長度的80%,掌子面溜塌、圍巖變形侵占襯砌凈空頻繁發生,特別是在里程DK136～ DK138(埋深約700 m)蝕變帶橄欖巖地段隧道圍巖最大變形約100 cm,嚴重影響了隧道施工進程及安全。

在建立圍巖—結構模型時,結構參數按Ⅴ級圍巖段落隧道結構設計方案為依據確定。為降低模型邊界效應的影響,隧道距離左右、上下邊界的距離均為50 m,通過施加表面荷載的方式模擬隧道所處的極高地應力環境。采用三臺階法進行開挖模擬,模型及隧道開挖方式如圖1所示模擬中地層參數按鐵路隧道設計規范的推薦范圍進行選取,計算中設置V級圍巖條件,圍巖、初支和注漿加固區域均采用6面體的單元進行模擬,錨桿采用結構單元(pile單元),鋼拱架的作用采用等效的方法考慮到初期支護中。模型地應力根據實測值設置。模擬參數如表1和表2所示。

表1 V級圍巖參數

表2 地應力條件 單位:MPa

圖1 三維整體計算模型

2 計算工況設置

針對高地應力軟巖隧道的圍巖變形規律,結合安定隧道 段地應力條件以及選用的施工方法,考慮采用初期支護強度等級、初期支護厚度、鋼架間距、錨桿長度、錨桿布置方式,來探究各種支護參數對圍巖及結構穩定性的控制效果。工況設置以及支護參數如表3、表4所示。

表3 工況設置

表4 主要支護參數

3 計算結果分析

3.1 初期支護強度等級

統計不同初期支護強度等級下各模型Z=35 m斷面最終拱頂沉降以及最終邊墻水平收斂監測結果,以評價隧道圍巖穩定性,如圖2所示。

圖2 Z=35m斷面監測結果(初期支護強度等級為C20、C35)

由圖3可知,不同初期支護強度等級下圍巖位移發展趨勢基本一致,仰拱隆起值均大于拱頂沉降值,左邊墻水平收斂值均大于右邊墻。提取出不同初期支護強度等級下最終拱頂沉降以及最終邊墻水平收斂值繪制出折線圖分析變化趨勢(圖3)。隨著初期支護強度等級增大,拱頂沉降值減少值分別為11.4 mm、3.4 mm、2.9 mm,左邊墻水平收斂值減小分別為10.7 mm、4.2 mm、1.5 mm,說明增大初期支護強度等級對提高圍巖穩定性具有一定效果。當初期支護強度等級大于C25后,拱頂沉降值和邊墻水平收斂值變化曲線趨于平緩,其提高作用減弱?？紤]不同初期支護強度等級對圍巖位移和工程造價影響,初期支護強度等級為C25時最佳。

圖3 不同初期支護強度等級下圍巖位移

3.2 初期支護厚度影響分析

統計不同初期支護厚度下各模型Z=35 m斷面最終拱頂沉降以及最終邊墻水平收斂監測結果,以評價隧道圍巖穩定性,如圖4、圖5所示。

圖4 不同初期支護厚度隧道模型

圖5 Z=35m斷面監測結果(初期支護厚度為20cm、55cm)

由圖5可知,不同初支厚度下圍巖位移發展趨勢基本一致,仰拱隆起值均大于拱頂沉降值,左邊墻水平收斂值均大于右邊墻。提取出不同初支厚度下最終拱頂沉降以及最終邊墻水平收斂值繪制出折線圖分析變化趨勢,如圖6所示。隨著初支厚度的增大,拱頂沉降值減少值分別為14.9 mm、8.3 mm、3.6 mm,左邊墻水平收斂值減小分別為19.2 mm、9.8 mm、3.7 mm,說明增大初支厚度對提高圍巖穩定性具有一定的效果。當初支厚度大于40 cm后,拱頂沉降值和邊墻水平收斂值變化曲線趨于平緩,其提高作用減弱?？紤]不同初支厚度對圍巖位移和工程造價的影響,初支厚度為40 cm 時效果最佳。

圖6 不同初期支護厚度最終拱頂沉降以及最終邊墻水平收斂

3.3 鋼拱架間距影響分析

統計不同鋼架間距下各模型Z=35m斷面最終拱頂沉降以及最終邊墻水平收斂監測結果,以評價隧道圍巖穩定性,如圖7所示。

圖7 不同鋼架間距隧道模型

由圖8可知,不同鋼架間距下圍巖位移發展趨勢基本一致,仰拱隆起值均大于拱頂沉降值,左邊墻水平收斂值均大于右邊墻。提取出不同鋼架間距下最終拱頂沉降以及最終邊墻水平收斂值繪制出折線圖分析變化趨勢,如圖9所示。隨著鋼架間距的增大,拱頂沉降值增加幅度分別為5.56%、4.76%、0.88%,左邊墻水平收斂值增加幅度分別為20.23%、9.23%、2.63%,說明減小鋼架間距對提高圍巖穩定性具有一定的效果。左邊墻水平收斂值增大幅度大于拱頂沉降,表明鋼架間隔變化對控制邊墻水平收斂效果更顯著。且當鋼架間距大于2.0 m后,拱頂沉降及邊墻水平收斂值變化曲線趨于平緩,其提高作用減弱。當鋼拱架間距為2.0 m時,既能保證圍巖穩定性,又可節約工程造價,支護效果最佳。

圖8 Z=35m斷面不同鋼架間距監測結果(單位:m)

圖9 不同鋼拱架間距最終拱頂沉降以及最終邊墻水平收斂

3.4 錨桿長度影響分析

統計不同錨桿長度下各模型Z=5 m 斷面最終拱頂沉降以及邊墻收斂監測結果,并繪制出折線圖分析變化趨勢,以評價隧道圍巖穩定性,如圖10所示。

圖10 不同錨桿長度隧道模型

由圖11可知,不同錨桿長度圍巖位移發展趨勢基本一致,仰拱隆起值均大于拱頂沉降值,左邊墻水平收斂值均大于右邊墻。提取出不同錨桿長度下最終拱頂沉降以及最終邊墻水平收斂值繪制出折線圖分析變化趨勢,如圖12所示。隨著錨桿長度的增加,拱頂沉降及邊墻水平收斂值均受到一定程度的限制作用。拱頂沉降值減小值分別為4.5 mm、2.6 mm、1.3 mm,左邊墻水平收斂值減小值分別為10.4 mm、13.5 mm、2.1 mm。邊墻水平收斂值減小幅度遠遠大于拱頂沉降,表明錨桿長度變化對控制邊墻水平收斂效果更顯著。當錨桿長度大于 4 m 后,拱頂沉降及邊墻水平收斂值減小幅度較小,其提高效果不再明顯,同時考慮施工的經濟性,錨桿長度取 4 m 較為合理。

圖11 Z=35m斷面不同錨桿長度監測結果(單位:m)

圖12 不同錨桿長度最終枳頂沉降以及最終邊墻水平收斂

4 結論

本文通過數值模擬手段,以拱頂沉降與邊墻收斂為主要指標,分析了不同初期支護結構參數下的圍巖變形和穩定性差異,得到了結論:

(1)改變不同支護參數,圍巖位移發展趨勢基本無變化,仰拱隆起值均大于拱頂沉降值,左邊墻水平收斂值均大于右邊墻。

(2)增大初支強度等級、厚度、錨桿長度以及減小鋼架間距等對提高圍巖穩定性具有一定的效果。但當支護參數增強至一定范圍后,其提高作用減弱。

(3)單一因素下, 初支強度等級為C25,厚度為40 cm、鋼架間距為2.0 m以及錨桿長度為4.0 m時效果最佳,既能確保圍巖穩定性,又能節約工程造價。

(4)鋼架間隔變化及錨桿長度變化對控制邊墻水平收斂效果更顯著。