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1工程概況

1.1工程簡介

某絹云母千枚巖隧道穿越“5.12”汶川特大地震的發震斷裂———龍門山斷裂,隧道最大埋深約為196m,全長1833m,凈寬10.25m,凈高5.0m,為雙向分離式四車道高速公路越嶺隧道。隧址區地形地質條件復雜,地下水豐富,受區域構造影響,場區發育次級逆沖斷層3條,即FS8、Fd1和Fd2斷裂,其中FS8、Fd1斷裂近距離穿越隧道,Fd2斷裂位于隧道洞身段,隧道施工難度大。據施工揭示的巖體性狀表明:絹云母千枚巖呈雜灰色,鱗片變晶結構,千枚狀構造,片理面極發育。質軟,巖體抗壓強度不足5MPa;層間結合差,錘擊易沿片理面破裂。受強震等不利因素影響,巖體節理裂隙發育,巖層多具重力變形現象,具有遇水軟化、層間滑脫等特點,加之在該組地層中常出現小型(寬約3~5m)的韌性剪切破碎帶,使該組巖體完整性差。

1.2隧道開挖及變形監測概述

隧道主要以三臺階+預留核心土的方法進行開挖,支護則采用以系統錨桿、噴混凝土、鋼筋網、鋼架等組成的初期支護與二次模筑混凝土相結合的復合襯砌形式(支護參數見表1)。隧道采用上述方法進行施工后,正常監測斷面的拱頂沉降值約在200mm范圍,水平收斂較小約為90mm不等。而災害斷面處變形值較大,變形最大累計值已超過500mm,超過規范規定值。

1.3“小導洞”法的提出

災害的發生不僅浪費人力物力,也給施工人員的安全帶來威脅,因此,提出一種更為適宜的方法極為迫切。根據對大變形破壞段的原因分析表明:“5.12”地震給原山體帶來了極大的震裂揉動搓傷,在山體內部產生了大量震裂松動巖體,尤其是在隧道開挖后,隧道拱腳及拱底部的巖體基本呈碎裂-粉狀結構,加之在地下水作用下,基底巖體迅速軟化與泥化,使得隧道底部承載能力急劇降低,導致隧道出現不同程度的大變形破壞。因此,對隧道基底進行加固,尤其是對開挖后的拱腳進行加固可有效提高隧道底部承載力,減少變形破壞災害的發生。傳統的隧道拱腳部位加固方法中,受施工工藝水平的制約,加固材料不能有效對巖體進行加固,或者加固范圍較小,難以達到加固效果。為達到對基底加固的效果,提高隧道底部圍巖的承載能力,該文依托連拱隧道施工工藝,在結合原設計方案基礎上,提出“導洞過渡”開挖施工工法(即:首先在主洞的左、右拱腳位置開挖直徑為3m的小導洞→回填一定比例的混凝土并施作小導洞初期支護→主洞上臺階開挖→主洞下臺階開挖),該工法的施工步序如圖1所示。

2數值模擬分析

實際工程限于資金和施工進度的制約,不能對該種方法進行實際驗證,因此,該節采用Ansys軟件對隧道典型圍巖段(該段圍巖為絹云母千枚巖、埋深80m)采用“導洞過渡”法進行數值模擬,通過開挖后隧道變形、支護受力的詳細分析,從而對該種工法的合理性及適宜性進行判定。

2.1計算假定為方便模擬分析,計算中假設圍巖和加固巖體各向同性,采用彈塑性分析;襯砌及材料結構采用彈性分析。同時,考慮到隧址區的巖體基本為碎裂結構,應力場難以集聚,加之該段埋深較淺,巖層多具重力變形現象,故計算時以自重應力場為主。

2.2模型的建立及參數選取模型寬度方向(x方向)由隧道中線位置向兩側各延伸50m、高度方向(y方向)取仰拱底部以下35m、拱頂以上取實際埋深,沿隧道軸向(z方向)取36m作為此次計算的范圍。同時,在模型的下邊界施加豎向約束;左、右邊界施加水平約束;前后邊界施加軸向約束。計算采用Druck-Prager屈服準則,圍巖和二襯采用三維實體單元(Soild45),錨桿采用三維桿單元(Link8),初期支護采用空間殼單元(Shell63),格柵采用梁單元(Beam4)。共劃分近28116個單元,29150個節點。此次計算所采用的參數依照地勘資料選取(表2)。需要說明的是:對于圖1中的加固區圍巖采用的是等效提高圍巖物理力學參數的方法來實現的,具體做法是將預加固區圍巖參數提高近一個級別。

2.3施工過程模擬為盡可能真實模擬隧道的實際開挖過程,并更好地了解開挖產生的空間效應對圍巖及支護結構應力與應變的影響,同時尋求“導洞”開挖時隧道主體結構的變形發展規律,模型中設定縱向的中間面為目標研究面,并將模型分為8段開挖。其中:第1、8段長30m,該兩段一次性挖除后施作永久支護結構,模擬實際施工完成后的二襯襯砌;第2~7段長6m,均采用該文所探討的“導洞過渡”方法開挖,每循環開挖長度為1m。

3計算結果及分析

3.1圍巖應力特征分析

對于軟巖隧道,最為關心的是開挖后圍巖及結構的穩定特征,即隧道貫通后圍巖最小主應力。經計算可得:隧道開挖后,圍巖總體處于受壓狀態,在隧道拱底、拱頂等部位存在明顯的拉應力集中現象。量值上最大主應力出現在拱底,值為1.96MPa(受拉為正,受壓為負),同時拱頂處也出現大量的拉應力集中,拱底拉應力明顯大于拱頂(加固部位),說明拱頂加固區圍巖的自承載能力有所提高。而最小主應力出現在拱腳部位,其值為-2.95MPa,且應力集中有所降低。從圍巖受力量值來看,最小主應力值約為巖體抗壓強度的60%,說明隧道開挖后圍巖的自承載適中,圍巖與支護結構將成為重要的承載單元。同時采取的預加固處理措施提高了圍巖自身的承載能力,但從加固效果來看,加固強度較高,因此,隧道采用該法開挖,可適當減弱隧道超前支護的強度,以減少經濟成本。圍巖應力云圖只能宏觀地看出圍巖應力在空間上的總體變化特征和規律,并不能直觀地看出隧道圍巖應力沿洞軸方向隨開挖過程的變化特征,同時考慮到隧道施工過程中最為關心的是圍巖洞壁特征點及掌子面上的應力變化情況,因此,圖3給出目標面上拱頂、拱腰、邊墻、仰拱部位主應力隨荷載步的變化曲線。從圖3中可以看出:各特征點處圍巖應力在隧道開挖完成后均穩定收斂,受到較大影響的范圍是在第21~31荷載步之間,此時的掌子面距離目標面約2~2.5m,對應為目標面前后約兩個施工循環的距離。再往后除邊墻部位的最小主應力較小外,其余部位的最小主應力均在增加,但最終趨于平緩,最大增幅出現在拱頂與拱底處,約為1.0MPa左右。最大主應力在目標面下臺階開挖完成后,除仰拱外,其余各部位變化幅度很小,仰拱變化較大可能是兩個導洞開挖后在仰拱底部產生較大的應力集中所致。從應力變化幅度來看,最大主應力變化幅度最大處主要在各分部下臺階開挖時(6、11、16、21開挖步)的仰拱位置:二者應力值均增加近100%;最小主應力變化幅度最大在第21~33開挖步之間,洞壁各特征點應力值具有一定程度的增長,說明圍巖能更好地承擔一部分荷載,支護結構受力將有所降低,隧道更安全。

3.2隧道變形分析

隧道開挖后目標面各特征點變形均穩定收斂,其受到較大影響的范圍在第26~33荷載步之間。在豎直方向上:拱底部位將產生隆起,達210mm,拱頂部位將產生下沉,約140mm,比現場采用臺階法開挖產生的拱頂位移值200mm減少約30%。說明該法中小導洞開挖后,因及時回填并進行基底加固,再加上拱頂部由于事先采取了預加固措施,拱頂及拱底處圍巖承載力增大,故位移較小。水平方向:洞壁各特征點除拱頂及拱底外,其余各點均產生向洞內方向的位移,最大值位于邊墻處,但是量值較小,為40mm,較現場臺階法開挖產生收斂值90mm減小約55.6%。說明采用“導洞過渡”開挖工法對抑制變形較為有利。

3.3圍巖塑性區應變特征

考慮目標面開挖時所產生的塑性區。從計算結果可以看出,導洞開挖及主洞上臺階開挖引起的塑性區范圍較小,集中存在于即將開挖的掌子面上,而在開挖輪廓線以外的拱底部位的圍巖中塑性區范圍最大,但從量值看,其值小。因此,上述塑性區的產生對于隧道總體穩定性不會產生較大影響。上述塑性區較小的原因主要是由兩方面因素造成:1)導洞開挖后及時回填加固并施作支護,同時拱頂預加固的同時采用了分步開挖,使得巖體中剪應力值大大減小,從而使對應的剪應變減少;2)由于及時施作了噴錨支護,且噴錨支護的設計參數合理,圍巖與初期支護共同受力,使得圍巖處于良好的三向受壓狀態,從而保障了圍巖的穩定性。

3.4噴射混凝土的受力特征

為清楚表達隧道開挖后,支護結構的受力特征,選取目標面施工循環即第三段左邊導洞、右邊導洞、上臺階、下臺階(第20、22、24、26開挖步)開挖完成時的初期支護主應力云圖進行研究分析得出:“導洞過渡”法開挖后,初期支護受力主要以壓應力為主,但在小導洞底部的局部位置出現一定量的拉應力。隨著開挖的逐漸深入,初支的受力逐漸增加,小導洞開挖時(第20、22開挖步)襯砌拱底及拱頂內側均存在較大的拉應力,最大拉應力位于導洞拱底的局部地段,最大值為5.1MPa,超過混凝土的抗拉強度,小導洞底部混凝土已破壞,但考慮到該部位要用混凝土回填,加之初襯中鋼筋網及格柵的共同作用,初襯施作后底部將產生拉裂縫,其不會對結構的安全產生影響。從最小主應力云圖來看,在隧道左右導洞開挖后,除導洞拱頂、拱肩及拱底內側承受壓應力外,其余部位均承受較小的拉應力,最大拉應力約為0.42MPa。在主洞上臺階開挖時(第24開挖步),初支受力與前述規律基本一致:初期支護,拱頂、拱腰部位受壓,其余受拉,量值上最大拉應力值有所減小,其值為0.37MPa,主洞下臺階開挖時(第26開挖步),上述受力特征基本保持不變,并且最大拉應力值小于混凝土的抗拉強度,襯砌強度滿足設計要求結合前述分析可知,隧道采用“導洞過渡”法開挖后,對減小圍巖變形具有良好效果,同時圍巖的自承載能力也有一定提高,支護結構受力滿足強度要求。因此,該法對于震區軟巖隧道而言,是適宜的。

4結論

通過對“導洞過渡”法進行數值模擬研究,并對隧道開挖后的變形及結構受力進行分析,得出如下結論:

(1)“導洞過渡”法開挖后圍巖受力有所增大,圍巖自承能力有所提高,可適當降低超前支護的強度與剛度。

(2)該法對抑制隧道變形的效果較佳,隧道開挖后的拱頂沉降比現場采用臺階法開挖產生的位移值減少約30%,周邊收斂值減少約55.6%。

(3)該法開挖后可減小圍巖產生的剪應力值,使得塑性區范圍縮小,支護結構受力合理,可適用于震區軟巖隧道的開挖。

作者：許金華丁茂潤周藝何川汪波單位：西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室