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摘要:本文结合省境内的隧道工程实例,对破碎围岩偏压隧道施工过程中出现的问题进行了系统分析,可为同类隧道工程设计和施工参考。
关键词: 隧道施工；围岩偏压；数值模拟
1工程实例
该隧道全长285m,隧道采用曲线式,单跨宽8.75m,净高8.05m.围岩主要以V级为主,两端洞口地段为VI级,由第四系中更新统破碎岩石土组成,围岩风化严重,地下水发育,隧道最大埋深35m.隧道进出口围岩覆盖层较薄,出口处不足4m,进口处右洞边界右侧为国道,右侧边墙部位距国道边坡不足5m,国道的右侧沿长江支流展线,路面常年距水面高度达40m以上,地形十分复杂.考虑河流的冲刷淘蚀作用和高切坡后期维护费用,采用隧道方案通过。由于隧道右侧覆盖层十分单薄,并处在偏压状态中,如何采用合理的开挖和支护手段成为困扰施工单位的难题。本文采用数值模拟的手段进行上下台阶法与预留核心土法的比较与优化,为施工开挖和后期支护提供相应的技术支持。
2数值模型
选取该隧道K1+140断面进行模拟计算,计算模型的左、下边界均取3倍洞跨为界,左边界施加水平方向的约束,底部施加固定约束,顶部和右边界取实际地面标高,为自由边界。
计算时选用了弹塑性物理模型和Drucker-Prager屈服准则,岩体材料采用各向同性体,锚杆采用杆单元,喷层、工字拱架和二次衬砌均采用直梁单元,而初期支护中的钢筋网、纵向连接筋等对喷射混凝土力学性质的贡献都作为安全储备,不予考虑。考虑采用上下台阶法和预留核心土施工方法模拟开挖(设置仰拱),即隧道路面以上部分分多次开挖支护,进行初期支护后再开挖仰拱,最后施作全断面二次衬砌。软弱围岩中,复合式衬砌中的初期支护和二次衬砌一般要共同承担荷载;本文结构荷载计算的有限元模型中,按有关规程设定各台阶开挖后围岩和喷锚初期支护各承担围岩压力40%后,剩下的20%围岩压力最终由二次衬砌来承担。
3数值模拟结果分析
3．1 应力场分析两种施工中,上台阶开挖后,洞室拱顶、拱肩部位围岩最大主应力和剪应力都有所增加,最小主应力减小;拱腰部位由于此时处于开挖轮廓线的角隅处,其围岩约束还未完全解除,所以大小主应力及最大剪应力都在增加,是应力集中最大的部位。下台阶开挖后,拱顶及拱肩部位围岩大小主应力及剪应力又稍有增加;拱腰部位围岩约束解除,其大小主应力都在减小,最大剪应力则迅速增大;拱脚处围岩最大主应力及剪应力也有所增大。从仰拱开挖至二次衬砌施作完成时,拱顶、拱腰及拱肩部位围岩各应力值已基本处于调整状态;拱脚处围岩最大主应力和剪应力仍继续增加,但未超过拱腰部围岩的相应应力值;仰拱底部由于上覆岩体的挖除,其最大、最小主应力减小,最大剪应力增大,且在最终状态下出现较小的拉应力。从分析的结果来看,施作仰拱后的隧道应力集中现象都有所减小,隧道的受力情况得到改善,由于隧道偏压的存在,隧道右侧拱肩和左侧边墙部位的应力集中十分明显,始终是隧道应力集中的最大部位。
3．2 位移场分析从计算的结果来看,设置仰拱与否,上台阶开挖后,洞室周边围岩均产生向洞内收敛的位移,采用预留核心土工法时拱顶下沉量为4cm,上下台阶法时拱顶下沉量为5cm;仰拱底部围岩在上覆岩体完全挖除后垂直上鼓量达都为5cm;下台阶开挖后,拱顶围岩由于地应力的影响,拱顶下沉量略有减小,其它洞周围岩仍继续向洞内移动,其中拱脚处围岩的位移增幅较大。仰拱开挖至二次衬砌施作完成时,围岩应力完全释放,拱腰处围岩水平累积位移达3.0cm以上,预留核心土工法施工时仰拱底部围岩累积上鼓量为4cm;而上下台阶法时,底部的上鼓量为5cm,要比前者增大1cm.核心土的设置部分抑制了拱底上鼓,减少了洞周围岩的变形。
3．3 屈服区分析在原始状态下,隧道區域处于弹性状态,围岩没有产生屈服区,但是在公路边坡底脚处出现了局部的塑性区。台阶法施工时,上台阶开挖后,由于在拱脚处应力集中,出现了30～50cm的塑性区,上台阶支护后塑性区进一步发展,隧道右侧拱腰部位的塑性区发展为3m左右,而左侧的塑性区发展为接近3m,中槽开挖后,隧道右侧拱腰部位塑性区进一步发展,达3.5m,并且范围有所扩大,左侧边墙开挖支护后,右侧拱腰部位的塑性区超过了隧道锚杆的锚固范围,并在隧道墙脚处出现了大面积的塑性区,但是并没有连通,随着其他工序的进一步进行,围岩的塑性区进一步发展;采用预留核心土施工方法施工,上台阶导洞开挖后,由于核心土的作用,在左侧拱脚和右侧拱腰局部范围出现了塑性区,深度不超过20cm,核心土开挖后塑性区在原来的位置处有微量的发展,但是由于拱脚处应力集中的缘故,拱脚以下部位出现了1m左右的塑性带,随着开挖与支护的进一步,左侧边墙开挖后出现了塑性区,深度在30cm以下,沿边墙均匀分步,右侧边墙开挖过后,同时出现了塑性区,由于偏压的作用,右侧边墙的塑性区在中部深度达到了1m左右,但是影响范围有限。从计算过程和结果可以看出,采用核心土后,围岩的塑性区大为减小,塑性区没有超过支护锚杆的范围,隧道整体处于安全状态,边坡的安全性得到了较好的提高。
3．4 锚杆轴力受力分析两种情况下,锚杆受力普遍较小都没有超过25kN,2种工法中,左侧拱肩部位和拱脚部位的轴力要比其它部位的要大,左侧拱脚一直是受力最大的部位。从总体的施工模拟过程上来看,锚杆轴力都是呈增长的趋势,下台阶开挖过后,拱腰部位的围岩约束解除,拱顶部位的锚杆轴力稍有下降,随后又开始缓慢增长,但增长的幅度并不大,台阶法施工中表现的最为明显。二次衬砌施作完成后,锚杆的受力情况重新调整,要比施工开挖过程中的受力增大一些,但是增长量都在5%左右,在二次衬砌施作完成后达到最大值。两种模拟状态下的锚杆受力最大部位都是在左侧拱脚部位,分别达到了41.53kN(上下台阶法施工)和23.11kN(预留核心土施工),前者是后者的1.797倍。总的来看,无论是在施工过程中还是最终的稳定状态下,各部位的锚杆受力都是在上下台阶施工时要比相同情况下预留核心土工法时的锚杆受力要大很多,在预留了核心土以后,锚杆的轴力值减少了30%以上,大部分减少达到了50%以上。核心土的设置不仅有效的控制了围岩塑性区的发展,并且对于锚杆的受力起到了调节作用,使偏压隧道的结构受力更趋于均匀合理。
3．5 二次衬砌受力分析最终状态下的二次衬砌轴力采用上下台阶法施工时,在113.28～373.4kN之间,而预留核心土施工时,则在111.28～339.23kN之间,2种工法的受力情况差别不大从图中可以看出:上下台阶法施工时,隧道在拱腰以下部位受力较大,而在拱顶区域受力则较小,呈现明显的偏压特征,对隧道的支护结构受力极其不利;预留核心土施工时,拱脚以下部位的受力要大于起拱线以上部位的受力,而且在拱脚以上部位受力趋于均匀合理,没有受力突变的情形,整体来看,隧道的受力更加均匀合理。从计算中得知,采用上下台阶法施工时,隧道衬砌在拱脚部位出现了交变剪力,对于受力十分不利,而采用预留核心土的施工方法时,没有出现交变的情形,并且受力要比前者小5%左右,对于本工程采用的二次衬砌来讲是可以承受的,隧道整体处于安全状态。从计算的结果来看,无论采用那种施工方法,
图1 上下台阶法二衬轴力图
隧道初期支护的受力都明显的要比隧道二次衬砌的受力要大,隧道支护的主要承载体是初期支护,而二次衬砌只是作为安全储备考虑,这与新奥法(NATM)理论的认识相一致,隧道预留核心土后,有效的改善了隧道结构受力,在不增加成本的情况下,隧道锚杆长度设计合理并有进一步优化的余地,而采用上下台阶施工,隧道塑性区出现较早并且范围较大,超出了锚杆的锚固范围,隧道锚杆需要加长加密,增大了施工成本,并且存在安全隐患,尤其是对于本隧道的偏压情形。值得一提的是在隧道开挖之前,隧道进口右侧道路边坡出现塑性区,存在不稳定因素,施工之前首先采用连续挡墙进行支护加固处理,确保道路安全畅通。目前该隧道已经采用预留核心土施工方法顺利贯通,从现场监控量测的资料来看,与本文计算结果基本一致,验证了计算结果的正确性,已在具有类似条件的标段推广使用。
4 几点结论
1)在围岩破碎中施工,预留核心土的台阶分步工法要比上下台阶施工工法更为合理,核心土的正确留设能显著改善隧道工作面的稳定性。
2)留设核心土可使隧道断面岩体处于应力状态,因此核心土的留设可有效降低工作面土体的松弛范围,从结算结果最终状态下的塑性区发展中看出,并且已被现场实测所证实。
3)留设核心土能显著地改善隧道支护结构的受力状态,使隧道结构受力更加均匀合理,提高隧道断面的稳定与安全性能,另外可以较为明显的减小隧道周边向隧道净空位移,同时也有效抑止工作面仰拱地层的垂直位移作用。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看
关键词: 隧道施工；围岩偏压；数值模拟
1工程实例
该隧道全长285m,隧道采用曲线式,单跨宽8.75m,净高8.05m.围岩主要以V级为主,两端洞口地段为VI级,由第四系中更新统破碎岩石土组成,围岩风化严重,地下水发育,隧道最大埋深35m.隧道进出口围岩覆盖层较薄,出口处不足4m,进口处右洞边界右侧为国道,右侧边墙部位距国道边坡不足5m,国道的右侧沿长江支流展线,路面常年距水面高度达40m以上,地形十分复杂.考虑河流的冲刷淘蚀作用和高切坡后期维护费用,采用隧道方案通过。由于隧道右侧覆盖层十分单薄,并处在偏压状态中,如何采用合理的开挖和支护手段成为困扰施工单位的难题。本文采用数值模拟的手段进行上下台阶法与预留核心土法的比较与优化,为施工开挖和后期支护提供相应的技术支持。
2数值模型
选取该隧道K1+140断面进行模拟计算,计算模型的左、下边界均取3倍洞跨为界,左边界施加水平方向的约束,底部施加固定约束,顶部和右边界取实际地面标高,为自由边界。
计算时选用了弹塑性物理模型和Drucker-Prager屈服准则,岩体材料采用各向同性体,锚杆采用杆单元,喷层、工字拱架和二次衬砌均采用直梁单元,而初期支护中的钢筋网、纵向连接筋等对喷射混凝土力学性质的贡献都作为安全储备,不予考虑。考虑采用上下台阶法和预留核心土施工方法模拟开挖(设置仰拱),即隧道路面以上部分分多次开挖支护,进行初期支护后再开挖仰拱,最后施作全断面二次衬砌。软弱围岩中,复合式衬砌中的初期支护和二次衬砌一般要共同承担荷载;本文结构荷载计算的有限元模型中,按有关规程设定各台阶开挖后围岩和喷锚初期支护各承担围岩压力40%后,剩下的20%围岩压力最终由二次衬砌来承担。
3数值模拟结果分析
3．1 应力场分析两种施工中,上台阶开挖后,洞室拱顶、拱肩部位围岩最大主应力和剪应力都有所增加,最小主应力减小;拱腰部位由于此时处于开挖轮廓线的角隅处,其围岩约束还未完全解除,所以大小主应力及最大剪应力都在增加,是应力集中最大的部位。下台阶开挖后,拱顶及拱肩部位围岩大小主应力及剪应力又稍有增加;拱腰部位围岩约束解除,其大小主应力都在减小,最大剪应力则迅速增大;拱脚处围岩最大主应力及剪应力也有所增大。从仰拱开挖至二次衬砌施作完成时,拱顶、拱腰及拱肩部位围岩各应力值已基本处于调整状态;拱脚处围岩最大主应力和剪应力仍继续增加,但未超过拱腰部围岩的相应应力值;仰拱底部由于上覆岩体的挖除,其最大、最小主应力减小,最大剪应力增大,且在最终状态下出现较小的拉应力。从分析的结果来看,施作仰拱后的隧道应力集中现象都有所减小,隧道的受力情况得到改善,由于隧道偏压的存在,隧道右侧拱肩和左侧边墙部位的应力集中十分明显,始终是隧道应力集中的最大部位。
3．2 位移场分析从计算的结果来看,设置仰拱与否,上台阶开挖后,洞室周边围岩均产生向洞内收敛的位移,采用预留核心土工法时拱顶下沉量为4cm,上下台阶法时拱顶下沉量为5cm;仰拱底部围岩在上覆岩体完全挖除后垂直上鼓量达都为5cm;下台阶开挖后,拱顶围岩由于地应力的影响,拱顶下沉量略有减小,其它洞周围岩仍继续向洞内移动,其中拱脚处围岩的位移增幅较大。仰拱开挖至二次衬砌施作完成时,围岩应力完全释放,拱腰处围岩水平累积位移达3.0cm以上,预留核心土工法施工时仰拱底部围岩累积上鼓量为4cm;而上下台阶法时,底部的上鼓量为5cm,要比前者增大1cm.核心土的设置部分抑制了拱底上鼓,减少了洞周围岩的变形。
3．3 屈服区分析在原始状态下,隧道區域处于弹性状态,围岩没有产生屈服区,但是在公路边坡底脚处出现了局部的塑性区。台阶法施工时,上台阶开挖后,由于在拱脚处应力集中,出现了30～50cm的塑性区,上台阶支护后塑性区进一步发展,隧道右侧拱腰部位的塑性区发展为3m左右,而左侧的塑性区发展为接近3m,中槽开挖后,隧道右侧拱腰部位塑性区进一步发展,达3.5m,并且范围有所扩大,左侧边墙开挖支护后,右侧拱腰部位的塑性区超过了隧道锚杆的锚固范围,并在隧道墙脚处出现了大面积的塑性区,但是并没有连通,随着其他工序的进一步进行,围岩的塑性区进一步发展;采用预留核心土施工方法施工,上台阶导洞开挖后,由于核心土的作用,在左侧拱脚和右侧拱腰局部范围出现了塑性区,深度不超过20cm,核心土开挖后塑性区在原来的位置处有微量的发展,但是由于拱脚处应力集中的缘故,拱脚以下部位出现了1m左右的塑性带,随着开挖与支护的进一步,左侧边墙开挖后出现了塑性区,深度在30cm以下,沿边墙均匀分步,右侧边墙开挖过后,同时出现了塑性区,由于偏压的作用,右侧边墙的塑性区在中部深度达到了1m左右,但是影响范围有限。从计算过程和结果可以看出,采用核心土后,围岩的塑性区大为减小,塑性区没有超过支护锚杆的范围,隧道整体处于安全状态,边坡的安全性得到了较好的提高。
3．4 锚杆轴力受力分析两种情况下,锚杆受力普遍较小都没有超过25kN,2种工法中,左侧拱肩部位和拱脚部位的轴力要比其它部位的要大,左侧拱脚一直是受力最大的部位。从总体的施工模拟过程上来看,锚杆轴力都是呈增长的趋势,下台阶开挖过后,拱腰部位的围岩约束解除,拱顶部位的锚杆轴力稍有下降,随后又开始缓慢增长,但增长的幅度并不大,台阶法施工中表现的最为明显。二次衬砌施作完成后,锚杆的受力情况重新调整,要比施工开挖过程中的受力增大一些,但是增长量都在5%左右,在二次衬砌施作完成后达到最大值。两种模拟状态下的锚杆受力最大部位都是在左侧拱脚部位,分别达到了41.53kN(上下台阶法施工)和23.11kN(预留核心土施工),前者是后者的1.797倍。总的来看,无论是在施工过程中还是最终的稳定状态下,各部位的锚杆受力都是在上下台阶施工时要比相同情况下预留核心土工法时的锚杆受力要大很多,在预留了核心土以后,锚杆的轴力值减少了30%以上,大部分减少达到了50%以上。核心土的设置不仅有效的控制了围岩塑性区的发展,并且对于锚杆的受力起到了调节作用,使偏压隧道的结构受力更趋于均匀合理。
3．5 二次衬砌受力分析最终状态下的二次衬砌轴力采用上下台阶法施工时,在113.28～373.4kN之间,而预留核心土施工时,则在111.28～339.23kN之间,2种工法的受力情况差别不大从图中可以看出:上下台阶法施工时,隧道在拱腰以下部位受力较大,而在拱顶区域受力则较小,呈现明显的偏压特征,对隧道的支护结构受力极其不利;预留核心土施工时,拱脚以下部位的受力要大于起拱线以上部位的受力,而且在拱脚以上部位受力趋于均匀合理,没有受力突变的情形,整体来看,隧道的受力更加均匀合理。从计算中得知,采用上下台阶法施工时,隧道衬砌在拱脚部位出现了交变剪力,对于受力十分不利,而采用预留核心土的施工方法时,没有出现交变的情形,并且受力要比前者小5%左右,对于本工程采用的二次衬砌来讲是可以承受的,隧道整体处于安全状态。从计算的结果来看,无论采用那种施工方法,
图1 上下台阶法二衬轴力图
隧道初期支护的受力都明显的要比隧道二次衬砌的受力要大,隧道支护的主要承载体是初期支护,而二次衬砌只是作为安全储备考虑,这与新奥法(NATM)理论的认识相一致,隧道预留核心土后,有效的改善了隧道结构受力,在不增加成本的情况下,隧道锚杆长度设计合理并有进一步优化的余地,而采用上下台阶施工,隧道塑性区出现较早并且范围较大,超出了锚杆的锚固范围,隧道锚杆需要加长加密,增大了施工成本,并且存在安全隐患,尤其是对于本隧道的偏压情形。值得一提的是在隧道开挖之前,隧道进口右侧道路边坡出现塑性区,存在不稳定因素,施工之前首先采用连续挡墙进行支护加固处理,确保道路安全畅通。目前该隧道已经采用预留核心土施工方法顺利贯通,从现场监控量测的资料来看,与本文计算结果基本一致,验证了计算结果的正确性,已在具有类似条件的标段推广使用。
4 几点结论
1)在围岩破碎中施工,预留核心土的台阶分步工法要比上下台阶施工工法更为合理,核心土的正确留设能显著改善隧道工作面的稳定性。
2)留设核心土可使隧道断面岩体处于应力状态,因此核心土的留设可有效降低工作面土体的松弛范围,从结算结果最终状态下的塑性区发展中看出,并且已被现场实测所证实。
3)留设核心土能显著地改善隧道支护结构的受力状态,使隧道结构受力更加均匀合理,提高隧道断面的稳定与安全性能,另外可以较为明显的减小隧道周边向隧道净空位移,同时也有效抑止工作面仰拱地层的垂直位移作用。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看