宋志鵬

(中鐵十七局 四公司，重慶 401121)

新奧法是以巖體力學(xué)和鐵摩辛柯力學(xué)理論為基礎(chǔ)進行隧道支護設(shè)計和施工的隧道修建方法。其設(shè)計與施工的出發(fā)點是最大限度地發(fā)揮圍巖的自承能力。它以噴射混凝土、錨桿加固和量測技術(shù)為主要支柱。但是，在隧道開挖支護過程中，新奧法有時并不能根據(jù)實際情況得到靈活運用。所以，需研究初期支護技術(shù)，保護隧道圍巖原有強度，容許圍巖變形但又不致出現(xiàn)強烈松弛破壞，及時掌握圍巖和支護變形動態(tài)，使隧道圍巖變形與限制變形的結(jié)構(gòu)支護抗力保持動態(tài)平衡，使施工方法具有很好的適用性和經(jīng)濟性。

1 對玖山隧道工程概況

1.1 地質(zhì)概況

隧址區(qū)在大地構(gòu)造單元上，屬鄂爾多斯地臺向斜陜北臺凹的一部分。陜北臺凹處于鄂爾多斯地臺向斜中南部。本區(qū)為中生代沉積巖系，巖層產(chǎn)狀平緩，傾向大致向西或西偏北，傾角較小，一般不超過10°。線路經(jīng)過區(qū)屬于緩傾的向斜的東南翼，為單斜構(gòu)造，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡單，無大型褶皺和斷層，長期以來是個比較穩(wěn)定的地區(qū)。

1.2 試驗段內(nèi)圍巖初期支護參數(shù)

對玖山隧道Ⅲ級深埋段DK287+551～DK288+851初期支護采用錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴混凝土的組合支護工藝:φ22 mm砂漿錨桿，長 3 m，間距120 cm×120 cm;φ8 mm鋼筋網(wǎng)，間距20 cm×20 cm;噴混凝土厚為12 cm。初期支護的具體尺寸如圖1所示。

圖1 Ⅲ類圍巖初期支護橫斷面(單位:cm)

2 計算模型和工況

通過FLAC3D軟件建立三維數(shù)值模型，選用彈塑性本構(gòu)模型，遵循摩爾—庫侖屈服準則，噴射混凝土和錨桿選用線彈性本構(gòu)模型。根據(jù)工程資料、規(guī)范和工程經(jīng)驗采用圍巖及初期支護參數(shù)如表1所示。模型縱向長度取30 m，橫向長度取3倍洞徑，隧道底部圍巖厚度取3倍洞高，埋深100 m。圍巖和噴層采用實體單元(六面體)模擬，錨桿采用三節(jié)點桿單元模擬，單元網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 單元網(wǎng)格劃分圖

數(shù)值模擬計算分為三種工況。工況1為:①計算自重應(yīng)力場;②全斷面開挖30 m，每循環(huán)開挖3 m隨即施作噴錨支護，錨桿縱向間距1.2 m。工況2為:①計算自重應(yīng)力場;②全斷面開挖30 m，循環(huán)開挖3 m，開挖30 m后施作噴錨支護，錨桿縱向間距1.2 m。工況3為:①計算自重應(yīng)力場;②全斷面開挖30 m，循環(huán)開挖3 m，開挖30 m后施作噴混凝土支護。

表1 力學(xué)模型材料參數(shù)表

3 計算結(jié)果及分析

由表2和圖3～圖5可知，三種工況的受拉區(qū)出現(xiàn)在洞周圍巖的拱部和底部，邊墻以受壓為主。采用全斷面開挖的方法，其塑性區(qū)范圍主要分布在拱頂兩側(cè)和洞底范圍內(nèi)，以拉裂破壞為主。工況1在開挖后隨即施作了噴錨支護，圍巖處于形變階段，相比于工況2和工況3，其圍巖壓力和錨桿軸力較大，但錨桿軸力遠小于設(shè)計要求。工況2與工況3相比計算結(jié)果相差不大，兩種工況都是全斷面開挖30 m后再施作支護，圍巖變形在施作噴錨支護時已經(jīng)趨于穩(wěn)定，錨桿承受的拉力很小。

4 初期支護方案的選用

塊體穩(wěn)定的洞段全斷面開挖一段距離后再施作噴混凝土支護，并根據(jù)現(xiàn)場的情況輔以少量錨桿支護。在開挖中，如不及時支護有可能造成坍塌洞段，需先施作錨桿加固大塊體巖石，待循環(huán)開挖一定距離后(不小于30 m)，一次噴射混凝土→鉆錨桿眼→拱頂2～3 m的范圍安設(shè)錨桿→注漿(安裝止?jié){塞、墊板)→掛設(shè)鋼筋網(wǎng)→噴混凝土到設(shè)計強度。錨桿主要起懸吊和支護作用。

從試驗段中間斷面的拱頂實測沉降時間曲線來看，如圖6所示，Ⅲ級白云巖拱頂沉降速率大約在9 d后就會穩(wěn)定下來。全斷面開挖27 m左右，再施作噴混凝土支護，對控制圍巖形變和降低噴層結(jié)構(gòu)受力較為有利。

表2 支護方法及計算結(jié)果表

圖3 工況1

圖4 工況2

圖6 對玖山隧道DK287+581拱頂沉降時間曲線

5 結(jié)論

本文先對幾種不同的工況進行三維數(shù)值模擬，考察它們的定量指標(biāo)，確定開挖與支護方法，然后分析拱頂位移量測數(shù)據(jù)，得出安全經(jīng)濟的支護方案。張石二期高速公路隧道群圍巖以Ⅲ級白云巖為主，在與試驗段圍巖條件相近的地段采用此方案，可以減少錨桿的數(shù)量，節(jié)省成本，加快施工速度。上述結(jié)論只是特定條件下特定參數(shù)的計算結(jié)果，因此可能得出不同的結(jié)果。此外，選用不同的本構(gòu)模型和屈服準則，也會導(dǎo)致計算結(jié)果的一些差異。

特別注意的是，隧道斷面能否在較短的時間內(nèi)閉合最為重要，所以，應(yīng)盡早施工仰拱，閉合成環(huán)，以縮短圍巖應(yīng)力變化時間。

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