(中鐵十二局集團(tuán) 第二工程有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

風(fēng)積沙質(zhì)黃土是以沙性土為主的土，施工中這種土質(zhì)易于發(fā)生坍塌。沙質(zhì)黃土圍巖的有各向異性、強(qiáng)度低、松散等力學(xué)特性，直接影響到隧道開挖后掌子面的穩(wěn)定性。如果施工后的圍巖應(yīng)力大于黃土直立方向的強(qiáng)度，就會(huì)造成開挖工作面的失穩(wěn)；如遇濕陷性黃土?xí)r，含水量超過(guò)一定值或者遇水后會(huì)產(chǎn)生很大的“沉陷”變形和承載能力的喪失。工程實(shí)踐證實(shí)，隧道側(cè)壁及拱腳處的應(yīng)力集中過(guò)大，要求較大的地基承載力，而沙質(zhì)黃土隧道的側(cè)壁及拱腳處承載力不足，是造成隧道塌方的重要原因之一。此外由于沙質(zhì)黃土隧道的土壓力分布極不平衡，一般呈馬鞍形分布，而在淺埋的場(chǎng)合，由于不能發(fā)揮成拱作用，在這種情況下不是出現(xiàn)很大的松弛壓力，就是出現(xiàn)整體下沉的現(xiàn)象?？傊壳霸陲L(fēng)積沙質(zhì)黃土隧道施工中極易出現(xiàn)拱頂下沉，邊墻下塌、收斂、侵限、噴射混凝土剝落，支護(hù)鋼拱架扭曲變形、鎖腳錨管切斷，地表出現(xiàn)多條橫、縱向裂縫等施工現(xiàn)象[1-3]。

采用有限元差分軟件FLAC3D對(duì)風(fēng)積沙質(zhì)黃土隧道坍塌體工作面超前支護(hù)技術(shù)進(jìn)行分析研究，工程技術(shù)措施和研究成果對(duì)同類工程具有一定的參考和借鑒意義。

1 隧道侵限情況概述

準(zhǔn)池鐵路朔州隧道進(jìn)口DK128+832～DK128+856是淺埋偏壓風(fēng)積沙質(zhì)黃土段，洞頂覆蓋層厚28～30 m，襯砌設(shè)計(jì)斷面如圖1所示。在施工到DK128+856上導(dǎo)初期支護(hù)完成24 h后，拱頂出現(xiàn)塌陷、下沉見圖2；中導(dǎo)DK128+832～DK128+849段噴射混凝土剝落、開裂、下塌變形且侵限；下導(dǎo)DK128+832～DK128+841.6初支開裂、變形且下沉；地表出現(xiàn)多條橫、縱向裂縫，范圍超前，地表最大裂縫寬度12 cm。監(jiān)控量測(cè)結(jié)果表明，拱頂最大下沉89 cm，最小下沉62 cm；左側(cè)邊墻最大下塌104 cm、收斂侵限5.1 cm，右側(cè)邊墻下沉80 cm，收斂侵限1.2 cm。初期支護(hù)鋼拱架發(fā)生嚴(yán)重扭曲變形見圖3所示，鎖腳錨管切斷，有塌方冒頂前兆。

圖1 襯砌設(shè)計(jì)斷面(單位：cm)

圖2 拱頂塌陷下沉 圖3 噴混凝土剝落、鋼拱架扭曲變形

為了防止隧道發(fā)生更大的坍塌，立即采取噴錨封閉掌子面，拉渣回填洞室并封閉。然后采用邁式管棚超前支護(hù)技術(shù)對(duì)初支進(jìn)行拆換，侵限段支護(hù)拆換施工變形得到了很好的控制[4]。

2 模型建立及參數(shù)選取

2.1 模型建立

采用三維有限差分元模型，計(jì)算范圍左右各取40 m，仰拱下取為40 m，拱頂以上覆土厚度按照實(shí)際埋深取為30 m，依據(jù)實(shí)際工程情況，縱向取30 m。邊界約束為前后左右邊界施加相應(yīng)方向的水平位移約束，下邊界施加豎向位移約束，上邊界為自由面。地層采用摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，噴混凝土采用實(shí)體彈性單元，鋼支撐暫沒單獨(dú)予以考慮，而將其剛度等效轉(zhuǎn)換到噴混凝土中，超前邁式管棚及其注漿加固考慮為帶有一定厚度的殼體，用shell單元模擬，系統(tǒng)錨桿及鎖腳錨桿采用cable單元模擬，采用位于節(jié)點(diǎn)處的彈簧—滑塊系統(tǒng)描述水泥砂漿加固圈的剪切行為，計(jì)算模型如圖4、圖5所示。為了消除三維邊界效應(yīng)影響，取整個(gè)模型的中間斷面進(jìn)行分析[5]。

圖4 模型細(xì)部網(wǎng)格劃分 圖5 徑向和超前邁式管棚模型

2.2 參數(shù)選取

初期支護(hù)采用25 cm厚，C25噴混凝土；徑向邁式錨桿長(zhǎng)度在上、中臺(tái)階7.5 m，下臺(tái)階6.0 m環(huán)向間距均為1.0 m，水平間距為0.4 m；鋼架采用I25b型鋼鋼架，縱向間距0.4 m/榀。超前支護(hù)在隧道拱頂180°范圍內(nèi)雙層布設(shè)邁式管棚，直徑Φ51 mm，長(zhǎng)7.5 m，環(huán)向間距20 cm，縱向搭接2.5 m，仰角控制在10°～15°，錨管內(nèi)注水泥漿。

依據(jù)對(duì)沙質(zhì)黃土參數(shù)試算可知，支護(hù)位移遠(yuǎn)未達(dá)到此施工段支護(hù)的實(shí)際位移，且在施工過(guò)程中僅30 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)出現(xiàn)侵限情況，推知此段地質(zhì)參數(shù)可能較差，故依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)位移情況，先假定泊松比為0.45，采用二分法推演現(xiàn)場(chǎng)圍巖的彈性模量、內(nèi)聚力、摩擦角，參照實(shí)際施工位移，反演尋求最接近施工實(shí)際的圍巖參數(shù)。試算所取沙質(zhì)黃土圍巖參數(shù)及經(jīng)反演計(jì)算確定的侵限段沙質(zhì)黃土圍巖、初期支護(hù)、超前支護(hù)計(jì)算力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算力學(xué)參數(shù)材料類型容重/(kN·m-3)彈性模量/MPa泊松比內(nèi)聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)沙質(zhì)黃土 15.51200.3550.326.1侵限段沙質(zhì)黃土15.5450.4520.011.5初期支護(hù) 22.029 5000.20——超前管棚加固區(qū)17.04500.25200.030.0

3 邁式管棚施作有效性分析

3.1 位移控制

3.1.1 地表沉降控制

地表沉降是描述施工有效性的一個(gè)重要指標(biāo)，利用邁式管棚超前支護(hù)拆換初支時(shí)各施工步序引起的地表沉降曲線如圖6所示。

圖6 各主要施工步序引起地表沉降曲線圖

由圖6可以看出，引起較大地表沉降的主要施工步驟是下臺(tái)階開挖至考察斷面和隧道挖通。當(dāng)上臺(tái)階開挖至考察斷面時(shí)，由于上部土體的開挖，使圍巖壓力開始釋放，致使地表產(chǎn)生沉降，但是由于超前邁式管棚的支護(hù)作用，最大地表沉降僅為5.1 mm；而當(dāng)隧道開挖完成且初支成環(huán)后，初支形成了較好的受力體系，但由于圍巖為風(fēng)積沙質(zhì)黃土，地基承載能力很差，上部圍巖壓力可能會(huì)使整個(gè)初支下陷，致使產(chǎn)生較大的地表沉降，施工完成后最大地表沉降達(dá)到11.4 mm。

3.1.2 初支變形控制

初期支護(hù)的拱頂沉降及水平收斂隨開挖步的變化如圖7、圖8所示。

由圖7和圖8可以看出，拱頂下沉主要由上中臺(tái)階開挖引起，水平收斂主要由中臺(tái)階開挖引起，最大拱頂沉降為30.4 mm，水平收斂為48.5 mm，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于未做特殊支護(hù)時(shí)的位移，說(shuō)明邁式超前管棚及邁式錨桿對(duì)控制支護(hù)位移效果明顯。

圖7 拱頂沉降隨施工步的變化曲線 圖8 水平收斂隨施工步的變化曲線

3.2 塑性區(qū)分布

隧道開挖過(guò)程中圍巖塑性區(qū)的分布變化如圖9所示。

圖9 圍巖塑性區(qū)分布圖

由圖9可以看出，上臺(tái)階開挖后由于超前邁式管棚的保護(hù)作用，隧道拱頂、拱腰處并未出現(xiàn)塑性區(qū)，僅僅在中臺(tái)階處出現(xiàn)小范圍的塑性區(qū)，即超前邁式管棚對(duì)圍巖有支撐作用，減少了開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)；中臺(tái)階開挖后，塑性區(qū)在隧道周圍出現(xiàn)，但是范圍依舊較小，當(dāng)下臺(tái)階開挖后，塑性區(qū)開始大面積出現(xiàn)，主要出現(xiàn)在邊墻及仰拱下方，且施做7.5 m的徑向邁式錨桿處的塑性區(qū)較施做6 m的徑向邁式錨桿的塑性區(qū)要小。由于隧道所處圍巖為風(fēng)積沙質(zhì)黃土，承載能力很差，如果隧道基底處出現(xiàn)大面積的塑性區(qū)，可能會(huì)導(dǎo)致隧道整體下沉，影響施工安全，施工時(shí)建議加強(qiáng)基地承載力。

3.3 徑向錨桿軸力

隧道施工過(guò)程中徑向邁式錨桿軸力的分布變化如圖10～圖12所示。

圖10 上臺(tái)階開挖后錨桿軸力 圖11 中臺(tái)階開挖后錨桿軸力

由圖10～圖12可以看出，徑向邁式錨桿軸力隨開挖逐漸增加，上中臺(tái)階處錨桿主要受拉，下臺(tái)階處錨桿主要受壓，且上臺(tái)階處錨桿受拉加大，開挖完成后最大錨桿軸力為103.5 kN。中臺(tái)階的錨桿受拉力較小，但是在中下臺(tái)階相交處的錨桿(鎖腳錨桿)受力也較大。下臺(tái)階處錨桿受壓為主，說(shuō)明上中臺(tái)階發(fā)揮了較大的作用，而下臺(tái)階錨桿作用不大。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)施做邁式管棚超前支護(hù)以及徑向邁式錨桿隧道開挖全過(guò)程數(shù)值模擬，分析其地表沉降、支護(hù)位移、塑性區(qū)發(fā)展及徑向錨桿受力情況，得出如下主要結(jié)論：

(1)該超前支護(hù)技術(shù)可有效控制地表沉降，但是由于圍巖承載能力很差，隧道支護(hù)成環(huán)后，可能會(huì)使隧道整體下沉，從而影響地表沉降。此外該工法還可以有效控制支護(hù)位移，確保施工安全。

(2)超前邁式大管棚可以有效支撐拱頂部位圍巖，減少圍巖受施工期間的擾動(dòng)。7.5 m的徑向邁式錨桿能夠有效發(fā)揮錨桿對(duì)圍巖的加固作用，抑制圍巖塑形區(qū)的發(fā)展。

(3)隧道施工完成后，隧道仰拱下部出現(xiàn)大面積塑形區(qū)，由于圍巖承載能力很差，如若產(chǎn)生較大范圍塑性區(qū)，極易使隧道整體下沉，危及施工安全。

(4)下臺(tái)階處的徑向邁式錨桿(長(zhǎng)為6 m)以受壓為主，說(shuō)明此處錨桿對(duì)圍巖的加固作用不顯著。

綜上所述，邁式管棚超前支護(hù)結(jié)合邁式徑向錨桿可以有效控制支護(hù)及圍巖變形，但是由于圍巖條件極差，且圍巖承載能力極差，故建議施工過(guò)程中適當(dāng)加固隧底基礎(chǔ)，保證隧道基底的承載能力。

參 考 文 獻(xiàn)

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