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超小凈距隧道中巖柱受力分析研究與實(shí)踐

2022-08-19 08:06權(quán)國紹QUANGuoshao
建筑機(jī)械化 2022年8期
關(guān)鍵詞:施作凈距右線

權(quán)國紹/ QUAN Guo-shao

(中國鐵建昆侖投資集團(tuán)有限公司,四川 成都 610041)

1 超小凈距隧道方案的提出

李家臺隧道K1+273~K1+450 原設(shè)計(jì)為連拱隧道,設(shè)計(jì)方案為先開挖中導(dǎo)洞,開挖至設(shè)計(jì)樁號后轉(zhuǎn)為向洞口方向澆筑中隔墻混凝土,中隔墻完成后用工字鋼封閉右側(cè)中導(dǎo)洞,待從進(jìn)口向出口開挖該段洞身土石方,主洞開挖采用CD 法進(jìn)行開挖,進(jìn)尺控制在1 榀鋼架間距,各臺階及時(shí)跟進(jìn),相距在3~5m 之間。隧道中隔墻與先行洞掌子面之間距離不小于50m,隧道先行洞二次襯砌與后行洞掌子面之間距離不小于40m。

超小凈距隧道結(jié)構(gòu)介于獨(dú)立雙洞和連拱隧道之間,能夠充分發(fā)揮兩隧道洞間圍巖的自承能力,符合新奧法的設(shè)計(jì)思想。較獨(dú)立雙洞隧道,超小凈距隧道具有連線難度小、占地少等特點(diǎn);和連拱隧道相比,超小凈距隧道具有工期短、施工質(zhì)量易控制以及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。

超小凈距隧道和連拱隧道存在的重點(diǎn)問題在于“中隔墻”與“中巖柱”的比較。從施工工藝及工序比較:連拱隧道=中導(dǎo)洞施工工序+中隔墻施工工序+中導(dǎo)洞臨時(shí)支撐拆除工序;超小凈距隧道=中巖柱加固工序。

傳統(tǒng)連拱隧道中隔墻是采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)代替原有地層作為受力結(jié)構(gòu),需要先破壞原有地層結(jié)構(gòu),而超小凈距隧道是采用對中巖柱進(jìn)行加固處理,對原有地質(zhì)巖性結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生破壞,中巖柱加固施工與正洞施工同步進(jìn)行,這樣大大節(jié)約了施工工期。此外,超小凈距隧道按照常規(guī)防水工藝安裝,防水板在二襯及初支間容易形成封閉整體,不受臨時(shí)支撐等的影響,有利于隧道結(jié)構(gòu)防水。

經(jīng)與設(shè)計(jì)溝通,拉開左、右隧道中心線線間距離,將該段雙連拱隧道優(yōu)化為超小凈距隧道。加快了施工進(jìn)度,同時(shí)降低了施工成本。

2 超小凈距隧道總體方案設(shè)計(jì)

左、右線正洞按“小導(dǎo)洞先行,后斷面擴(kuò)挖”的施工開挖技術(shù)方案進(jìn)行施工。

2.1 小導(dǎo)洞先行

小面積開挖隧道,施作支護(hù)形成小導(dǎo)洞。小導(dǎo)洞的開挖,能有效減小對圍巖的擾動,使其充分發(fā)揮自身承載能力,同時(shí)可以提前釋放一部分地下應(yīng)力,有效減小圍巖后期的沉降收斂,保證施工的安全。小導(dǎo)洞內(nèi)施工作業(yè),適當(dāng)加固中巖柱,以提高中巖柱的承載能力,減小后續(xù)施工對圍巖的擾動,避免造成冒頂、坍塌事故的發(fā)生。

2.2 小導(dǎo)洞斷面設(shè)計(jì)

小導(dǎo)洞斷面尺寸擬為5m×6m(寬×高),具體尺寸可根據(jù)巖性、圍巖等級、埋深及左右洞相互影響綜合考慮進(jìn)行調(diào)整。小導(dǎo)洞施工位置初步擬定于隧道中部,且底部與下臺階上部高度(工字鋼 B、C 單元連接位置高度)一致。

小導(dǎo)洞屬部分永久性初支+部分臨時(shí)支護(hù)結(jié)合方案,其支護(hù)參數(shù)采用I18 工字鋼+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土支護(hù),工字鋼間距60cm,鋼筋網(wǎng)采用?8mm 鋼筋綁扎成20cm×20cm 的網(wǎng)片,錨桿采用?25mm 中空注漿錨桿(長2.5m),梅花形布置,噴射混凝土采用強(qiáng)度等級為C20 噴射混凝土,厚度為20cm。

2.3 斷面擴(kuò)挖

小導(dǎo)洞擴(kuò)挖至正常斷面,施作隧道初期支護(hù)。在對中巖柱進(jìn)行加固后,預(yù)留3m 寬范圍采用鑿巖機(jī)開挖靠近巖柱一側(cè)的巖體,遠(yuǎn)離巖柱一側(cè)(3~8m)采用淺孔松動爆破方式開挖,開挖時(shí)必須注意對中間巖柱的保護(hù)(采用弱爆破)。開挖后及時(shí)進(jìn)行支護(hù),特別是靠近中巖柱一側(cè)巖體,必要時(shí)可增加臨時(shí)支撐或加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)。

3 數(shù)值模擬受力分析論證

為證明超小凈距段施工方案的可行性以及超小凈距采取相關(guān)施工措施的必要性,采用有限元法對不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬論證。分析結(jié)果表明整個隧道在正洞開挖情況下,隧道變形位移較大,塑性區(qū)范圍較廣,且延伸至地表,在采取相關(guān)施工措施后,隧道變形有較大幅度的減小,塑性區(qū)分布較小,整體處于一個較穩(wěn)定狀態(tài),具體計(jì)算情況如下。

3.1 模型建立

根據(jù)具體工程概況,選擇斷面K1+450(YK1+450)出口段附近按最大淺埋工況進(jìn)行分析,建立小凈距隧道施工數(shù)值模擬分析模型。模型中,為消除模型邊界效應(yīng)影響,計(jì)算范圍取3~5 倍洞徑,其中左、右邊界取4 倍洞徑,下邊界取4 倍洞高,上邊界取為埋深平均深度15m。具體模型尺寸為144m×62.5m。

3.2 計(jì)算參數(shù)選取

計(jì)算中巖土體物理力學(xué)材料參數(shù)以地質(zhì)鉆孔勘察報(bào)告和經(jīng)驗(yàn)取值為依據(jù),加固區(qū)參數(shù)采用提升一級的圍巖級別的參數(shù),參數(shù)取值如表1 所示。網(wǎng)格劃分情況及中間巖柱加固體如圖1 所示。

表1 模型中主要物理參數(shù)

圖1 網(wǎng)格劃分情況及中間巖柱加固體

模擬中,工字鋼通過等效方法進(jìn)行考慮,按抗壓強(qiáng)度相等的原則,將鋼架的彈性模量折算成混凝土彈性模量,最后形成初支的等效彈性模量。計(jì)算得E等=28.819GPa。二襯鋼筋通過同樣的方法,將鋼筋的彈性模量折算給二襯混凝土,計(jì)算得E′等=31.609GPa。

3.3 模擬施工過程

1)建立模型,在自重應(yīng)力場下進(jìn)行平衡計(jì)算。

2)開挖左線上臺階并施作第一層初期支護(hù),對相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行加固,平衡計(jì)算。

3)開挖左線預(yù)留核心土,平衡計(jì)算。

4)開挖左線下臺階并施作第一層初期支護(hù),平衡計(jì)算。

5)施作左線二次襯砌,計(jì)算平衡。

6)開挖右線小導(dǎo)洞并施作小導(dǎo)洞初期支護(hù),平衡計(jì)算。

7)開挖右線上臺階,施作初期支護(hù),平衡計(jì)算。

8)拆除小導(dǎo)洞,開挖右線下臺階并施作初期支護(hù),平衡計(jì)算。

9)施作右線二次襯砌,平衡計(jì)算。

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

該數(shù)值仿真主要是模擬不同施工工序的全過程,從圍巖和初支受力等分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),各分部的開挖引起的內(nèi)力及地層變形不是很大,因此此處不針對各施工步驟進(jìn)行詳細(xì)分析,選擇性分析重點(diǎn)施工步驟。本模擬分析,主要從圍巖位移、中巖柱位移場和應(yīng)力場及塑性狀態(tài)、支護(hù)內(nèi)力等方面分析方面進(jìn)行。

3.4.1 圍巖豎向位移

從各開挖步驟的圍巖豎向位移云圖可以看出,隨著隧道開挖,圍巖沉降值及圍巖擾動范圍不斷增大,左線隧道支護(hù)完成、右線上臺階擴(kuò)挖和右線隧道支護(hù)完成3 個施工步驟中圍巖最大豎向沉降位移分別為2.39mm、3.35mm、3.36mm,基本均出現(xiàn)在隧道拱頂附近,但總體上位移沉降值較小。由此可知,當(dāng)采用該種方案進(jìn)行施工時(shí),因小導(dǎo)洞開挖位置離左線隧道開挖斷面存在一定距離,且對中間巖柱進(jìn)行加固處理,在右線隧道開挖時(shí),右線的位移沉降相對較小。

3.4.2 中巖柱位移場和應(yīng)力場及塑性狀態(tài)

根據(jù)各模擬步中巖柱塑性狀態(tài)判斷,在對中間巖柱進(jìn)行加固后,隨著隧道開挖的進(jìn)行,中間巖柱的塑性范圍有輕微增加,但中巖柱大部分區(qū)域還未發(fā)生屈服或者破壞。

在以上3 個分析步中,中間巖柱附近圍巖的最大豎向沉降位移依次是:1.49mm、2.35mm、2.43mm,最大水平正向位移依次是:-0.30mm、0.53mm、0.55mm。豎向位移較大值均在靠近隧道拱頂位置附近,而水平位置較大值基本均出現(xiàn)在兩線隧道中間巖柱最薄處附近。豎向應(yīng)力較大值基本集中于中巖柱最薄處,且隨著開挖的進(jìn)行,區(qū)域內(nèi)的豎向應(yīng)力基本一直在增大,最大豎向應(yīng)力依次為:1.97MPa、2.68MPa、2.79MPa,而水平應(yīng)力在左線擴(kuò)挖時(shí),中巖柱的水平應(yīng)力達(dá)到較大值。這是由于開挖引起圍巖擾動,中間巖柱需要承受上覆土體的荷載,而巖柱尺寸極小,因而引起中巖柱位移和應(yīng)力的增大。所以在右線擴(kuò)挖時(shí),必須特別注意對中巖柱的加固與保護(hù),以防引起隧道的塌方。同時(shí),須嚴(yán)格控制初期支護(hù)在各連接處以及鎖腳錨管的施作質(zhì)量,及時(shí)將初支封閉成環(huán),以提高整體承載能力。

3.4.3 支護(hù)內(nèi)力

各模擬步中支護(hù)內(nèi)力如圖2、圖3 所示。

圖2 右線隧道支護(hù)完成(軸力)

圖3 右線隧道支護(hù)完成(彎矩)

從上圖可以發(fā)現(xiàn),隨著開挖的進(jìn)行,初支的軸力和彎矩持續(xù)增大。以上3 個分析步中,初支最大軸力依次為:1.23×106N、2.02×106N、2.13×106N,較大值均集中在左線隧道右拱腳附近;初支最大彎矩依次為:+7.22×104Nm、+1.96×105Nm、+1.2×105Nm,較大值基本集中在左線隧道右拱腳附近以及右線隧道左拱腳附近;特別是在右線上臺階擴(kuò)挖工序,左線隧道支護(hù)軸力最大值以及最大彎矩值均出現(xiàn)在右側(cè)靠近中間巖柱部位,且在右線隧道支護(hù)完成后,左線隧道最大彎矩值基本出現(xiàn)在右拱腳附近。此外,內(nèi)力較大值處基本位于上、下臺階支護(hù)連接部位。因此一方面有必要加強(qiáng)中間巖柱的強(qiáng)度,使之與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同發(fā)揮承載能力,另一面可適當(dāng)采取初支加強(qiáng)措施,并注意鎖腳錨桿等施作質(zhì)量,保證在施工階段支護(hù)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

1)原設(shè)計(jì)方案采用連拱隧道方案,施工工序煩瑣,造價(jià)較高;提出了超小凈距隧道的方案,并采用“小導(dǎo)洞先行,后斷面擴(kuò)挖”施工工藝,施工工序較少,免去了側(cè)導(dǎo)洞和中導(dǎo)洞臨時(shí)支撐拆除和單獨(dú)開挖等工序,因此進(jìn)度最快,大大縮短了斷面整體結(jié)構(gòu)的完成時(shí)間,效益較好,整體造價(jià)也低。

2)經(jīng)過數(shù)值模擬分析論證,認(rèn)為采用“左線隧道正常開挖,右線隧道小導(dǎo)洞先行,再擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)輪廓”工藝能較好地控制圍巖變形,且能有效提高施工效率,縮短工期。

3)通過加固中巖柱,可以有效提高中間巖柱的強(qiáng)度和穩(wěn)定性減小巖柱塑性區(qū)范圍,此外,對圍巖的變形也有一定的抑制,減小圍巖的沉降收斂。

4)在加固巖柱前提下進(jìn)行開挖支護(hù),支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)大于規(guī)范所要求值,結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)下工作。

綜上所述,采用上述超小凈距施工方案,輔以采用中巖柱加固、爆破控制及冷開挖工藝,能保證隧道施工的安全性,縮短工期,減少成本投入。同時(shí)在施工中仍需加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作質(zhì)量,根據(jù)現(xiàn)場圍巖揭露情況,必要時(shí)加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或施作臨時(shí)支撐。

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