臧世華,劉曉鳳,何丹,孫修展

(1.合肥城市學(xué)院土木工程學(xué)院,安徽 合肥 230071; 2.中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京 100043)

0 引言

當(dāng)前,我國西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)正處于高速健康發(fā)展的時(shí)期,隧道施工在鐵路建設(shè)領(lǐng)域所涵蓋的范圍不斷增多。西北地區(qū)地下礦藏豐富,地質(zhì)條件復(fù)雜,開挖隧道時(shí)常遭遇煤層,而且煤系地層深埋地下。穿越煤層施工對圍巖的擾動(dòng)將會(huì)打破現(xiàn)有的平衡狀態(tài),導(dǎo)致煤層內(nèi)腔變形,煤與瓦斯外泄。尤其是采用臺(tái)階法開挖隧道的斷面整體處于煤層時(shí),巖體松散而破碎,圍巖承載力低可能會(huì)造成隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和開裂,甚至隧道塌方[1-4],如何在臺(tái)階法開挖時(shí)保證圍巖系統(tǒng)穿越煤層段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性成為新的難點(diǎn)。

國內(nèi)學(xué)者對穿越煤層的隧道開展了大量研究。冉楗等[5]以城開高速雞鳴隧道為研究對象,基于數(shù)值模擬方法,研究了瓦斯隧道開挖過程中通風(fēng)設(shè)備布置對通風(fēng)效果的影響機(jī)制。吳波等[6]針對含瓦斯地層隧道施工難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn),提出了采用熵值法和模糊理論相結(jié)合的方法進(jìn)行鐵路瓦斯隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估。王棟[7]以渝黔鐵路天坪隧道為研究對象,通過在施工過程中實(shí)施非防爆無軌運(yùn)輸技術(shù),有效降低了高瓦斯隧道的瓦斯含量和涌出量。王海洋等[8]采用灰色關(guān)聯(lián)法分析了多個(gè)隧道里發(fā)生的不同等級(jí)事故產(chǎn)生的影響因素,得出影響隧道事故的主要原因包括圍巖瓦斯含量、地質(zhì)構(gòu)造、隧道埋深等。黎俊麟等[9]以成都軌道交通19號(hào)線新紅區(qū)段為例,重點(diǎn)論述了盾構(gòu)始發(fā)前和掘進(jìn)過程中兩個(gè)階段的盾構(gòu)施工工藝流程,為非煤高瓦斯隧道盾構(gòu)施工提供重要借鑒。肖喬等[10]以成都地鐵11號(hào)線暗挖段高瓦斯隧道為切入點(diǎn),通過建立人工監(jiān)測和電腦系統(tǒng)監(jiān)測相結(jié)合的隧道瓦斯監(jiān)測體系,分析隧道瓦斯防控效果,并給出了瓦斯超限處理措施。

前人的研究促進(jìn)了瓦斯隧道施工安全與技術(shù)的發(fā)展,但是主要針對的是施工工藝流程和安全風(fēng)險(xiǎn)評估,關(guān)于單線鐵路隧道穿越煤系地層圍巖穩(wěn)定性的研究相對較少。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,以重慶市涪陵區(qū)新涪陵隧道為工程背景,通過選取處于煤系地層不同高度的典型斷面,采用現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬等方法對隧道穿越煤系地層圍巖進(jìn)行變形分析,得出處于煤層中隧道不同斷面圍巖變形位移受力規(guī)律,以期為類似工程條件下隧道穿越煤系地層掘進(jìn)提供借鑒。

1 工程概況

新涪陵隧道位于重慶市涪陵區(qū)白濤鎮(zhèn)境內(nèi),中心里程ZDK123+516.5,全長4 545 m,最大埋深352 m。分進(jìn)、出口兩個(gè)作業(yè)面組織施工,其中,進(jìn)口工區(qū)承擔(dān)1 605 m施工任務(wù),出口工區(qū)承擔(dān)2 940 m施工任務(wù)。隧道穿越二迭系上統(tǒng)須家河組為含煤地層,砂巖、頁巖中夾劣質(zhì)煤。受影響線路里程為YDK122+160～YDK122+500。隧道施工現(xiàn)場圖如圖1、2所示。

圖1 新涪陵隧道出口

圖2 隧道三臺(tái)階現(xiàn)場圖

2 監(jiān)測方案與設(shè)計(jì)

根據(jù)左右兩煤系地層穿越隧道距離的不同和距離出(入)口的距離不同,選取右邊進(jìn)口工區(qū)Ⅳ級(jí)圍巖段斷層進(jìn)行研究,處于該斷層的整個(gè)隧道截面都穿越煤系地層。圍巖支護(hù)采用的錨桿形式為拱墻砂漿錨桿(3.2 m),間距為1.35 m×1.35 m(環(huán)×縱),鋼筋網(wǎng)為直徑6 mm的鋼筋網(wǎng)(20 mm×20 mm),鋼拱架形式為I18型鋼(1 m/榀)。監(jiān)測內(nèi)容具體包括隧道開挖對兩個(gè)典型斷面DK122+200與DK122+400處的隧道拱頂沉降以及收斂變形造成的影響。隧道監(jiān)測點(diǎn)布置如圖3所示。在隧道斷面處選取4個(gè)監(jiān)測點(diǎn),分別為拱頂、拱肩、拱腰、拱底,編號(hào)分別為SL-1、SL-2、SL-3、SL-4,測量頻率為1次/d,監(jiān)測周期為60 d。

圖3 圍巖監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

3 監(jiān)測結(jié)果與分析

采用臺(tái)階法開挖隧道后圍巖的變形主要發(fā)生在拱頂上方和開挖臺(tái)階平面的下方,每一開挖步呈現(xiàn)的圍巖變形規(guī)律整體基本一致,在隧道施工的過程中圍巖最大變形位置出現(xiàn)在拱頂。通過觀察隧道斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),開挖產(chǎn)生的圍巖變形不是均勻的,出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是隧道采用臺(tái)階法穿過含煤地層,開挖過程中影響了土體的均勻性,對圍巖土體造成了應(yīng)力偏心效果。因此,隧道施工過程中應(yīng)考慮掌子面開挖對圍巖初始應(yīng)力造成的破壞,以及對隧道內(nèi)部穩(wěn)定性的影響。隧道拱頂處土體呈沉降狀態(tài),隧道開挖臺(tái)階面土體隆起,這表明若沒有對隧道采取任何具體的支護(hù)手段就貿(mào)然施工開挖,會(huì)直接導(dǎo)致該隧道在拱頂處產(chǎn)生塌陷,隧道施工的臺(tái)階面底部土體凸起。對斷面拱頂、拱肩、拱腰、拱底監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,可得到隧道采用臺(tái)階法開挖過程中對圍巖土體造成累計(jì)變形量的一般規(guī)律。DK122+200、DK122+400兩處斷面的圍巖位移情況如圖4、5所示。

圖4 DK122+200斷面圍巖位移情況

結(jié)合圖4和圖5所示的監(jiān)測數(shù)據(jù)與實(shí)際現(xiàn)場情況進(jìn)行研究分析可知:

圖5 DK122+400斷面圍巖位移情況

1)穿越煤系地層臺(tái)階法開挖隧道斷面選取的4個(gè)典型監(jiān)測點(diǎn)處的拱頂下沉和水平收斂變化趨勢基本一致,各斷面拱頂?shù)睦塾?jì)變形量均大于水平收斂量,由于煤系地層分布的不均勻產(chǎn)生的偏心擠壓使隧道斷面拱頂受到最大的剪切力,隧道斷面兩側(cè)拱腰處承受著最大彎矩,上臺(tái)階開挖和中臺(tái)階開挖時(shí)拱頂?shù)焦把秶膰鷰r穩(wěn)定性影響著整個(gè)隧道施工的進(jìn)展,因此,在臺(tái)階法施工過程中應(yīng)增加對拱頂?shù)焦把课坏耐馏w位移變化和水平收斂情況的監(jiān)測頻率,并通過仰拱底部加設(shè)錨桿和臨時(shí)仰拱等措施來預(yù)防事故的發(fā)生。

2)對進(jìn)口不遠(yuǎn)處的整個(gè)隧道處于煤系地層的典型斷面土體位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,隨著隧道斷面穿越煤系地層占比變多,相比處于其他地層的隧道斷面圍巖變形較大,由于煤系地層土體松散,圍巖條件差,因此隧道斷面在施工過程中產(chǎn)生的圍巖變形大小受到所處煤系地層的影響。DK122+400處整個(gè)隧道斷面位于煤系地層中。結(jié)合圖5,分析臺(tái)階法開挖斷面DK122+400處的圍巖土體累計(jì)變形數(shù)據(jù):隧道頂部土體沉降量最大,其中上臺(tái)階開挖時(shí)拱頂沉降量達(dá)到10.8 mm,中臺(tái)階開挖時(shí)拱頂沉降量達(dá)到13.9 mm,下臺(tái)階開挖時(shí)拱頂沉降量達(dá)到17.8 mm;拱肩累計(jì)沉降量為13.8 mm,其中中臺(tái)階開挖時(shí)拱肩沉降量達(dá)到7.6 mm,下臺(tái)階開挖后拱肩沉降量達(dá)到12.9 mm;拱腰處的土體累計(jì)沉降量為7.6 mm,其中上臺(tái)階開挖時(shí)未對拱腰處土體造成影響,中臺(tái)階開挖后周圍圍巖土體開始發(fā)生變形,下臺(tái)階開挖后拱腰沉降量達(dá)到6.7 mm;拱底處的土體累計(jì)沉降量為4.1 mm,其中上臺(tái)階與中臺(tái)階開挖時(shí)未對拱底處土體造成影響,直至下臺(tái)階開挖后周圍圍巖土體才開始發(fā)生變形。因此可以看出,隧道處于煤系地層中,圍巖土體受到臺(tái)階法開挖和煤層土體擾動(dòng)影響越大,隧道周圍圍巖土體累計(jì)變形相對越大,臺(tái)階法的施工順序會(huì)對隧道周邊圍巖土體造成不同時(shí)段不同程度的影響。

3)通過對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析,隧道穿越煤系地層施工時(shí),上臺(tái)階開挖對隧道頂部土體變形擾動(dòng)較明顯。在實(shí)際工程中,上臺(tái)階開挖造成的土體累計(jì)變形占比超過50%,變化區(qū)間為50.9%～62.4%。結(jié)合圖4,以DK122+200處隧道斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)為例,上臺(tái)階開挖完成后隧道頂部土體累計(jì)變形量約占隧道斷面施工完成后頂部土體最終變形量的53.9%,說明造成隧道斷面頂部土體累計(jì)變形量的主要階段存在于上臺(tái)階開挖。

4 數(shù)值模擬

4.1 模型建立

模型中圍巖體為3D實(shí)體單元,本構(gòu)模型為莫爾-庫倫模型,本次運(yùn)用MIDAS/GTX NS有限差分法分析穿越煤系地層段圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。根據(jù)新涪陵隧道新建隧道數(shù)值模型,為減少模型邊界效應(yīng)的影響,在模型中心設(shè)置隧道的開挖面。選取新涪陵隧道模型的主要材料計(jì)算參數(shù)如表1所示,以設(shè)計(jì)院提供的設(shè)計(jì)斷面和支護(hù)設(shè)計(jì)為依據(jù),建立圍巖體數(shù)值模型。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

為了節(jié)約計(jì)算資源,提高效率,模型單元不宜過多,經(jīng)綜合考慮后,所建模型如圖6所示。

圖6 模型中圍巖結(jié)構(gòu)類型

模型尺寸大小寬度為90 m(坐標(biāo)軸x軸,隧道橫截面方向),高度為30 m(坐標(biāo)軸y軸,隧道豎直方向),長度(坐標(biāo)軸z軸,隧道開挖方向)為100 m。最終的模型尺寸為(長×寬×高)100 m×90 m×30 m,模型共劃分162 898個(gè)單元。該模型邊界條件為:將模型側(cè)面的4個(gè)邊界設(shè)置為水平位移約束,并將下邊界設(shè)置為模型的三向位移約束;上邊界設(shè)為自由邊界,模型簡化后留取一定范圍土體進(jìn)行分析。

4.2 參數(shù)取值

根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果,在隧道開挖面下方存在大量淤泥質(zhì)土,需要用級(jí)配碎石換填,在回土?xí)r,上方用灰土回填。初期支護(hù)采取錨桿和噴射混凝土相結(jié)合的支護(hù)方式,其中,錨桿直徑為0.03 m、長5 m,橫截面設(shè)置錨桿數(shù)量為15根,錨桿的布置弧長為2 m,噴射混凝土厚度為0.25 m,噴射混凝土為2D板單元,錨桿為1D植入式桁架,本構(gòu)模型均為彈性模型。為了便于三維模型的建立,假設(shè)圍巖體模擬參數(shù)取值如表1所示。根據(jù)隧道實(shí)際施工方案,隧道施工時(shí)開挖斷面長度為30 m,其中1個(gè)開挖斷面的長度為3 m,每個(gè)開挖斷面分為3個(gè)開挖步驟,每個(gè)開挖步驟按照臺(tái)階法施工的上中下順序進(jìn)行開挖,并且每個(gè)開挖步后需要插入錨桿和噴射混凝土。

4.3 數(shù)值計(jì)算分析

為研究臺(tái)階法開挖隧道對圍巖土體穩(wěn)定性的影響,模擬隧道始發(fā)開挖到30 m時(shí)的工況,取其Z=0截面處隧道周邊圍巖變形圖。模型開挖到中間斷面處的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 模型開挖到中間斷面圍巖位移

由圖7可知:當(dāng)隧道模型開挖至30 m處拱頂沉降最大值為4.20 mm,該監(jiān)測斷面圍巖變形規(guī)律整體與現(xiàn)場監(jiān)測情況保持一致,同時(shí)驗(yàn)證了數(shù)值分析結(jié)果的合理性。隨著預(yù)加固土體強(qiáng)度黏聚力的提升,隧道在開挖過程中對拱頂土體沉降槽深度的影響逐漸減小,對圍巖土體的應(yīng)力擾動(dòng)也在減弱。因此,在實(shí)際施工中,要充分保障混凝土澆筑的質(zhì)量,在考慮不影響圍巖穩(wěn)定性的前提下,可以在一定安全范圍內(nèi)降低支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及預(yù)加固圍巖土體。

5 結(jié)論

本文研究了隧道穿越煤層對圍巖土體的影響,并總結(jié)了圍巖變形的一般規(guī)律,主要得出以下結(jié)論:

1)隧道在煤層土體中開挖采用三臺(tái)階加仰拱施工方法時(shí),上臺(tái)階開挖引起的變形量是總變形量的主要組成部分,隧道圍巖變形最大部位在拱頂位置,占總變形量的50%以上,屬于重點(diǎn)監(jiān)控部位。因此,在隧道開挖前應(yīng)空出一定的預(yù)留變形位置,必要時(shí)預(yù)加固土體,提高圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

2)隧道開挖期間,拱腰處也受到很大的作用力,尤其是混凝土澆筑前這期間,隧道的狀態(tài)較不穩(wěn)定,因此有必要在臺(tái)階法開挖后盡快澆筑混凝土,用閉合斷面襯砌。