熊渡隧道圍巖穩(wěn)定性研究

萬(wàn)堯方 朱紅陽(yáng)

熊渡隧道圍巖穩(wěn)定性研究

萬(wàn)堯方 朱紅陽(yáng)

結(jié)合熊渡隧道的工程實(shí)踐,通過(guò)拱頂沉降、錨桿應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)和數(shù)值計(jì)算工作,研究了復(fù)雜地質(zhì)條件下巖溶隧道全斷面爆破開(kāi)挖時(shí)圍巖的穩(wěn)定性,研究結(jié)果表明,熊渡隧道Ⅴ級(jí)圍巖段的破碎帶采用現(xiàn)有的施工工藝和支護(hù)參數(shù)是可行的,圍巖變形可控,支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果顯著,圍巖基本穩(wěn)定。

隧道,監(jiān)控量測(cè),數(shù)值計(jì)算,穩(wěn)定性

針對(duì)巖溶隧道的特點(diǎn),前人研究認(rèn)為巖溶隧道施工與一般隧道施工相比有三個(gè)方面特點(diǎn),即超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)、巖溶治理技術(shù)、監(jiān)控量測(cè)及反饋施工技術(shù),并稱(chēng)這三個(gè)方面的施工技術(shù)為巖溶隧道施工的關(guān)鍵技術(shù)[1-4]。

由于巖溶發(fā)育的因素錯(cuò)綜復(fù)雜,發(fā)育的形態(tài)千姿百態(tài),以及巖溶發(fā)育的不均衡性和不規(guī)則性,給巖溶隧道的設(shè)計(jì)、施工帶來(lái)一系列困難,而對(duì)巖溶條件下隧道修建技術(shù)的研究,特別是溶蝕強(qiáng)烈、巖溶裂隙發(fā)育的破碎地層中隧道圍巖的穩(wěn)定性研究不多,可供借鑒的成熟經(jīng)驗(yàn)也較少。本文通過(guò)查閱巖溶隧道的文獻(xiàn),通過(guò)數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的手段研究復(fù)雜地質(zhì)條件下巖溶隧道圍巖的穩(wěn)定性問(wèn)題。研究的方法、分析和結(jié)論可為類(lèi)似條件下隧道工程的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)提供參考和借鑒。

1 工程概況

熊渡隧道群位于熊渡電站西側(cè)山坡上,北距陸城約 27 km,南距漁陽(yáng)關(guān)鎮(zhèn)約 30 km,熊渡隧道左右洞全長(zhǎng)分別為 1 281m,1 275m,隧道以分離式為主,出口端呈小凈距。

隧址區(qū)為構(gòu)造侵蝕低山區(qū),位于漁洋河峽谷左岸,隧道出口位于一近南北的溝谷北側(cè)斜坡下段,坡高 288.40m,坡度 30°～50°。出口端主要地層巖性為寒武系上統(tǒng)三游洞組下段白云質(zhì)灰?guī)r,強(qiáng)～弱風(fēng)化,巖性堅(jiān)硬性脆。沿節(jié)理、裂隙巖溶現(xiàn)象明顯,有溶洞、溶溝、溶槽等巖溶現(xiàn)象,多被地下水和紅粘土充填,隧址區(qū)地下水較發(fā)育[5]。其中,隧道進(jìn)口端斷面 ZK 27+540附近鉆孔揭示圍巖破碎,溶蝕現(xiàn)象強(qiáng)烈,巖溶裂隙發(fā)育,圍巖自穩(wěn)能力差,極易發(fā)生坍塌、冒頂事故。斷面 ZK27+540處隧道設(shè)計(jì)斷面見(jiàn)圖 1。

以斷面 ZK 27+540為依托特開(kāi)展圍巖穩(wěn)定性研究工作,其掌子面圍巖情況如圖 2所示。

2 施工概況

熊渡隧道采用新奧法設(shè)計(jì)和施工,鉆爆破法開(kāi)挖,隧道出口小凈距段采用全斷面法爆破開(kāi)挖,光面爆破技術(shù),單循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺 2.5m,其爆孔布置如圖 3所示。其中掌子面爆破開(kāi)挖的爆破參數(shù)如表 1所示。

表1 爆破開(kāi)挖參數(shù)表

初期支護(hù)在開(kāi)挖后及時(shí)濕噴 8 cm厚混凝土,再掛 φ8單層鋼筋網(wǎng),架設(shè) Ⅰ16b鋼支撐,安設(shè) φ25中空錨桿,然后分層復(fù)噴27 cm厚混凝土。系統(tǒng)錨桿為 φ25中空錨桿,長(zhǎng)度 5m,環(huán)向間距1.2 m,縱向間距 1.2m,呈梅花形布置;鋼支撐縱向間距均為1.2m。二次襯砌采用 C30模筑鋼筋混凝土,厚度 35 cm。

3 數(shù)值計(jì)算

本數(shù)值計(jì)算選用了美國(guó)Itasca顧問(wèn)有限公司開(kāi)發(fā)的 FLAC 3D軟件。該軟件經(jīng)國(guó)內(nèi)外廣大用戶的使用,已證明其結(jié)果有充分的可靠性和合理性。為了分析圍巖的穩(wěn)定性,研究支護(hù)的效果,模型選取斷面ZK 27+540為研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。此斷面處隧道埋深大于 70m,平行左右隧道間距 45m,這里近似取左側(cè)單洞進(jìn)行研究。三維計(jì)算模型如圖 4所示。

本次模擬嚴(yán)格按照真實(shí)的地質(zhì)條件,選用 Mohr-Cou lomb強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算,模擬施加初期支護(hù)后隧道圍巖的變形及受力情況,計(jì)算所用圍巖的物理力學(xué)參數(shù)如表 2所示。

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

錨桿計(jì)算參數(shù)如表3所示。

表3 錨桿參數(shù)表

鋼支撐計(jì)算參數(shù)如表4所示。

表4 鋼支撐參數(shù)

隧道開(kāi)挖初期支護(hù)施加后,數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖 5～圖 9所示。

由圖 5豎向位移的計(jì)算結(jié)果可以看出,隧道開(kāi)挖施加初期支護(hù)后,豎向位移的變化情況比較簡(jiǎn)單、穩(wěn)定,最大的沉降發(fā)生在拱頂部位,最大沉降值為-36.3mm,豎向最大位移為 42mm,發(fā)生在隧道底部。垂直位移云圖表明,隧道開(kāi)挖施加初期支護(hù)后垂直位移量較小,說(shuō)明初期支護(hù)的支護(hù)效果顯著。

由圖 6,圖 7的豎向應(yīng)力云圖和水平向應(yīng)力云圖的計(jì)算結(jié)果可以看出,隧道上部初期支護(hù)受豎向壓應(yīng)力作用,沒(méi)有明顯的拉應(yīng)力區(qū),初期支護(hù)結(jié)構(gòu)所受壓應(yīng)力較小,其最大壓應(yīng)力僅為0.2MPa,遠(yuǎn)小于初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)抗力,支護(hù)結(jié)構(gòu)具有足夠的安全儲(chǔ)備,滿足圍巖穩(wěn)定的要求。隧道開(kāi)挖施加初期支護(hù)后,水平向受拉應(yīng)力區(qū)域主要集中在隧道四周,但拉應(yīng)力值均較小,最大拉應(yīng)力只有 77.1 kPa。

由圖 8的圍巖塑性變形的計(jì)算結(jié)果可以看出,隧道開(kāi)挖施加初期支護(hù)后,圍巖只有少量區(qū)域進(jìn)入塑性變形區(qū),且塑性變形區(qū)集中在兩拱腳和兩邊墻位置。

由圖 9的錨桿內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果可以看出,隧道開(kāi)挖施加初期支護(hù)后,錨桿都不同程度的受拉,拉力值總體較小,最大拉力值為15.65 kN,遠(yuǎn)小于錨桿的抗拉強(qiáng)度,且受拉范圍都大于水平向拉應(yīng)力的作用范圍,表明錨桿起到傳遞支護(hù)抗力的作用,支護(hù)效果顯著。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)

如文獻(xiàn)[6]所示,隧道圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)是隧道穩(wěn)定性的直接表現(xiàn)。因此,根據(jù)熊渡隧道的監(jiān)控量測(cè)方案和隧道施工方式,在斷面 ZK27+540上開(kāi)展的圍巖變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目是拱頂沉降監(jiān)測(cè);在支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)方面開(kāi)展的是錨桿軸力監(jiān)測(cè)工作。

其中,監(jiān)測(cè)斷面上的拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)在初期支護(hù)施加后立即布設(shè),錨桿軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別布設(shè)在左右拱肩,編號(hào)為 M1,M 2,其中每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè) 3個(gè)錨桿應(yīng)力計(jì),埋深距初支面的距離分別為 0.5m,1.0m和 3.5m。拱頂沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖 10所示。

由圖 10的拱頂沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出,拱頂沉降—時(shí)間曲線圖呈單調(diào)下降,但下降趨勢(shì)逐漸趨緩,初期支護(hù)時(shí)間初期拱頂沉降量較大,前11次的平均沉降量近似為1mm,表明拱頂持續(xù)下沉;而后逐漸變小,35次以后拱頂沉降速率趨于 0mm,表明圍巖在初期支護(hù)的作用下拱頂不再下沉,說(shuō)明初期支護(hù)具有足夠的強(qiáng)度阻止拱頂下沉,初期支護(hù)的支護(hù)效果顯著,能夠確保圍巖穩(wěn)定。

與如圖 5所示的圍巖位移云圖相比可以看出,監(jiān)測(cè)得到的拱頂沉降值要小于數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)果,這是由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)是在初期支護(hù)施加后布設(shè)的,無(wú)法捕獲拱頂?shù)娜肯鲁?如爆破開(kāi)挖瞬時(shí)卸荷引起的拱頂下沉和初期支護(hù)前拱頂下沉,而數(shù)值計(jì)算較好的反映了所有變形,所以數(shù)值較大。

錨桿軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)M 1,M 2的監(jiān)測(cè)結(jié)果如表 5所示。

表5 錨桿軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果

如表 5所示的錨桿監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,錨桿都不同程度的受拉,拉力值總體較小,最大值僅為 13.51 kN,遠(yuǎn)小于錨桿軸向抗拉強(qiáng)度,并且距離開(kāi)挖輪廓線越近所受拉力越大,越遠(yuǎn)越小。同樣,實(shí)際監(jiān)測(cè)的拉力值要小于數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)

總結(jié)以上的研究結(jié)果,可以得到如下結(jié)論：1)理論研究及工程實(shí)踐證明,熊渡隧道巖溶破碎帶區(qū)段采用現(xiàn)有的施工工藝和支護(hù)參數(shù)是可行的,圍巖變形可控,基本穩(wěn)定,支護(hù)結(jié)構(gòu)受力普遍較小,具有足夠的安全儲(chǔ)備。2)熊渡隧道圍巖穩(wěn)定性研究表明,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的手段研究巖溶破碎帶地區(qū)圍巖的穩(wěn)定性是可行而有效的。3)本文研究的思路、方法和分析可為類(lèi)似條件下隧道工程的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)提供參考和借鑒。

[1]胡啟軍.巖溶隧道施工關(guān)鍵技術(shù)及其工程應(yīng)用[J].山西建筑,2009,35(27)：301-302.

[2]盧少偉,何 劍.巖溶隧道施工關(guān)鍵技術(shù)探討[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2009,106(3)：43-48.

[3]劉泉聲,白山云,肖春喜.基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的龍?zhí)端淼朗┕鷰r穩(wěn)定性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(10)：1982-1990.

[4]石宗峰.龍?zhí)短亻L(zhǎng)隧道施工方案設(shè)計(jì)[J].巖土力學(xué),2005,26(sup)：15-16.

[5]重慶交通科研設(shè)計(jì)院.宜都陸城至五峰漁洋關(guān)一級(jí)公路改建工程兩階段施工圖設(shè)計(jì)[Z].2008.

[6]李 寧,陳蘊(yùn)生,陳方方.地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)判方法新探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,25(9)：194.

Study on the stability of surrounding rock of Xiongdu tunnel

WAN Yao-fang ZHU Hong-yang

The research on the stability of wall rock willbe carried outduring the construction,as whole section excavation of karst tunnels,under com plex geological condition,through the on-site supervisionmeasure of vault settlement,stress of boltand numerical simulation in combination with the engineering practiceof Xiongdu tunnels.The research result indicates the feasibility of existing construction technology and retaining parameter adopted for faultzone of V-grade wall rock section of Xiongdu tunnels because of controllable wall rock distortion,strong retaining structure,safe storage and stable wall rock.

tunnel,supervisionmeasure,numerical simu lation,stability

U 456

A

1009-6825(2011)03-0168-03

2010-10-15

萬(wàn)堯方(1975-),男,工程師,宜都市公路管理段,湖北 宜都 443300

朱紅陽(yáng)(1968-),男,工程師,宜都市公路管理段,湖北 宜都 443300

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