某隧道塌方段支護變更設計及其安全驗核

(福建省交通規劃設計院，福州 350004)

某隧道塌方段支護變更設計及其安全驗核

■馮希林

(福建省交通規劃設計院，福州 350004)

對某在建隧道塌方段進行現場調查，認為原支護設計不能滿足強度要求，并提出Z5-2復合襯砌結構支護的變更方案。基于荷載-結構法和泰沙基理論，利用MIDAS-GTS軟件對Z5-2襯砌支護結構進行塌方后隧道圍巖壓力計算模型模擬分析，驗核各測點安全系數是否滿足現行規范要求，結果可為類似隧道問題提供借鑒。

塌方 泰沙基理論 荷載-結構法 襯砌支護 變更設計

1 工程概況

某在建隧道全長2613.5m，為分離式雙洞四車道。其中左洞全長2627m，右洞全長2627m。左右洞進口段分別位于半徑為R=1196.5m、R=1203.5m的平面曲線內，左右洞出口分別位于半徑為R=596.5m、R=590m的平面曲線內。

該隧道開挖至YK45+028附近時發生塌方，坍塌體里程為Y45+028～YK45+030，坍塌段拱頂地表形成一個約5m×5m的近似圓形陷穴，地表坍塌中心位于隧中側左的位置，坍塌底部最深處離原地表約為3m。塌方體長度約為2m，坍腔高度約為28.61～29.55m。選取典型斷面，即塌方段樁號YK45+028處縱斷面，該段距右洞出口約167m，如圖1所示。

圖1 塌方段縱斷面示意圖

由于該塌方段地質為Ⅴ級圍巖，原設計襯砌形式為Z5。但由于塌方引起圍巖擾動[1]，因此需對原有襯砌形式進行變更設計。

2 襯砌形式變更設計

2.1 塌方段現場處置方案

首先加強現場監控量測，對于塌方體后方的初期支護應進行臨時加固，每榀鋼支撐用1根工25b型鋼作為臨時豎撐，并加強縱橫向豎撐之間的連結，保證臨時豎撐的整體受力，臨時豎撐應做好基礎和原鋼支撐的連接，以確保塌方處理人員的施工安全。用沙包對塌方體坡腳進行反壓回填，然后在其表面噴一層20cm厚的C25早強混凝土將塌方體封閉，且根據具體情況在塌方體上設置平孔排水，然后在塌方體表面打入Φ50mm長 5m的小導管[2-3]，梅花形布設，間距為100cm×100cm，如圖2。加壓注漿以固結塌方體保證洞內塌方體的穩定。

圖2 注漿孔布置圖(單位：cm)

2.2塌方段襯砌形式變更方案

根據 《公路隧道設計規范》(JTG D70-2004)、《公路隧道設計細則》(JTG/T D70-2010)、《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)并結合現場實際情況，需改變強化塌方段落的支護結構[4,5]。具體方案為：超前支護采用F2-2型雙層小導管注漿，復合式襯砌支護由原設計的Z5型改為Z5-2型，其中工20b鋼支撐間距為0.5m，二襯施工前要對初支內腔進行測量，并判斷初支內輪廓是否侵入二襯。Z5-2襯砌結構形式如圖3所示。

3 計算參數及荷載

3.1 圍巖及襯砌力學參數

隧道圍巖及Z5-2復合襯砌結構力學參數見表1及表2所示。

3.2 圍巖壓力計算

隧道塌方段位于V級深埋段，埋深34m，考慮隧道預留變形量，開挖跨度為Bt=12.42m，開挖高度Ht=10.44m。設計荷載根據 《公路隧道設計細則》(JTG/T D70-2010)深埋單洞隧道圍巖壓力經驗公式計算，計算模型如圖4。

圖3 Z5-2復合式襯砌結構圖(單位：cm)

表1 V圍巖計算物理力學參數表

表2 Z5-2支護力學參數表

圖4 深埋隧道圍巖壓力

由于隧道頂塌方冒頂形成的寬約2.5m塌方體可視為散粒體，采用K·泰沙基理論[6]近似計算塌方體土柱對隧道產生的附加荷載，K值取為1.25，不考慮散粒體粘聚力和圍巖內摩擦角，簡化計算圖示如圖5，最終圍巖壓力如圖6所示。

圖5 塌方體附加荷載簡化計算圖示(單位：m)

圖6 最終圍巖壓力圖示

4 襯砌支護數值模擬

4.1 有限元計算模型

本次計算基于荷載-結構法[7,8]，采用MIDAS-GTS有限元分析軟件進行數值模擬計算。計算內容包括初支與二砌，采用梁單位模擬襯砌結構，圍巖對襯砌結構的作用采用彈性連接(受壓)單元模擬。初支及襯砌有限元模型如圖7。

圖7 有限元計算模型

4.2 初支計算結果

根據《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)對每個單元進行驗算，采用綜合安全系數法，其中最不利位置位于拱頂4號節點處，其軸力為1310.7kN，彎矩為129.18kN·m，位移值為13.1mm，安全系數為 1.67，滿足規范要求。驗算施工階段的強度時，安全系數采用上述規范“永久荷載+基本可變荷載+其它可變荷載”欄內的數值乘以折減系數0.9，得出其安全系數應大于1.53。初支計算軸力圖、彎矩圖及位移如圖8所示，驗算數值如表3。

圖8 初支模擬計算結果

表3 初支內力及安全系數驗算表

4.3 二襯計算結果

根據《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)對每個單元進行驗算，采用綜合安全系數法，其中最不利位置位于拱頂 4號節點處，軸力為 899.04kN，彎矩為415.04kN·m，位移為8.6mm，安全系數為2.56，滿足《公路隧道設計規范》(JTG D70-2004)中安全系數應大于2.0的要求。模擬計算結果如圖9所示，驗算數值如表4所示。

圖9 二襯模擬計算結果

表4 二襯內力及安全系數驗算表

4.4 計算結果分析

利用MIDAS-GTS有限元分析軟件進行數值模擬計算，計算初支及二襯的軸力，彎矩及位移，按照相關設計規范，安全系數驗算均滿足要求。即使在最不利位置即拱頂4號節點處，其安全系數最小，但仍能滿足要求，證明Z5-2復合襯砌支護的強度達到規范要求，變更設計方案可行。

5 結論

通過對某隧道塌方原因分析，并提出現場處置方案，需要對支護形式進行變更設計。根據結構-荷載法和泰沙基理論，并利用MIDAS-GTS有限元軟件，對變更設計方案進行數值模擬，計算隧道各節點相關數值，并驗算安全系數。證明Z5-2復合襯砌結構能夠滿足規范要求，對塌方段可以進行可靠有效支撐，該襯砌支護結構可為類似隧道提供經驗和參考。

[1]范志新.隧道塌方處理技術研究[J].交通世界(建養.機械),2016,03: 78-79.

[2]張延峰.長管棚配合小導管輔助施工方法在隧道塌方處理中的應用[J].公路交通技術,2016,04:1-5.

[3]徐利鋒.小導管超前注漿在整治隧道塌方施工中的應用[J].福建建設科技,2001,04:29-30.

[4]周澤林,陳壽根,張海生,李巖松.高地應力軟巖隧洞襯砌結構受力及強度安全系數研究[J].工業建筑,2014,12:95-101.

[5]蘇凱,向前,李萬軍.官地水電站右岸施工導流洞進口塌方段襯砌結構安全[J].武漢大學學報(工學版),2012,03:290-295+300.

[6]秦建設,呂國君.太沙基隧道松動土壓力研究[J].施工技術,2007,36 (Z1):390-392.

[7]李煒姝,許純.基于荷載-結構法的電纜隧道襯砌結構數值分析[J].價值工程,2011,34:40-41.

[8]牛澤林,張松濤,吳煥通,代亞雷,韓偉輝.基于荷載-結構模型的隧道襯砌結構可靠性設計與研究[J].現代隧道技術,2014,02:90-94.