藍(lán)家隧道施工方案研究

史大為 (山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)陽(yáng)泉有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

0 前言

近年來(lái)，隨著我國(guó)高新技術(shù)的不斷突破，我國(guó)的隧道、公路取得了蓬勃的發(fā)展和輝煌的成績(jī)，截止2019年底，我國(guó)是世界上隧道數(shù)量最多、地質(zhì)狀況最復(fù)雜、建設(shè)速度最快的國(guó)家[1]。但在我國(guó)西部山區(qū)的高地應(yīng)力軟巖地層區(qū)域，當(dāng)要在區(qū)域中建設(shè)隧道時(shí)，隧道塌方等事故頻發(fā)，嚴(yán)重拖延了工期、影響了施工安全，增加了建造成本。藍(lán)家隧道位于四川省阿貝爾州，是汶川地震后重點(diǎn)重建項(xiàng)目之一，是打通茂縣和綿竹的關(guān)鍵性隧道，總長(zhǎng)8.149 km，埋深1.78 km，其中地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，全線以千枚巖為主，且因地質(zhì)構(gòu)造的強(qiáng)烈作用，隧道區(qū)內(nèi)皺褶和斷層發(fā)育較多。在工程前期勘察階段，通過(guò)使用水壓致裂等地應(yīng)力測(cè)試的方法，得到隧道區(qū)內(nèi)主要以高地應(yīng)力為主，表明在施工過(guò)程中，隧道會(huì)有較高大變形的風(fēng)險(xiǎn)，故對(duì)藍(lán)家隧道建造的研究具有重大的實(shí)際意義。

1 隧道初始地應(yīng)力場(chǎng)的模擬分析

1.1 隧道模型的創(chuàng)建

為提高ANSYS軟件的計(jì)算精度，減少邊界對(duì)模擬分析的影響，創(chuàng)建的三維模型需包含整個(gè)施工區(qū)域，且適當(dāng)加大邊界。依據(jù)勘探資料，根據(jù)山體走向、地質(zhì)及施工區(qū)域地貌狀況等，施工區(qū)范圍取長(zhǎng)×寬×高=8100m×1147m×100 m。

1.2 模型網(wǎng)格劃分和邊界條件的施加

為了優(yōu)化計(jì)算，針對(duì)地層分界面與隧道軸線相垂直的地層，采用六面體的網(wǎng)格劃分原則，其余地層則采用四面體的網(wǎng)格劃分原則[2]。

一般情況下，初始地應(yīng)力場(chǎng)主要包含自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，常把自重應(yīng)力場(chǎng)、擠壓構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、剪切變形構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等因素作為模擬巖層自重和構(gòu)造力作用的基本因素[3]，但現(xiàn)場(chǎng)水壓致裂法結(jié)果表明，在垂直平面內(nèi)，沒(méi)有剪切應(yīng)力，故本文僅選取自重應(yīng)力、擠壓構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、水平面剪切變形構(gòu)造運(yùn)動(dòng)為模擬計(jì)算的的基本因素。針對(duì)基本因素，對(duì)各邊界和面施加相應(yīng)約束條件。

1.3 初始地應(yīng)力場(chǎng)的ANSYS模擬分析

將模型導(dǎo)入ANSYS中，輸入各地層圍巖的力學(xué)性能參數(shù)，如表1所示，通過(guò)ANSYS的數(shù)值模擬，得到了在自重應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)下Y方向的應(yīng)力云圖，如圖1所示。然后使用軟件模擬不同的工況（自重應(yīng)力場(chǎng)、擠壓構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、剪切變形構(gòu)造運(yùn)動(dòng)），得到了不同鉆孔不同深度的X軸、Y軸、Z軸、XZ的應(yīng)力云圖，應(yīng)用多元線性回歸分析方法分析不同工況下的各鉆孔的應(yīng)力值[4]，通過(guò)計(jì)算，得到了藍(lán)家隧道初始地應(yīng)力場(chǎng)的回歸方程，繪制出如2圖所示的主應(yīng)力分布圖。

圖1 自重應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)下Y方向的應(yīng)力云圖

圖2 隧道主應(yīng)力分布圖

由圖可知，隧道軸線處主應(yīng)力分布有如下特征：①隨著埋深的增加，各方向的主應(yīng)力逐漸增大；②最大主應(yīng)力大于最小主應(yīng)力，最小主應(yīng)力大于垂直主應(yīng)力，說(shuō)明施工區(qū)內(nèi)初始主應(yīng)力場(chǎng)主要以水平構(gòu)造力為主；③隧道軸線處大部分區(qū)域的主應(yīng)力都大于20MPa，表明該隧道初始應(yīng)力為高應(yīng)力場(chǎng)。

圍巖力學(xué)性能參數(shù)表 表1

2 高地應(yīng)力隧道管棚支護(hù)研究

管棚支護(hù)作為隧道超前支護(hù)的方法之一，具有安全高效、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，是預(yù)防隧道塌方最常用有效輔助措施，被廣泛應(yīng)用于隧道淺埋段、斷層破碎帶、裂隙發(fā)育帶等特殊地質(zhì)的地層[5]。本文以藍(lán)家隧道的K49+205斷面處的管棚支護(hù)為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)研究相關(guān)參數(shù)對(duì)支護(hù)的影響。

巖石力學(xué)性能參數(shù)表 表2

2.1 藍(lán)家隧道管棚支護(hù)概況

在施工前期勘探過(guò)程中，使用水壓致裂法對(duì)K49+205斷面進(jìn)行實(shí)地探測(cè)，測(cè)點(diǎn)埋深820m，巖層巖性主要為千枚巖，測(cè)得初始地應(yīng)力在豎直方向是30.93 MPa、與軸線水平方向是25.48 MPa、與軸線垂直方向是28.57MPa，斷層處的巖石力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

測(cè)量結(jié)果表明，K49+205斷面處的初始地應(yīng)力為高地應(yīng)力場(chǎng)，且圍巖的彈性模量、粘聚力等力學(xué)參數(shù)都偏小，表明此處隧道極易發(fā)生大變形或塌方事故。

2.2 藍(lán)家隧道管棚支護(hù)模型的創(chuàng)建

為便于建模分析，假設(shè)斷面處的圍巖是均質(zhì)的，忽略巖石的蠕動(dòng)性和地下水等因素的影響，模型尺寸長(zhǎng)×寬×高=87.5m×87.5m×52.5m，使用M idas軟件創(chuàng)建支護(hù)模型，并將其導(dǎo)入FLAC 3D軟件中，如圖3所示，定義模型上表面為自由邊界，側(cè)面和底面方向僅有法向位移。

圖3 隧道支護(hù)模型

圖4 管棚豎直方向變形量隨布設(shè)范圍的變化規(guī)律

2.3 模擬方案及結(jié)果分析

影響管棚支護(hù)的主要因素有：布設(shè)范圍、環(huán)向間距、注漿厚度、長(zhǎng)度、直徑和外插角度等。本文主要研究管棚支護(hù)的布設(shè)范圍對(duì)支護(hù)效果的影響，當(dāng)其余影響參數(shù)一定的情況下，預(yù)設(shè)布設(shè)范圍在90°～180°的范圍內(nèi)按 10°均布，通過(guò)FLAC 3D模擬計(jì)算，匯總分析計(jì)算結(jié)果，繪制如4圖所示的不同布設(shè)范圍下管棚豎直方向變形量隨管棚長(zhǎng)度的變化規(guī)律。

由圖4可知，當(dāng)布設(shè)范圍一定時(shí)，管棚長(zhǎng)度越長(zhǎng)，變形量越大；當(dāng)管棚長(zhǎng)度一定時(shí)，布設(shè)范圍越大，變形量越小。

3 藍(lán)家隧道的開(kāi)挖方法的選擇

實(shí)踐證明，高地應(yīng)力軟巖隧道的開(kāi)挖工法也能引起隧道的大變形，進(jìn)而影響隧道的穩(wěn)定性。查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料[6]，高地應(yīng)力軟巖隧道的開(kāi)挖工法主要有臺(tái)階法、側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法等，而臺(tái)階法以適應(yīng)性強(qiáng)、安全經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)成為了軟巖隧道開(kāi)挖的最主要施工方法。

3.1 臺(tái)階法模型的創(chuàng)建

查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料[7-8]，綜合評(píng)比臺(tái)階法中各施工法特點(diǎn)、難易程度、技術(shù)可行性、施工進(jìn)度及經(jīng)濟(jì)性，選用以下3種臺(tái)階法作模擬對(duì)象，即上下臺(tái)階法、上下臺(tái)階留核心土法和三臺(tái)階法。

以K49+205斷面處的巖層為研究對(duì)象，利用M idas創(chuàng)建3種臺(tái)階工法模型，并將其導(dǎo)入FLAC3D中，如圖5所示，管棚支護(hù)的參數(shù)如表3所示。

圖5 臺(tái)階法模擬模型

3.2 臺(tái)階法FLAC 3D的模擬分析

經(jīng)過(guò)FLAC 3D數(shù)值模擬后，得到了如圖6所示的隧道圍巖塑形變形特性，由圖6可知，上下臺(tái)階法的塑形變形區(qū)域大于上下臺(tái)階預(yù)留核心土法的塑形變形區(qū)域，而上下臺(tái)階預(yù)留核心土法的塑形變形區(qū)域大于三臺(tái)階法的塑性變形區(qū)域，故藍(lán)家隧道較優(yōu)的施工法為三臺(tái)階法。

圖6 隧道圍巖的塑性變形圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文依據(jù)藍(lán)家隧道現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際狀況，通過(guò)創(chuàng)建隧道模型，經(jīng)過(guò)FLAC 3D和ANSYSA模擬分析，主要得出以下結(jié)論：

①隧道埋深越深，隧道支護(hù)受到的應(yīng)力值越大；

②當(dāng)其余因素一定時(shí)，布設(shè)范圍越大，隧道豎直方向相對(duì)變形量越小；

③基于藍(lán)家隧道K49+205斷面處實(shí)際狀況，通過(guò)模擬分析，得出了三臺(tái)階法是較優(yōu)的施工法。