隧道泄水洞與連接通道交叉段不同工法施工力學效應分析

杜嘉軒,嚴松宏,2,孫緯宇,2,曹明星,楊 康

(1. 蘭州交通大學 土木工程學院,蘭州 730070;2. 蘭州交通大學 甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室,蘭州 730070)

近數年來,運營中的大量隧道出現了各種程度不同的病害問題,其中由于地下水引排不合理所引起的突涌水、翻漿冒泥等病害占到了70%[1-2]。泄水洞具有排水降壓功能[3-5],可以從根源上解決這一問題。連接通道與泄水洞交叉段是整個泄水洞施工體系中最為復雜的區段,其穩定性將直接影響到整體的施工安全性以及泄水洞與連接通道所構成的排水體系壽命,但國內對此的研究少之又少,故充分剖析交叉段的穩定性亟待解決。

周宗青等[6]對隧道突涌水機理進行了研究,提出了動力、卸荷、高壓水耦合作用下的破裂機制與充填體“變強度-變滲透性-變粘度”的滲透破壞機制;柏慶寶[7]針對泄水洞的交叉段施工提出了四種對比方案,最終確定了一種行之有效的施工方法;許懷[8]以龍鳳隧道泄水洞下穿既有隧道為背景,設計出一種“倒人字坡”構造,通過增加兩隧間凈巖柱厚度,保障了運營安全;針對交叉隧道安全評估問題已有學者展開研究[9],賈寶新等[10]利用FLAC3D軟件剖析了不同交叉角度下,交叉隧道的力學行為。雷萬雄等[11]提出了一種運營隧道泄水洞施工橫洞分區分段爆破開挖的施工工藝,解決了高強度圍巖中泄水洞開挖時擾動大、效率低以及高風險的問題。陳鈺[12]以小斷面暗挖泄水洞硬巖地層近接運營高速隧道為實例,對隧洞“周邊取芯+中部劈裂”技術在硬巖中的非爆破施工效果進行了深入研究。余安亮[13]以理論分析、現場監控和有限元模擬為研究手段,分析了泄水洞不同方向爆破開挖時對主隧道襯砌的振動影響。宋偉超等[14]提出隧道合理間距以相近隧道塑性應變區發生貫穿時的間距為準, 并借助有限元軟件加以輔證其可行性;趙志輝[15]建立計算模型結合機械效能確定泄水洞和隧道正洞的位置分布。

本文以隴海線下行1 588+836松樹灣隧道大修為背景,提出泄水洞與連接通道之間采用直角形過渡與圓弧形過渡兩種施工工法,結合數值模擬與現場監測,探討研究了不同工法施工過程中圍巖與結構的力學行為。最后基于分析,提出交叉段的施工采用圓弧平滑連接這一工法,為泄水洞的施工提供參考意義。

1 研究背景

1.1 工程概況

隴海線下行松樹灣隧道,屬于單線隧道,始建于1960年,隧道總長為2 224.3 m,泄水洞位于隧道外墻7 m處,縱向方向與松樹灣隧道縱向一致。目標區段正洞隧道埋深50 m,圍巖主要為黃土質砂黏土、黏土及粉質頁巖,隧道該區段地下水豐富,地表有黃土陷穴。由于隧道建成時間久遠,防排水設施已經出現破損,隧道發生了嚴重的滲漏水、在冬季會出現襯砌掛冰、隧道兩側形成冰柱的現象,現場隧道病害照片如圖1～2所示。

圖1 隧道滲漏水

圖2 襯砌掛冰

1.2 方案提出

在連續延伸的滲漏水病害嚴重區段的避車洞內向外開窗口,施作連接通道,在距隧道邊墻一定距離處,修建與正洞縱向方向一致的泄水洞,且沿縱向在泄水洞上方與下方均設置一定數量的斜向引水潛孔,將隧道正洞上部以及基床下部的水引流至泄水洞中,并在蓄水池中匯集,當蓄水池中的水蓄積到一定高度后,自動觸發自吸泵,將水吸到正洞的排水溝中,從而將隧道上方與下方的水全部由正洞的排水系統排出。

本研究提出泄水洞與連接通道之間采用直角形過渡與圓弧形過渡兩種施工工法,兩種工法交叉段鋼拱架布置示意圖如圖3所示。

圖3 兩種工法交叉段鋼架支護示意圖

2 有限元數值模型

2.1 模型建立

泄水洞斷面尺寸為3.0 m×3.5 m,連接通道斷面尺寸為3.0 m×3.0 m,支護方式采用鋼架混凝土支護,泄水洞端頭墻為厚30 cm鋼拱架混凝土。正洞斷面為馬蹄形,尺寸為5.20 m×8.40 m(寬×高),采用MIDAS GTS NX建立泄水洞與連接通道的三維有限元模型。土體單元采用實體單元,鋼拱架采用梁單元,襯砌結構采用板單元,模型尺寸選取50 m×40 m×70 m,上部土體自重采用等效荷載代替,圓弧形過渡施工模型共有20 540個單元,11 218個節點,直角形過渡施工模型共有27 026個單元,14 395個節點。圓弧形施工工法的三維有限元模型如圖4所示,圍巖參數與襯砌支護參數如表1所列。

表1 圍巖參數及支護參數表

圖4 三維有限元模型

2.2 現場監測

現場修建泄水洞時,交叉段采用圓弧平滑連接。連接通道與泄水洞施工的工程量較小,且現場施工注重對既有隧道正洞襯砌的影響,故現場監測點安裝在距離鑿巖窗口向大里程方向5.5 m、離地1.5 m處,監測內容為正洞襯砌的環向應變。

為了驗證有限元模型的有效性,采用本文中方法建立數值模型,將監測時間與數值模擬施工步對應后,測點的現場監測數據與數值計算對比如圖5所示。

圖5 測點現場數據與數值計算對比

該點的環形應變值,數值計算整體略大于現場監測數據,從圖中可以看出,現場監測數據具有一定的離散性,在泄水洞初建時有較大的波動,這是因為連接通道與泄水洞開挖時需要架立豎向支撐和拱架等工作,交叉段的各榀鋼架施作時間與開挖工作量存在差異;現場監測數據的回歸曲線與數值模擬曲線,隨著施工進度的推進,兩者趨于吻合,其中曲線拐點是因為施工方向的改變和泄水洞施工掌子面與測點所在斷面重合。監測點環向應變穩定時,監測數據為6.226 36E-05,數值計算為6.489 97E-05,略高于監測數據,誤差在5%以內。通過以上分析,驗證了本文數值模型方法的有效性。

3 兩種工法數值模擬結果對比

3.1 交叉段混凝土襯砌變形分析

襯砌變形圖如圖6所示。

圖6 襯砌豎向沉降圖

由襯砌豎向變形分析可知,襯砌具有向中心收縮變形的趨勢,兩種施工工法所引起的變形均不大,均控制在毫米級。對于圓弧形襯砌,最不利位置是交叉段起始斷面與結束斷面中的整個拱頂與地板部分;對于直角形襯砌,過渡段的整個頂面襯砌和整個底板均屬于最不利位置,這是由于襯砌在空間中具有棱角與棱邊的構造,易出現應力集中。

兩種工法下交叉段起始斷面和結束斷面處拱頂與底板中心處襯砌變形曲線如圖7～8所示,變形量如表2～3所列。

表2 交叉段起始斷面中拱頂與底板中心變形量表

圖7 交叉段起始斷面中拱頂與底板中心變形圖

綜合圖7、表2可知,對于交叉段起始斷面處拱頂、底板中心位置,在掌子面開挖至交叉段起始斷面與結束斷面瞬時,會發生較大的變形,之后趨于穩定。開挖至交叉段起始、結束斷面時,圓弧形過渡拱頂沉降為6.16E-02 mm、1.89E-01 mm占總體沉降2.01E-01 mm的30.65%,94.03%,底板隆起為9.30E-02 mm、2.23E-01 mm占底板隆起總量2.45E-01 mm的37.96%、91.02%;直角形過渡拱頂沉降為4.68E-02 mm、2.12E-01 mm占總體沉降2.59E-01 mm的18.07%、81.85%,底板隆起為8.49E-02 mm、2.91E-01 mm占底板隆起總量3.30E-01 mm的25.73%、88.18%。兩種工法下,交叉段起始斷面處拱頂與底板中心的襯砌變形均在泄水洞開挖3～5 m后趨于穩定,可知采用直角連接下的交叉段施工襯砌的變形總量更大,且交叉段施工變形占總變形的比例小于采用圓弧平滑連接時的占比,說明采用圓弧過渡的襯砌變形范圍更小,而直角連接時襯砌的變形范圍更大,故采用直角連接時交叉段產生的施工擾動較大。

綜合圖8、表3可知,對于交叉段結束斷面處的拱頂、底板中心位置,當開挖至交叉段起始斷面時,襯砌變形不大,開挖至結束斷面時,變形大幅度增加,之后趨于穩定。對于圓弧平滑連接,拱頂沉降分別為8.04E-03 mm、9.05E-02 mm占總體沉降1.78E-01 mm的4.52%、50.84%,底板隆起為1.08E-02 mm、8.84E-02 mm占底板隆起總量2.11E-01 mm的5.12%、41.90%;對于直角形連接,拱頂沉降分別為1.52E-02 mm、1.27E-01 mm占總體沉降2.99E-01 mm的5.08%、42.47%,底板隆起為5.67E-03 mm、1.13E-01 mm占底板隆起總量3.35E-01 mm的1.69%、33.73%。兩種工法下交叉段結束斷面處拱頂與底板中心襯砌,均是在交叉段開始施工時發生擾動,當泄水洞開挖5～7 m后,變形趨于穩定。

表3 交叉段結束斷面中拱頂與底板中心變形量表

圖8 交叉段結束斷面中拱頂與底板中心變形圖

交叉段拱頂中心與底板中心處的位移變形如圖9所示。

圖9 交叉段拱頂、底板中心處的位移變形圖

圓弧平滑連接的襯砌中心處的豎向收斂為2.60E-1 mm,直角形連接的襯砌中心處的豎向收斂為5.27E-1 mm,故采用直角形連接時相對容易出現豎向支撐的壓彎失穩現象,采用圓弧平滑連接時穩定性較好。

3.2 交叉段鋼拱架內力分析

兩種工法下,交叉段鋼拱架內力如圖10～12所示。

圖10 交叉段鋼拱架軸力圖

圖11 交叉段鋼拱架水平剪力圖

圖12 交叉段鋼拱架彎矩圖

對鋼拱架內力進行分析可知:兩種工法下交叉段的鋼拱架均處于受壓狀態,直角連接時所受的軸力略大于圓弧平滑連接,故在水平方向發生相同的位移時,直角連接的交叉段鋼拱架平面內穩定性較低;剪力方面,采用直角連接是采用圓弧平滑連接的3.5～6倍;彎矩方面,兩者在第一榀拱架的右拱腳相差較大,直角連接是圓弧平滑連接的2～3倍,其余拱架所承受的彎矩相當。另外在兩種工法下,鋼拱架最不利位置均為共用鋼段的腳部位置。

鋼架在交叉段起始斷面右拱腳、共用鋼段腳部位置以及交叉段結束斷面右拱腳的彎曲應力變化曲線如圖13～15所示。

圖13 交叉段起始斷面右拱腳彎曲應力圖

圖14 共用鋼段腳部位置彎曲應力圖

圖15 交叉段結束斷面右拱腳彎曲應力圖

交叉段起始斷面右拱腳的彎曲應力,兩種工法在拱架架立完成時,均會產生大于最終穩定時的彎曲應力,其中圓弧平滑連接為1.50 MPa,直角連接為1.20 MPa,交叉段施工時,采用圓弧平滑連接,拱腳所受的彎曲應力變化不大,略有波動,當結束斷面的拱架施作完成后趨于穩定,最終所受的彎曲應力為1.51 MPa,而采用直角連接時,交叉段施工會使拱腳的彎曲應力產生較大的變化,出現了先線性減小后增加的現象,最終穩定時的彎曲應力為0.935 MPa。兩種工法下的共用鋼段腳部位置的彎曲應力,在交叉段起始斷面的拱架施作后與結束斷面的拱架施作后均產生了較大的突變,說明這兩斷面的施工會影響該拱腳的穩定性,該拱腳最終穩定時的彎曲應力,當采用圓弧平滑連接時為11.40 MPa,采用直角連接時為2.79 MPa。交叉段結束斷面右拱腳點的彎曲應力,兩種工法均是在泄水洞施工推進4～6 m后趨于穩定,采用圓弧平滑連接的彎曲應力為3.0 MPa左右,采用直角連接的彎曲應力為4.5 MPa左右。從以上分析可知,交叉段起始斷面右拱腳、共用鋼段拱腳的彎曲應力,采用圓弧平滑連接略大于直角連接,故鋼材的利用率較大。

通過對交叉段不同工法施工中圍巖與結構的力學響應的對比分析,可知,在連接通道與泄水洞處采用圓弧平滑連接優于直角連接,故認為現場泄水洞與連接通道的交叉段施工應采用圓弧平滑連接。

4 結論

本文以松樹灣隧道大修為工程研究背景,研究分析交叉段的不同工法對支護與圍巖變形的影響,得出了以下結論:

1) 監測點環向應變的現場數據與數值計算結果隨著施工進度的推進趨于吻合,誤差在5%以內,驗證了數值模型的可靠性。

2) 兩種施工工法下,襯砌在交叉段的起始斷面與結束斷面均會發生較大的變形,對于直角式過渡的最不利位置是整個交叉段襯砌的拱頂與底板,而圓弧平滑過渡的最不利位置是交叉段起始斷面與結束斷面的拱頂和底板。

3) 采用直角連接時,襯砌構造在空間上存在棱角和棱邊,因此會出現多處應力集中現象;而采用圓弧平滑連接,應力集中現象會減弱,且交叉段鋼拱架的豎向支撐穩定性優于直角連接。

4) 直角連接的水平剪力是圓弧平滑連接的3.5～6倍,第一榀拱架的右拱腳處的彎矩,兩者相差2～3倍,故建議現場施工時采用圓弧平滑過渡。