熊渡隧道围岩稳定性研究

万尧方 朱红阳

熊渡隧道围岩稳定性研究

万尧方 朱红阳

结合熊渡隧道的工程实践,通过拱顶沉降、锚杆应力的现场监控量测和数值计算工作,研究了复杂地质条件下岩溶隧道全断面爆破开挖时围岩的稳定性,研究结果表明,熊渡隧道Ⅴ级围岩段的破碎带采用现有的施工工艺和支护参数是可行的,围岩变形可控,支护结构的支护效果显著,围岩基本稳定。

隧道,监控量测,数值计算,稳定性

针对岩溶隧道的特点,前人研究认为岩溶隧道施工与一般隧道施工相比有三个方面特点,即超前地质预报技术、岩溶治理技术、监控量测及反馈施工技术,并称这三个方面的施工技术为岩溶隧道施工的关键技术[1-4]。

由于岩溶发育的因素错综复杂,发育的形态千姿百态,以及岩溶发育的不均衡性和不规则性,给岩溶隧道的设计、施工带来一系列困难,而对岩溶条件下隧道修建技术的研究,特别是溶蚀强烈、岩溶裂隙发育的破碎地层中隧道围岩的稳定性研究不多,可供借鉴的成熟经验也较少。本文通过查阅岩溶隧道的文献,通过数值计算和现场监控量测的手段研究复杂地质条件下岩溶隧道围岩的稳定性问题。研究的方法、分析和结论可为类似条件下隧道工程的设计、施工、监测提供参考和借鉴。

1 工程概况

熊渡隧道群位于熊渡电站西侧山坡上,北距陆城约 27 km,南距渔阳关镇约 30 km,熊渡隧道左右洞全长分别为 1 281m,1 275m,隧道以分离式为主,出口端呈小净距。

隧址区为构造侵蚀低山区,位于渔洋河峡谷左岸,隧道出口位于一近南北的沟谷北侧斜坡下段,坡高 288.40m,坡度 30°～50°。出口端主要地层岩性为寒武系上统三游洞组下段白云质灰岩,强～弱风化,岩性坚硬性脆。沿节理、裂隙岩溶现象明显,有溶洞、溶沟、溶槽等岩溶现象,多被地下水和红粘土充填,隧址区地下水较发育[5]。其中,隧道进口端断面 ZK 27+540附近钻孔揭示围岩破碎,溶蚀现象强烈,岩溶裂隙发育,围岩自稳能力差,极易发生坍塌、冒顶事故。断面 ZK27+540处隧道设计断面见图 1。

以断面 ZK 27+540为依托特开展围岩稳定性研究工作,其掌子面围岩情况如图 2所示。

2 施工概况

熊渡隧道采用新奥法设计和施工,钻爆破法开挖,隧道出口小净距段采用全断面法爆破开挖,光面爆破技术,单循环开挖进尺 2.5m,其爆孔布置如图 3所示。其中掌子面爆破开挖的爆破参数如表 1所示。

表1 爆破开挖参数表

初期支护在开挖后及时湿喷 8 cm厚混凝土,再挂 φ8单层钢筋网,架设 Ⅰ16b钢支撑,安设 φ25中空锚杆,然后分层复喷27 cm厚混凝土。系统锚杆为 φ25中空锚杆,长度 5m,环向间距1.2 m,纵向间距 1.2m,呈梅花形布置;钢支撑纵向间距均为1.2m。二次衬砌采用 C30模筑钢筋混凝土,厚度 35 cm。

3 数值计算

本数值计算选用了美国Itasca顾问有限公司开发的 FLAC 3D软件。该软件经国内外广大用户的使用,已证明其结果有充分的可靠性和合理性。为了分析围岩的稳定性,研究支护的效果,模型选取断面ZK 27+540为研究对象进行数值计算。此断面处隧道埋深大于 70m,平行左右隧道间距 45m,这里近似取左侧单洞进行研究。三维计算模型如图 4所示。

本次模拟严格按照真实的地质条件,选用 Mohr-Cou lomb强度准则进行计算,模拟施加初期支护后隧道围岩的变形及受力情况,计算所用围岩的物理力学参数如表 2所示。

表2 围岩物理力学参数表

锚杆计算参数如表3所示。

表3 锚杆参数表

钢支撑计算参数如表4所示。

表4 钢支撑参数

隧道开挖初期支护施加后,数值计算结果如图 5～图 9所示。

由图 5竖向位移的计算结果可以看出,隧道开挖施加初期支护后,竖向位移的变化情况比较简单、稳定,最大的沉降发生在拱顶部位,最大沉降值为-36.3mm,竖向最大位移为 42mm,发生在隧道底部。垂直位移云图表明,隧道开挖施加初期支护后垂直位移量较小,说明初期支护的支护效果显著。

由图 6,图 7的竖向应力云图和水平向应力云图的计算结果可以看出,隧道上部初期支护受竖向压应力作用,没有明显的拉应力区,初期支护结构所受压应力较小,其最大压应力仅为0.2MPa,远小于初期支护结构的支护抗力,支护结构具有足够的安全储备,满足围岩稳定的要求。隧道开挖施加初期支护后,水平向受拉应力区域主要集中在隧道四周,但拉应力值均较小,最大拉应力只有 77.1 kPa。

由图 8的围岩塑性变形的计算结果可以看出,隧道开挖施加初期支护后,围岩只有少量区域进入塑性变形区,且塑性变形区集中在两拱脚和两边墙位置。

由图 9的锚杆内力的计算结果可以看出,隧道开挖施加初期支护后,锚杆都不同程度的受拉,拉力值总体较小,最大拉力值为15.65 kN,远小于锚杆的抗拉强度,且受拉范围都大于水平向拉应力的作用范围,表明锚杆起到传递支护抗力的作用,支护效果显著。

4 现场监控量测

如文献[6]所示,隧道围岩变形及支护结构的受力状态是隧道稳定性的直接表现。因此,根据熊渡隧道的监控量测方案和隧道施工方式,在断面 ZK27+540上开展的围岩变形监测项目是拱顶沉降监测;在支护结构应力监测方面开展的是锚杆轴力监测工作。

其中,监测断面上的拱顶沉降监测点在初期支护施加后立即布设,锚杆轴力监测点分别布设在左右拱肩,编号为 M1,M 2,其中每个监测点布设 3个锚杆应力计,埋深距初支面的距离分别为 0.5m,1.0m和 3.5m。拱顶沉降监测结果如图 10所示。

由图 10的拱顶沉降监测结果可以看出,拱顶沉降—时间曲线图呈单调下降,但下降趋势逐渐趋缓,初期支护时间初期拱顶沉降量较大,前11次的平均沉降量近似为1mm,表明拱顶持续下沉;而后逐渐变小,35次以后拱顶沉降速率趋于 0mm,表明围岩在初期支护的作用下拱顶不再下沉,说明初期支护具有足够的强度阻止拱顶下沉,初期支护的支护效果显著,能够确保围岩稳定。

与如图 5所示的围岩位移云图相比可以看出,监测得到的拱顶沉降值要小于数值计算得到的结果,这是由于监测点是在初期支护施加后布设的,无法捕获拱顶的全部下沉,如爆破开挖瞬时卸荷引起的拱顶下沉和初期支护前拱顶下沉,而数值计算较好的反映了所有变形,所以数值较大。

锚杆轴力监测点M 1,M 2的监测结果如表 5所示。

表5 锚杆轴力监测结果

如表 5所示的锚杆监测结果表明,锚杆都不同程度的受拉,拉力值总体较小,最大值仅为 13.51 kN,远小于锚杆轴向抗拉强度,并且距离开挖轮廓线越近所受拉力越大,越远越小。同样,实际监测的拉力值要小于数值计算结果。

5 结语

总结以上的研究结果,可以得到如下结论：1)理论研究及工程实践证明,熊渡隧道岩溶破碎带区段采用现有的施工工艺和支护参数是可行的,围岩变形可控,基本稳定,支护结构受力普遍较小,具有足够的安全储备。2)熊渡隧道围岩稳定性研究表明,通过现场监控量测和数值计算相结合的手段研究岩溶破碎带地区围岩的稳定性是可行而有效的。3)本文研究的思路、方法和分析可为类似条件下隧道工程的设计、施工、监测提供参考和借鉴。

[1]胡启军.岩溶隧道施工关键技术及其工程应用[J].山西建筑,2009,35(27)：301-302.

[2]卢少伟,何 剑.岩溶隧道施工关键技术探讨[J].铁道工程学报,2009,106(3)：43-48.

[3]刘泉声,白山云,肖春喜.基于现场监控量测的龙潭隧道施工围岩稳定性研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(10)：1982-1990.

[4]石宗峰.龙潭特长隧道施工方案设计[J].岩土力学,2005,26(sup)：15-16.

[5]重庆交通科研设计院.宜都陆城至五峰渔洋关一级公路改建工程两阶段施工图设计[Z].2008.

[6]李 宁,陈蕴生,陈方方.地下洞室围岩稳定性评判方法新探讨[J].岩石力学与工程学报,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

万尧方(1975-),男,工程师,宜都市公路管理段,湖北 宜都 443300

朱红阳(1968-),男,工程师,宜都市公路管理段,湖北 宜都 443300

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