泥石流堆积体隧道动态分部开挖工法优化研究

昝文博,钟宇健,唐琨杰,冯志华

(1.陕西工业职业技术学院土木工程学院,陕西 咸阳 712000; 2.长安大学公路学院,陕西 西安 710064; 3.河北省交通规划设计院,河北 石家庄 050011)

泥石流堆积体通常由砂砾、卵石和漂石组成,其间夹杂淤泥质粘土,结构极其松散,孔隙率大[1-3]。一般情况下,交通线路的选择应尽量避免穿越泥石流堆积体[4],但特殊条件下受高等级公路线形指标和地质条件的制约,隧道不可避免地穿越泥石流堆积体,而选择合理的开挖工法是保证泥石流堆积体隧道施工安全的前提。

目前许多学者对隧道穿越泥石流堆积区的加固措施和施工技术等开展了大量的研究工作,取得了一定的研究成果。朱正国等[5-6]依托兰渝铁路仓园隧道提出了地表帷幕注浆和洞内大管棚相结合的围岩加固措施,并采用三维数值模拟手段对围岩加固范围、合理施工方法及施工参数进行了优化;Xiao等[7-8]分析了泥石流堆积区隧道浅埋偏压段管棚受力和衬砌开裂机理,并对施工方案进行了对比分析;昝文博等[9-10]将隧道开挖引起的空间位移分为地表沉降、周边位移和掌子面挤出变形,得到了掌子面纵向影响范围约为20 m,地表沉降采用塞形曲线拟合度较高的结论。综合以上分析可知:既有穿越泥石流堆积体隧道工程实例较少,且已有的文献资料也鲜有关于开挖工法优化方面的研究报道,设计和施工技术仍然有待完善。

鉴于此,以国道318线林芝—拉萨段娘盖村隧道为工程背景,针对优化前和优化后的开挖工法分别建立精细的隧道动态分部开挖三维数值模型,对比分析优化后工法在隧道穿越泥石流堆积区时控制围岩变形和减小支护结构受力方面的优越性。

1 工程背景

1.1 工程概况

娘盖村隧道是国道318线林芝—拉萨段大断面一级公路隧道,设计时速为80 km/h,采取上下行分离式隧道设计,左、右线长度分别为510 m和545 m。整个隧道浅埋,暗挖段埋深在7～33 m,洞身段最小净距16 m。隧道位于尼洋河东侧二级阶地上,穿过尼洋河三级阶地及泥石流堆积区,地形起伏大;围岩弱胶结或无胶结,中密-密实结构,富含地下水,隧道暗挖部分基本都为密实漂卵石地层,属于Ⅴ级围岩。娘盖村隧道右线地质纵断面如图1所示。

图1 娘盖村隧道右线地质纵断面图Fig.1 Geological profile of Nianggai village right line tunnel

1.2 地层地质条件

图2 掌子面开挖揭露围岩状况Fig.2 Surrounding rock of tunnel face

2 开挖工法优化

2.1 优化工法的提出

三台阶七步开挖法因其施工安全效率高,且不需要临时支护,同时能够满足大型机械施工等优势在大断面隧道施工中得到了普遍应用。但是若要将其推广应用至泥石流堆积体隧道施工中,尚应结合堆积体围岩的特点进行适当改进,需要解决以下问题:(1)台阶数量必须保证侧壁及掌子面前方围岩的稳定;(2)台阶长度必须满足掌子面施工距离的要求,同时能够提供大型机械开挖必要的空间;(3)开挖工法与支护体系互相结合,解决锁脚锚杆(管)锚固性能不牢靠的问题。

鉴于三台阶七步开挖法在泥石流堆积体隧道施工中存在的以上问题,文献[12]中提出了一种三台阶互补循环式开挖方法。该方法中上台阶弧形导坑预留核心土;中台阶左右分幅错开施工,中部中拉槽;下台阶左右分开,中间为走道;中下台阶施工完成后及时进行渣料回填,稳固拱脚。其开挖示意图如图3所示。

图3 互补循环式开挖工法示意图Fig.3 Schematic diagram of complementary circulating excavation method

图3中数字代表开挖部位,1～9分别为上台阶弧形导坑、上台阶核心土、中台阶核心土、中台阶左开挖、中台阶右开挖、下台阶左开挖、下台阶右开挖、下台阶中间部位开挖、仰拱开挖;Ⅰ 代表弧形导坑支护,Ⅱ～Ⅴ 分别代表中台阶和下台阶左、右两侧对应的支护,Ⅵ 代表仰拱部分对应的支护。互补循环式开挖工法其特点在于实现了锁脚锚杆(管)与拱脚回填的优势互补,达到了不同开挖步骤中渣土回填的交替循环。

2.2 优化工法数值仿真

通过数值模拟实现开挖工法优化的关键在于施工阶段的模拟。根据前述优化的工法建立有限元数值模型进行对比,优化后模型建立在优化前模型的基础上,对施工步骤进行改变(见图4)。相比于优化前模型,将中台阶、下台阶分为3个部分(见图4(a))。开挖步骤详述如下:第2阶段开始进行上台阶环形区域开挖(见图4(b));第6阶段开始进行中台阶开挖以及上台阶核心土开挖(见图4(c));第7阶段开始中台阶右部回填(见图4(d));第8阶段开始进行中台阶左部回填(见图4(e));第16阶段开始进行下台阶开挖,并开挖中台阶左部、中台阶右部(见图4(f));第17阶段开始下台阶右部和左部回填(见图4(g));第26阶段开始仰拱的开挖与施做,同时开挖下台阶回填土(见图4(h))。

图4 优化后工法开挖步骤数值仿真Fig.4 Numerical simulation of optimized excavation procedure

3 优化开挖工法验证

3.1 围岩总体变形比较

优化前和优化后模型计算完成后,分别提取最终阶段的围岩竖向和水平位移云图,如图5、图6所示。由图5、图6可以看出:开挖工法优化前和优化后的拱顶沉降分别为26.8 mm和16.4 mm,优化后拱顶沉降减小了38.8%;优化前和优化后的周边围岩水平收敛分别为16.84 mm和10.7 mm,优化后水平收敛减小了36.5%;开挖工法优化前和优化后的仰拱隆起分别为45.6 mm和29.3 mm,优化后工法仰拱隆起减小了35.7%。相比三台阶七步开挖法,优化后的工法采用反压回填措施以保证拱脚部位的稳定,表明优化后的工法在控制围岩竖向位移和水平位移方面具有较大的优势。

图5 开挖工法优化前和优化后围岩竖向位移对比Fig.5 Comparison of the vertical movements of surrounding rock for the optimized and original excavation method

图6 开挖工法优化前和优化后围岩水平位移对比Fig.6 Comparison of the horizontal movements of surrounding rock for the optimized and original excavation method

3.2 地表沉降比较

开挖工法优化前和优化后的隧道地表区域沉降如图7所示。由图7可以看出:开挖工法优化前地表区域的沉降为7.25～20.1 mm,开挖工法优化后地表区域的沉降为4.98～11.2 mm,优化后的地表沉降最大值仅为原设计方法的60%左右。由此可见,优化后的工法对于控制地表沉降效果非常显著。

图7 开挖工法优化前和优化后地表区域沉降Fig.7 Surface settlement for the optimized and original excavation method

3.3 支护结构受力比较

提取隧道开挖完成后最终阶段的初期支护弯矩和锚杆轴力分别如图8、图9所示。由图8、图9可以看出:开挖工法优化前和优化后的隧道支护弯矩最大值分别为51 kN·m和37.9 kN·m,优化后隧道支护弯矩减小了25.7%;开挖工法优化前和优化后的锚杆轴力最大值分别为895 kN和539 kN,优化后隧道锚杆轴力减小了39.8%。

图8 开挖工法优化前和优化后初期支护弯矩Fig.8 Bending moment of supporting structure for the optimized and original excavation method

4 结论

(1) 针对三台阶七步开挖法在泥石流堆积区隧道开挖方面存在的不足,提出了三台阶互补循环式隧道开挖工法,其特点在于实现了锁脚锚杆与拱脚回填的优势互补,达到了不同开挖步骤中渣土回填的交替循环。

图9 开挖工法优化前和优化后锚杆轴力Fig.9 Axial force of bolt for the optimized and original excavation method

(2) 通过建立精细的优化前和优化后隧道动态分部开挖数值模型,对比分析验证了优化后工法在控制围岩总体变形、地表区域沉降以及支护结构受力等方面的显著优势。

(3) 相比三台阶七步开挖法,优化后工法的拱顶沉降和水平收敛分别减小了38.8%和36.5%;地表沉降最大值仅为原设计方法的60%左右;支护结构弯矩和锚杆轴力分别减少了25.7%和39.8%。