侵入岩蚀变带地层隧道初期支护结构设计参数优化

伍容兵, 罗胜利, 张志强

(1.中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司,云南昆明 650000;2.西南交通大学土木工程学院,四川成都 610000)

0 引言

随着我国经济建设的蓬勃发展,对于交通基础设施建设的需求在不断增加。在隧道工程穿越复杂不良地层环境时,高地应力条件下软弱围岩容易发生大变形,随之出现的诸如钢架扭曲、衬砌开裂等问题,严重影响到了隧道施工进程和安全。

国内外学者针对高地应力条件下软岩隧道开挖过程中的支护问题,开展了较为系统的研究工作,并取得了一定成果。田四明等[1]人针对极高地应力环境作用隧道支护结构力学特征开展研究,并提出了主动支护设计方法。周峰等[2]基于宜巴高速公路峡口隧道,运用有限元模拟,分析了高地应力软岩公路隧道衬砌的最佳支护时期。刘喆[3]探讨了高地应力软岩大变形隧道支护的主要形式,通过能量法理论,验证了分层支护和让压支护的设计合理性。

尽管与支护体系的相关研究已有较多[4-5],但仍需要进一步开展研究,以满足高地应力软弱围岩隧道普适化的结构设计。为此,本文以中老铁路安定隧道为例,采用FLAC3D三维有限差分软件进行数值模拟计算,研究不同支护结构参数对于围岩控制和结构状态的影响程度,确定合适的初期支护结构参数,以期为类似工程支护优化提供参考。

1 工程概况及模型建立

安定隧道全长17 476 m,为单洞双线隧道。隧隧道最大埋深约880 m,局部具有高地应力,并且Ⅳ、Ⅴ级围岩段落占隧道长度的80%,掌子面溜塌、围岩变形侵占衬砌净空频繁发生,特别是在里程DK136～ DK138(埋深约700 m)蚀变带橄榄岩地段隧道围岩最大变形约100 cm,严重影响了隧道施工进程及安全。

在建立围岩—结构模型时,结构参数按Ⅴ级围岩段落隧道结构设计方案为依据确定。为降低模型边界效应的影响,隧道距离左右、上下边界的距离均为50 m,通过施加表面荷载的方式模拟隧道所处的极高地应力环境。采用三台阶法进行开挖模拟,模型及隧道开挖方式如图1所示模拟中地层参数按铁路隧道设计规范的推荐范围进行选取,计算中设置V级围岩条件,围岩、初支和注浆加固区域均采用6面体的单元进行模拟,锚杆采用结构单元(pile单元),钢拱架的作用采用等效的方法考虑到初期支护中。模型地应力根据实测值设置。模拟参数如表1和表2所示。

表1 V级围岩参数

表2 地应力条件 单位:MPa

图1 三维整体计算模型

2 计算工况设置

针对高地应力软岩隧道的围岩变形规律,结合安定隧道 段地应力条件以及选用的施工方法,考虑采用初期支护强度等级、初期支护厚度、钢架间距、锚杆长度、锚杆布置方式,来探究各种支护参数对围岩及结构稳定性的控制效果。工况设置以及支护参数如表3、表4所示。

表3 工况设置

表4 主要支护参数

3 计算结果分析

3.1 初期支护强度等级

统计不同初期支护强度等级下各模型Z=35 m断面最终拱顶沉降以及最终边墙水平收敛监测结果,以评价隧道围岩稳定性,如图2所示。

图2 Z=35m断面监测结果(初期支护强度等级为C20、C35)

由图3可知,不同初期支护强度等级下围岩位移发展趋势基本一致,仰拱隆起值均大于拱顶沉降值,左边墙水平收敛值均大于右边墙。提取出不同初期支护强度等级下最终拱顶沉降以及最终边墙水平收敛值绘制出折线图分析变化趋势(图3)。随着初期支护强度等级增大,拱顶沉降值减少值分别为11.4 mm、3.4 mm、2.9 mm,左边墙水平收敛值减小分别为10.7 mm、4.2 mm、1.5 mm,说明增大初期支护强度等级对提高围岩稳定性具有一定效果。当初期支护强度等级大于C25后,拱顶沉降值和边墙水平收敛值变化曲线趋于平缓,其提高作用减弱。考虑不同初期支护强度等级对围岩位移和工程造价影响,初期支护强度等级为C25时最佳。

图3 不同初期支护强度等级下围岩位移

3.2 初期支护厚度影响分析

统计不同初期支护厚度下各模型Z=35 m断面最终拱顶沉降以及最终边墙水平收敛监测结果,以评价隧道围岩稳定性,如图4、图5所示。

图4 不同初期支护厚度隧道模型

图5 Z=35m断面监测结果(初期支护厚度为20cm、55cm)

由图5可知,不同初支厚度下围岩位移发展趋势基本一致,仰拱隆起值均大于拱顶沉降值,左边墙水平收敛值均大于右边墙。提取出不同初支厚度下最终拱顶沉降以及最终边墙水平收敛值绘制出折线图分析变化趋势,如图6所示。随着初支厚度的增大,拱顶沉降值减少值分别为14.9 mm、8.3 mm、3.6 mm,左边墙水平收敛值减小分别为19.2 mm、9.8 mm、3.7 mm,说明增大初支厚度对提高围岩稳定性具有一定的效果。当初支厚度大于40 cm后,拱顶沉降值和边墙水平收敛值变化曲线趋于平缓,其提高作用减弱。考虑不同初支厚度对围岩位移和工程造价的影响,初支厚度为40 cm 时效果最佳。

图6 不同初期支护厚度最终拱顶沉降以及最终边墙水平收敛

3.3 钢拱架间距影响分析

统计不同钢架间距下各模型Z=35m断面最终拱顶沉降以及最终边墙水平收敛监测结果,以评价隧道围岩稳定性,如图7所示。

图7 不同钢架间距隧道模型

由图8可知,不同钢架间距下围岩位移发展趋势基本一致,仰拱隆起值均大于拱顶沉降值,左边墙水平收敛值均大于右边墙。提取出不同钢架间距下最终拱顶沉降以及最终边墙水平收敛值绘制出折线图分析变化趋势,如图9所示。随着钢架间距的增大,拱顶沉降值增加幅度分别为5.56%、4.76%、0.88%,左边墙水平收敛值增加幅度分别为20.23%、9.23%、2.63%,说明减小钢架间距对提高围岩稳定性具有一定的效果。左边墙水平收敛值增大幅度大于拱顶沉降,表明钢架间隔变化对控制边墙水平收敛效果更显著。且当钢架间距大于2.0 m后,拱顶沉降及边墙水平收敛值变化曲线趋于平缓,其提高作用减弱。当钢拱架间距为2.0 m时,既能保证围岩稳定性,又可节约工程造价,支护效果最佳。

图8 Z=35m断面不同钢架间距监测结果(单位:m)

图9 不同钢拱架间距最终拱顶沉降以及最终边墙水平收敛

3.4 锚杆长度影响分析

统计不同锚杆长度下各模型Z=5 m 断面最终拱顶沉降以及边墙收敛监测结果,并绘制出折线图分析变化趋势,以评价隧道围岩稳定性,如图10所示。

图10 不同锚杆长度隧道模型

由图11可知,不同锚杆长度围岩位移发展趋势基本一致,仰拱隆起值均大于拱顶沉降值,左边墙水平收敛值均大于右边墙。提取出不同锚杆长度下最终拱顶沉降以及最终边墙水平收敛值绘制出折线图分析变化趋势,如图12所示。随着锚杆长度的增加,拱顶沉降及边墙水平收敛值均受到一定程度的限制作用。拱顶沉降值减小值分别为4.5 mm、2.6 mm、1.3 mm,左边墙水平收敛值减小值分别为10.4 mm、13.5 mm、2.1 mm。边墙水平收敛值减小幅度远远大于拱顶沉降,表明锚杆长度变化对控制边墙水平收敛效果更显著。当锚杆长度大于 4 m 后,拱顶沉降及边墙水平收敛值减小幅度较小,其提高效果不再明显,同时考虑施工的经济性,锚杆长度取 4 m 较为合理。

图11 Z=35m断面不同锚杆长度监测结果(单位:m)

图12 不同锚杆长度最终枳顶沉降以及最终边墙水平收敛

4 结论

本文通过数值模拟手段,以拱顶沉降与边墙收敛为主要指标,分析了不同初期支护结构参数下的围岩变形和稳定性差异,得到了结论:

(1)改变不同支护参数,围岩位移发展趋势基本无变化,仰拱隆起值均大于拱顶沉降值,左边墙水平收敛值均大于右边墙。

(2)增大初支强度等级、厚度、锚杆长度以及减小钢架间距等对提高围岩稳定性具有一定的效果。但当支护参数增强至一定范围后,其提高作用减弱。

(3)单一因素下, 初支强度等级为C25,厚度为40 cm、钢架间距为2.0 m以及锚杆长度为4.0 m时效果最佳,既能确保围岩稳定性,又能节约工程造价。

(4)钢架间隔变化及锚杆长度变化对控制边墙水平收敛效果更显著。