景泉
摘要:相对于常规隧道工程来说,交叉隧道工程施工难度更大,安全隐患更多,因而对超前支护施工要求更高。基于此,以某工程作为研究对象,通过有限元分析的方式,对隧道施工安全性进行了分析,之后以此为基础提出了超前支护施工措施,以此为高速铁路交叉隧道超前支护施工提供支持。
关键词:高速铁路;交叉隧道;超前支护施工;有限元分析
0 引言
高速铁路是现代社会当中较为常见的交通工具,具有运行速度快等特点,因而其对无砟轨道沉降具有更高的要求。但在现代高速铁路工程领域,典型的施工案例并不是很多,特别是小净距工况下下穿高速铁路的案例更是稀少[1]。间距较小的下穿高速铁路隧道施工,一般以盾构法为主。盾构法施工质量虽然可以达到要求,但也存在一些缺陷,如投入成本较高,施工现场环境较为复杂,施工难度较高。同时,能够选择的通道越来越少,隧道后续扩建时,若采用爆破法会对隧道的安全性造成严重影响。
近年来,随着我国高铁覆盖范围的不断扩大,逐渐出现了越来越多的交叉隧道工程。在交叉隧道施工过程中,必须要通过对隧道施工安全性的分析,进而制定出相应的超前支护施工方案,以确保整个交叉隧道施工活动顺利进行,从而为整个高速铁路隧道后续使用打下良好基础。本文以某工程作为研究对象,通过有限元分析的方式,对隧道施工安全性进行了分析,之后以此为基础提出了超前支护施工措施,以此为高速铁路交叉隧道超前支护施工提供支持。
1 工程概况
某高速公路隧道工程属于郑万高速铁路的一部分。由于原车站标高较低,在与某铁路并线时,需要在原铁路段WDTK2+370~WDYK2+420处下穿施工。在两隧道相交处,内部结构的最低距离仅有5m,交角约30°,基本可将两者看成是交叉隧道。在隧道交叉区域内,围岩等级是V级,岩层属于弱风化白云岩、泥灰岩夹泥岩。其中,对于泥灰岩来说,具体为中厚层状结构;对于所夹泥岩来说,以泥质结构为主。该工程断面参数如图1所示。
2 工程隧道的安全性分析
2.1 下穿段數值的模拟分析
在下穿段模拟分析时,首先要选择最佳的分析方案。实际工程所处现场地质条件存在一定差异,且受到外界气候、天气等方面的影响,增加了模拟分析的难度[2]。所以,为了降低工程分析难度,本文针对工程具体情况,将其假设成半无限空间,通过有限元建模的方式,分析新建隧道施工与既有高铁隧道间的关联性。
分析过程中,为了直观展示出施工现场的具体状况,本文构建出一个有限元三维模型,其长度是240m,高度是156m,宽度是125m。同时为了确保计算结果的准确性,还需考虑某高速铁路隧道相邻近隧道工程的修建状况。
将模型上边界定义成自由边界。将下边界定义成固定约束,将模型的侧面边界则定义成位移约束。在岩体方面,忽略岩体内部存在细微的区别,采用均质的弹塑性模型,以莫尔-库仑定律为原理,通过实体单元予以模拟。
初期支护与二次衬砌分析时,采用的是普通弹性模型。在模拟分析时,利用围岩应力释放系数的修改,以此模拟出不同超前大管棚支护施工情况,使其显示出不同施工情况与围岩变形间的关联性。有限元三维模型图如图2所示。
确定出分析模型后,应设置合理的模型参数。模型参数设置时,应以拟建隧道工程与原隧道工程的具体情况,结合相关规定标准要求而定。三维模型各项参数见表1。
2.2 隧道结构的受力分析
在上述参数条件下,通过有限元分析的方式,对隧道受力情况进行了分析,得到如表2与表3所示结果。其中,表2为原高铁速隧道二衬内应力分析结果。表3为拟建高速铁路隧道二衬内力变化分析结果。
通过对比能够发现,拟建隧道工程施工过程中,会对已建隧道工程带来一定干扰,但干扰程度并不是很大,不会使已建隧道内部结构出现安全隐患。已建隧道的衬砌内应力较高,承载性较强,符合相关规定要求,可继续对其应用。
2.3 交叉段隧道间夹岩力学分析
2.3.1 建立模型
高速铁路交叉施工过程中,随着拟建工程的不断建设,会对已建隧道产生一定的扰动,且施工时间越长,所产生的扰动越大,使得交叉段隧道间夹岩的应力状态变化过程非常复杂。
夹岩来是交叉段重叠隧道共同的围岩,其力学性能是否良好,直接关系到整个隧道工程的使用效果[3]。所以,在交叉段隧道施工之前,应对夹岩层力学特性予以计算分析。分析过程中,顺着隧道建设的方向,以60m为间隔,分别设置一个断面。
2.3.2 力学参数计算
本次研究当中,为了降低分析难度,需要做出以下假设:在岩土材料方面,满足Mohr-Coulomb屈服准则的要求。当材料处于破坏界面时,其力学参数可通过下述公式表示:
其中,p表示整个分析面的应力均值,q表示等效应力,σ1表示第一主应力,σ2表示第二主应力,σ表示第三主应力,θ表示罗德角,F表示屈服函数方程。对于弹塑性材料来说,忽略细微因素影响的条件下,当F在处于0以下时,表明其处于弹性状态;若F=0,则表明其处于屈服状态[4]。其中罗德角θ的计算如下:
通过对交叉段隧道施工全过程夹岩单元应力水平的监测,可以得到所有夹层单元屈服函数值达到最大F2值时的应力水平。
2.3.3 施工前后夹岩单元屈服函数值对比
将夹层单元屈服函数值值,与初始应力水平值予以比较,从而得到工程施工前后夹岩单元屈服函数值对比如表4所示。
通过表4的观察能够发现,拟建隧道施工时,所有夹岩单元的屈服函数均处于0以下。根据上述条件判断,夹岩处于弹性状态,并未达到屈服状态。只考虑交叉段两隧道挖掘施工时,相对初始应力水平来说,原高铁隧道挖掘完工后,将围岩应力释放设置成30%时,夹岩单元屈服函数逐渐提升。而拟建铁路隧道施工后,将围岩应力释放设置成40%时,屈服函数变得更高,数值更加趋近于0,表明夹岩逐渐的屈服性更加良好。
分析认为,下部索道挖掘时,若没有对上部隧道进行加固处理,会使得夹岩区域的屈服力度逐渐提高,特别拟建隧道工程支护结构快速施工后,夹岩部分单元屈服函数较下部隧道挖掘后增加的F值更低一些。因两工程相交叉在一起,且距离非常接近,因而上部隧道挖掘施工过程中,相对于初始情况,下部隧道施工后,夹岩单元屈服函数值将会出现更加明显的改变。
综合分析后表明,从具体施工层面而言,在拟建隧道工程施工过程中,通过超前支護的构建,结合初支与二衬的建设,对抵抗夹岩屈服具有重要意义,可明显降低夹岩中出现的屈服力,从而减弱屈服力对夹岩乃至整个隧道工程的干扰[5]。
3 超前支护施工措施
针对上述分析,可制定出相应的超前支护施工方案:拟建隧道工程施工时,选择的是φ159mm大管棚加强超前支护;初期支护施工时,选择的是I20初期支护;二次衬砌施工时,选择的是55cm钢筋混凝土结构。同时,为了确保整个支护结构在隧道施工中发挥出最大的作用,应尽量缩短进尺尺度,分阶段施工,且在最短的时间内将隧道封闭。
拟建工程于2021年8月16日开始,于2021年9月13日竣工,整个工期为28d。分别在隧道内部选择多个检测点,共检测半年时间,以此观察该隧道工程的变形沉降量。通过观察发现,沉降量仅有3.9mm,沉降量并不是很大,在规定要求范围内,且在结构表面未发现损伤,由此表明该隧道工程达标。
4 结束语
高速铁路交叉隧道施工时,受到拟建工程扰动因素的影响,交叉段夹岩部位的应力水平会出现明显改变,提升了夹岩内部的屈服力,更容易导致隧道结构出现损伤。所以,在新建隧道施工时,应针对整个工程的具体情况,设计出合理的超前支护及初支、二衬施工方案,以加强对屈服力的抵制,从而提升整个隧道工程施工的质量。
参考文献
[1] 段玉武.隧道穿越岩体破碎带超前支护施工技术[J].国防交通工程与技术,2023,21(1):58-60+40.
[2] 张哲.长大管棚超前支护在铁路隧道洞口施工中的应用[J].智能城市,2021,7(19):145-146.
[3] 翟欢乐.超前支护施工技术在高速公路隧道施工中的应用措施探讨[J].建材发展导向,2021,19(16):235-236.
[4] 毕志刚,王凯,王仪宇,等.闽南山区软弱围岩小净距隧道超前支护力学机理与施工技术[J].河南科技大学学报(自然科学版),2021,42(6):46-53+7.
[5] 黄昌富,张帅龙,王艳辉,等.高速铁路隧道薄板状近水平岩层的稳定性分析及施工控制[J].铁道建筑,2020,60(11):59-63.