高速公路隧道洞口段开挖支护模拟分析及监控量测 (1).pdf
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1、交通世界TRANSPOWORLD收稿日期:2023-05-04作者简介:廖红霞(1985),女,河北唐山人,从事公路养护工作。高速公路隧道洞口段开挖支护模拟分析及监控量测廖红霞(河北省唐山市迁西县交通运输局,河北 迁西 064300)摘要:为探索不良地质隧道洞口段偏压荷载对隧道开挖施工期间围岩稳定性的不利影响,以某山岭重丘地区公路隧道为例,对隧道洞口段开挖、支护施工过程展开模拟,并设置监控量测点,对出口段地表沉降及拱顶下沉和周边收敛等展开实测。结果表明,隧道偏压对拱顶变形影响较小,数值模拟结果与监控量测结果基本吻合;偏压对周边收敛影响大,必须通过初期支护参数特别是喷锚支护参数的调整,保证隧洞口
2、浅埋偏压段施工顺利完成。关键词:高速公路隧道;洞口段;变形分析;监控量测中图分类号:U455文献标识码:A0 引言在我国交通建设中,公路隧道数量越来越多,隧洞段浅埋偏压及软弱围岩等不良地质也愈加常见。浅埋偏压隧道洞口地质条件复杂,围岩扰动频繁,支护受力复杂,开挖工序的合理选择,对围岩、支护受力特征的分析均有助于确保隧洞段开挖稳定。公路隧道设计规范(JTG 3370.12018)中对偏压隧道衬砌荷载计算方法做出了规定,但不乏部分隧道仍采用类比法展开支护结构设计。此外,因为围岩压力具有不对称性,而且不同地形支护受力具有不同特点,所以有必要分析总结实测资料,以便为在建隧道设计施工提供指导,同时为类似
3、隧道工程提供借鉴。本文将依托山岭重丘地区隧道工程实际,结合施工措施及数值模拟结果,研究浅埋偏压隧洞段施工对上部结构物变形的影响,并提出支护措施,以便为隧道施工及运行安全提供保障。1 工程概况某公路隧道位于低山斜坡上,按分离式隧道设计,出洞段左线 K11+204K11+243 段、右线 K11+153K11+196段,洞口上部为既有公路线,边坡风化岩体形成陡峭崖体,斜坡上覆层主要为黏性土碎石,下伏层为强风化凝灰岩碎块,节理裂隙发育,岩层自稳性差。工程段地下水丰富,主要为基岩裂隙水和潜水,水文地质条件较为简单,开挖过程中存在渗水、滴水情况。隧道埋深浅,穿越强风化基岩和残坡积体,围岩松散,综合评定为
4、级围岩。2 支护设计结合该隧道洞口段围岩实际,拟采用超前长管棚支护措施。长管棚采用壁厚6 mm、外径108 mm的热轧无缝钢管材料,按照40 cm的环向间距和1 的外插角设置,并与混凝土套拱配合施工,保证安全进洞。以3.5 m长f25 mm注浆锚杆为初支结构,锚杆纵向及环向均按0.5 m1.0 m的间距设置;焊接网直径6 mm的钢筋按照15 cm15 cm的间距设置。喷厚度为 25 cm的 C20混凝土;按50 cm间距设置18#工字钢拱架。二衬拱圈则采用厚度45 cm的C30钢筋模筑混凝土;仰拱为45 cm厚C30钢筋模筑拱。该公路隧道出口段存在一条既有乡村公路,为将隧道开挖施工对公路运行的
5、影响降至最低,应提前明洞,并在公路下部暗洞开挖。同时,隧道出口段为级软弱围岩,隧洞段应超前预支护并采用预留核心土法分上部、中间和下部等区段开挖,各区段预留长度最大为12 m;地表预留变形量不得超出15 cm。3 隧道洞口段数值模拟3.1 模型构建通过构建隧道洞口段模型,提前预判隧道开挖施工期间围岩变化趋势,并对围岩稳定及对周边构筑物的影响做出评价。本文主要采用MIDAS/GTS NX有限元软件构建该隧道洞口边坡仿真模型,展开施工过程影响地表沉降量的动态模拟1。为保证模拟过程及结果准确,需事先对隧道尺寸、边界约束、荷载等展开说明。结合工程实际,该隧道模型左右两侧均采用水平约束,左右侧边界与隧道边
6、墙的距离按洞跨的4倍确定;上部163总662期2023年第32期(11月 中)为自由面边界,下部采用竖向位移约束,并按洞跨的3倍确定其与隧道仰拱的距离。所构建的三维模型共包括147 923个单元和80 049个节点。3.2 参数设定模拟过程中,围岩材料采用Mohr-Coulumb弹塑性模型,初支及二衬均采用弹性模型,锚杆则通过加固区围岩参数模拟,参数取值根据公路隧道设计规范(JTG 3370.12018)综合确定。考虑到钢拱架和喷射混凝土为共同受力的紧固裹覆结构,按照等效截面展开钢拱架计算2。参数取值见表1。表1 围岩及支护材料参数取值围岩及支护材料黏性土碎石凝灰岩花岗斑岩衬砌结构锚杆加固弹性
7、模量/MPa2751 5002 00023 000200 000重度/(kNm3)20.523.820.122.478.5内聚力/kPa15.454.186.0泊松比0.300.400.300.250.20内摩擦角/16.940.045.03.3 模拟结果分析3.3.1 应力分析通过对各监测断面拱腰处水平应力和开挖步关系分析,开挖初期,拱腰应力较大,此后随着隧道开挖面的持续推进,侧覆土厚度逐渐增大,浅埋偏压效应也逐渐减弱。其中,K11+161和K11+184段附近因右侧拱腰压力较大而引发钢支撑较大变形。分析表明,该山岭隧道洞口段采用预留核心土法开挖浅埋侧的工艺切实可行,因为隧道开挖后,挖除部分
8、对上部岩体支撑作用基本卸除,洞顶下沉后下部岩体压力也随之解除,仰拱回弹。在分部开挖过程中,初支因施作及时且刚度较大,可对上部岩体起到较好的支撑,先开挖任一侧均不会对围岩稳定造成不利影响。实际上,在浅埋偏压隧洞段开挖期间,支护无法及时实现,根据新奥法原理,初支护属于柔性结构,无法对围岩变形起到绝对限制作用,故在开挖后初支仅提供部分承载力,其余部分的限制作用主要依靠应力调整后围岩自身承载力。按照施工方案,在先开挖深埋侧的情况下,因隧道围岩具备较大的初始地应力,根据挖除部分释放荷载计算原理,所释放的荷载也比浅埋侧开挖时大,且并非全部由初期支护承担,故围岩变形小。在先施工浅埋侧初支结构时,能为初喷混凝
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