54软岩双线隧道施工变形管理基准研究.docx
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1、软岩双线隧道施工变形管理基准研究目 录1 引言32 国内外现状及以往类似工程经验42.1 国内外典型挤压大变形隧道工程实例42.2 隧道大变形分级现状42.3 乌鞘岭隧道变形管理基准83 不同等级大变形支护效果理论分析检验103.1 模拟方案选择103.2 级大变形支护效果模拟检验103.2.1 计算模型和计算参数103.2.2 施工步骤113.2.3 数值模拟结果及分析123.3 级大变形支护效果检验163.3.1 计算模型和计算参数163.3.2 数值模拟结果及分析163.4 级大变形支护效果检验193.4.1 计算模型和计算参数193.4.2 施工步骤193.4.3 数值模拟结果及分析2
2、03.5 小结224 不同等级大变形隧道稳定性和极限位移基准理论分析234.1 计算模型234.2 围岩弹性模量E=0.95GPa计算结果及分析234.3 围岩弹性模量为E=0.9GPa、围岩未加固计算结果分析344.4 围岩弹性模量为E=0.9GPa、围岩5.0m锚杆加固计算结果分析384.5 小结465 现场变形量测475.1 两水隧道进口变形量测结果475.2 两水隧道斜井工区变形量测结果485.3 掌子面内部围岩纵向位移及沉降量测496 软岩双线隧道施工变形管理基准496.1 大变形分级及管理基准506.2 不同大变形条件下的支护参数516.3 大变形等级的现场判别511 引言兰渝线兰
3、广段软岩隧道主要分布地层炭质板岩、碳质千枚岩等软质岩,炭质板岩、炭质千枚岩变形属于软弱、破碎围岩在地下水及高地应力等影响下的挤压性变形。当隧道开挖前处在原始应力状态时尚具有较高的密实和稳定性,当隧道开挖、围岩应力释放后结构面张开或滑移,围岩整体强度和模量降低,表现出显著的结构变形特点。厚层炭质及构造强烈千枚岩地段,节理裂隙发育,岩体破碎,强度低,开挖后扰动、风化易产生较大变形,从而导致支护变形、开裂,危及人员及设备的安全。全线含炭质板岩、炭质千枚岩(含断层)的隧道总长为62km,因此,对炭质板岩、炭质千枚岩等软弱围岩的变形控制是本线面临的技术难题之一。为此,开展软岩双线隧道施工变形管理基准研究
4、,以有利于隧道施工中的变形管理,减少隧道侵限拆换现象,避免工程事故,降低工程造价。本研究以理论分析为先导,参考以往类似工程实践,结合兰渝铁路典型软岩隧道的现场量测结果,研究提出兰渝线软岩隧道变形管理基准(暂行)。采用的主要研究方法如下:(1)不同等级大变形支护效果理论分析检验根据两水隧道埋深具体情况,以级软岩段为研究背景,研究分析不同等级大变形围岩和支护结构变形与受力。针对不同等级变形的支护形式,分别研究:级大变形相应支护参数的无系统锚杆和有系统锚杆两种情况;级大变形相应支护参数的无系统锚杆和有系统锚杆两种情况;级大变形一次支护无系统锚杆、有系统锚杆和二次支护三种情况。(2)不同等级大变形隧道
5、稳定性和极限位移基准理论分析洞室的失稳问题,在分析隧道失稳方面判断隧道失稳的条件和准则还没有达成统一的标准,根据郑颖人院士等所发表的“地震隧洞稳定性分析探讨”一文,在研究边坡失稳方面有3个条件,一是以塑性区的贯通作为整体失稳的标志;二是以应变和位移发生突变作为标志;三是以有限元静力平衡计算不收敛作为边坡整体失稳的标志。其中塑性区贯通是必要条件而不是充分条件。本研究将边坡失稳条件与突变理论相结合的方法尝试用于隧洞失稳分析中来。通过塑性应变及位移突变来分析隧洞的稳定性旨在得出隧道失稳的极限位移、失稳形态和施工应对措施。(3)以往类似工程经验提供参考依据参考以往软岩大变形隧道的设计与施工经验,现场量
6、测隧道变形规律,变形分级标准及变形管理基准,为兰渝线软岩双线隧道变形管理基准提供参考依据。(4)现场变形量测揭示隧道变形规律通过不同围岩条件下,不同支护参数试验段的大量隧道变形现场量测,揭示软岩双线隧道变形规律,为变形管理基准提供现场数据支持。2 国内外现状及以往类似工程经验2.1 国内外典型挤压大变形隧道工程实例如表2-1为国内外几座典型的挤压大变形隧道的基本概况,及施工变形情况。表2-1 典型挤压大变形隧道工程实例2.2 隧道大变形分级现状关于大变形,目前还没有统一的定义和判别标准。大变形是相对正常变形而言的。各类围岩在正常施工条件下都会产生一定的变形。铁路隧道设计规范、公路隧道设计规范、
7、新奥法指南及衬砌标准设计等根据多年经验及统计,对各类围岩及各种支护结构都制订有不同的预留变形量(表2-2)以容纳这些正常变形。表2-2 预留变形量(mm)规范或标准名称围岩级别铁路单线(公路双车道)铁路双线(公路三车道)IIIIVVVIIIIIVVVI铁路隧道设计规范TB10003-2001103030505070701003050507070100设计确定铁路隧道设计规范TB10003-2005103030505080设计确定3050508080120设计确定公路隧道设计规范JTG D70-20042050508080120现场量测确定508080120120150现场量测确定新奥法指南30
8、505070507070100日本新奥法指南257575150150(膨胀岩)50150150300300(膨胀岩)标准设计(专隧0014)204080120标准设计(专隧0034)50100100150150200(1)铁二院喻渝从预留变形量出发,认为正常预留变形量对于单线隧道一般不大于15cm,对于双线隧道不大于30cm,并粗略取上述值的0.8倍作为正常变形值的上限,即,单线隧道支护位移不应大于13cm,双线隧道支护位移不应大于25cm。对于挤压性围岩,取上述正常值的2倍作为大变形的下限,即:隧道施工时,如果初期支护发生了大于25cm(单线隧道)和50cm(双线隧道)的位移,则认为发生了大
9、变形。并得出不同侧压力系数相应位移的应力比(),所谓应力比临界值法,即当时,为5.4,当时为3.6。并考虑到地层岩性,即使在同一类围岩中也有一定幅度的差异,偏于安全取上述值的1/2并取整数作为出现大变形的警戒标准,即 并以家竹箐隧道为例(),内插求出临界应力比为2.12,实际应力比5.0106045现象同上,但大面积发生,且产生锚杆拉断及钢架变形扭曲现象注:表中Ua为洞壁位移,a为隧道当量半径;表中变形及位移均在初期支护已施工的条件下产生,该支护系常规标准支护。(5)刘志春,朱永全等参考以往类似工程经验,在乌鞘岭隧道科研攻关过程中,提出综合指标判定法,引入综合系数,考虑抗压强度、地应力、弹性模
10、量及侧压力系数多个因素,定义得大变形分级标准,如表2-9所示。表2-9 变形等级划分的综合指标判定法大变形的等级相对变形(%)35588强度应力比0.50.250.250.150.15原始地应力(MPa)510101515弹性模量(MPa)20001500150010001000综合系数6030301515围岩及支护特征开挖后洞壁围岩位移较大,持续时间较长;一般支护开裂或破损较严重开挖后围岩位移大,持续时间长;一般支护开裂或破损严重开挖后围岩位移很大,持续时间很长;一般支护开裂或破损很严重(6)日本采用相对应变判断围岩的挤出程度并划分等级,如表2-10所示。表2-10 按推荐方法对挤出程度的分
11、类分类号挤出程度符号理论公式隧道特征1无挤出NS岩石是弹性的,隧道掌子面的影响消失后,隧道应是稳定的2轻微挤出LS岩石显示了应变强化的特征,掌子面的影响消失后,位移会收敛,隧道最终是稳定的3中等挤出FS岩石显示应变弱化的特征,同时位移变大,但是在掌子面影响消失后,位移会收敛4严重挤出HS岩石显示应变弱化性,弱化速率很高;接着,位移增大,并且在掌子面影响消失后也不会趋于收敛5最严重挤出VHS岩石破坏造成滑动,并且位移极大,必须重新开挖隧道和安装坚固支护2.3 乌鞘岭隧道变形管理基准在乌鞘岭隧道科研攻关过程中,根据极限位移计算结果、现场量测数据统计分析结果和开裂数据统计指标等,提出了初期支护三级变
12、形速率管理等级。各区段变形及变形速率管理基准如表2-11所示,分区段变形及变形速率管理基准如表2-12、2-13所示。三级以下时可正常施工;当变形达到二级时应及时施作二次衬砌或加强支护;当变形达到一级时,施工单位应马上停工,并采取防坍措施。表2-11 乌鞘岭隧道岭脊段变形及变形速率管理基准n375%80%70%75%65%70%35588表2-12 乌鞘岭隧道分区段变形管理基准 项目区段施工状态F4岭脊千枚岩F7极限位移u0350850760管理等级 u0/3 u0/42 u0/3u0/2u0/2停工并及时采取加固措施二衬时机u测/u极47%62%39%47%47%51%u终/u测0.5%0.
13、5%2.0%0.5%1.5%表2-13 乌鞘岭隧道分区段变形速率管理基准乌鞘岭隧道单线铁路隧道,椭圆形断面,其大变形分级及变形管理基准可为兰渝线软岩双线隧道施工变形管理基准的制定提供一定参考价值。3 不同等级大变形支护效果理论分析检验3.1 模拟方案选择根据两水隧道埋深具体情况,以级软岩段为研究背景,研究分析不同等级大变形围岩和支护结构变形与受力。针对不同等级变形的支护形式,分别研究:级大变形相应支护参数的无系统锚杆和有系统锚杆两种情况;级大变形相应支护参数的无系统锚杆和有系统锚杆两种情况;级大变形一次支护无系统锚杆、有系统锚杆和二次支护三种情况。3.2 级大变形支护效果模拟检验3.2.1 计
14、算模型和计算参数为减少边界约束效应,计算范围按左右边界距隧道中心线距离约4倍洞径考虑,底部边界距隧道底部的距离按4倍隧道高度考虑。指定沿隧道轴线里程增大方向为Y轴正向,竖直向上为Z轴正向,隧道掘进横断面向右方向为X 轴正向,整个计算模型在X、Y、Z三个方向尺寸为100m50m112.49m(隧道顶部到模型上表面的距离为50m),模型左、右、前、后和下部边界均施加法向约束,地表为自由边界。围岩及初期支护结构均采用八节点六面体单元来模拟。隧道最大埋深为300m,在模型顶部施加实际埋深的应力边界条件,本模型顶部施加大小为4.25MPa的压应力。围岩及初期支护结构均采用八节点六面体单元来模拟,未考虑二
15、次衬砌效应,其中模型共划分了134334个节点和128000个单元,三维计算模型如图3-1和图3-2所示。 图3-1 计算模型整体图示 图3-2 计算模型局部图示围岩视为摩尔-库仑理想弹塑性材料,支护结构及衬砌结构均视为弹性材料。钢架采用H175全环设置,纵向间距为0.5m,初期支护为30cm厚的C25喷射混凝土,钢架在计算模拟时根据抗弯刚度等效原理来提高初期支护的弹性模量;考虑锚杆加固效应时,拱部及边墙锚杆长6.0m,作用效果采用加固区等效。围岩物理力学参数参照现场实际地质资料及现行铁路隧道设计规范选取,其物理力学指标如表3-1。表3-1 级大变形地层、加固区和支护的物理力学性能指标材料类型
16、容重/kNm-3弹性模量/GPa泊松比内聚力/MPa内摩擦角/剪胀角/围岩170.950.40.195198初期支护25260.2加固区18.51.240.40.247228注:初期支护弹性模量需按等效刚度原则经转换计算求得。3.2.2 施工步骤隧道采用上、中、下三台阶加落底施工,其中上、中、下台阶高度分别为4.7m,3m,2.5m,仰拱高度为2.29m;上、中、下台阶长度分别为6m,8m,6m。计算每开挖步开挖进尺1m,锚杆施做滞后工作面一个开挖循环,喷混凝土支护滞后工作面二个开挖循环。在模拟过程中,具体施工分部及施工顺序如图3-3所示。1612.49m14.3m图3-3 施工歩序图为最大限
17、度减少边界约束对计算结果的影响,数值模拟分析的目标面设在模型的中间位置,即y=25m处。3.2.3 数值模拟结果及分析3.2.3.1 洞周位移变化特征在开挖隧道上、中台阶周边各布置一条水平测线,用于监测水平收敛变形,在拱顶设拱顶下沉监测点,在底部设底部隆起测点。数值模拟分析的目标面各测点布置如图3-4所示。拱顶下沉测点1测线2测线1123456底部隆起测点6图3-4 监测点布置图选取中间断面作为计算数据提取断面,图3-5图3-7分别为级大变形断面y=25m处测线1水平收敛、测线2水平收敛、拱顶沉降随开挖推进的变形曲线;不同支护参数下中间断面周边位移最终监测结果如表3-2所示。开挖步拱顶沉降值/
18、mm图3-5 级大变形拱顶沉降与开挖步关系图开挖步水平收敛值/mm图3-6 级大变形上台阶测线1水平收敛与开挖步关系图水平收敛值/mm开挖步图3-7 级大变形下台阶测线2水平收敛与开挖步关系图表3-2 周边位移计算结果监测项目计算工况差值百分比/(%)无锚杆作用/mm有锚杆作用/mm水平收敛/mm测线131625922测线243035222.2拱顶沉降/mm17214320.2由图3-5图3-7和表3-2可得,考虑锚杆加固作用时最大水平收敛352mm、拱顶下沉143mm。不考虑锚杆加固作用时最大水平收敛430mm,拱顶下穿172mm,因不施作锚杆或锚杆不起作用,其水平收敛增大22.2%,拱顶沉
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