大跨度偏压连拱隧道洞口段施工力学性能研究_刘建生.pdf

公路 年月第期 基金项目：江西省自然科学基金，项目编号 收稿日期：文章编号：（）中图分类号：文献标识码：大跨度偏压连拱隧道洞口段施工力学性能研究刘建生（江西赣粤高速公路工程有限责任公司南昌市 ）摘要：以江西安源隧道（双向六车道连拱式隧道）为研究背景，采用管棚注浆的预支护手段，通过现场监测和数值模拟软件研究连拱隧道在施工过程中围岩位移、应力和管棚支护的动态变化规律，并结合拱顶沉降、地表沉降以及周边收敛的现场监测数据进行数值模拟验证。研究表明：连拱隧道左侧主洞施工对围岩的扰动范围主要在左侧，对右侧主洞影响较小；左右主洞与中隔墙拱脚处存在拉应力集中，施工时需要注意拱脚位置的施工质量；由于隧道存在偏压效应，隧道浅埋侧管棚弯矩最大值大于深埋侧；靠近洞口处的管棚始终承受较大弯矩，施工时，要控制洞口处的管棚施工质量。关键词：连拱隧道；浅埋偏压；边坡稳定性；数值模拟近年来伴随着我国经济建设的高速发展，促使基础交通设施转向更高质量的发展。随着国家综合实力的提升以及高新技术的不断应用，我国隧道工程建设迅速发展。基于此，连拱隧道因其独特的优越性，被应用到公路隧道建设上。有不少学者对连拱隧道进行了相应研究并取得一定成果。白家设等通过现场监测和三维数值模拟，得出双连拱隧道左右洞各施工步序中支护结构的位移变化规律。李新志等通过现场试验和三维数值模拟浅埋大跨度隧道引起的地表沉降变形特征。刘涛等按弹性阶段相似原则进行连拱隧道室内模型试验，并结合 数值模拟，得出施工过程中隧道围岩力学变形规律。季毛伟等利用现场埋设的多源传感器所构建的监测信息平台并结合有限元软件数值模拟，来分析监测过程中出现的问题。赵金鹏等采用数值计算和现场监测的方法分析超浅埋段长管棚的作用机理。苏道振等在大断面软弱地层隧道进出口段选择多个监测断面作为试验段进行现场试验研究。刘建波利用 数值模拟种中洞法施工工序的动态力学效应，得出适用于该隧道施工工序的最优解。高红杰等对深埋非对称连拱隧道的力学特性进行了研究，并结合工程实例论证了合理性。刘新荣等通过大型室内模型试验和有限差分软件对黄土连拱隧道复杂的施工力学特性进行研究。本文结合江西萍乡安源隧道，采用现场监测和数值模拟，研究连拱隧道在施工过程中围岩应力、位移和管棚支护的动态变化规律，研究成果适用于相同工况下的隧道工程建设。工程背景 工程概况安源隧道位于江西萍乡安源煤矿附近，为双向六车道连拱式隧道，隧道区地貌类型属剥蚀丘陵，山脊多呈南西向。隧道长度为 ，起止桩号 ，隧道最大埋深。施工方案介绍针对隧道特点，隧道超前支护措施采用超前大管棚注浆。由于隧道从 桩号开始施工，因此开挖步序中，右洞指的是浅埋侧隧道，左洞指的是深埋侧隧道。隧道开挖方法详细说明如下。施工顺序：（）超前大管棚施工；（）开挖中导洞；（）浇筑中隔墙；（）开挖右侧壁导洞；（）右主洞上部开挖；（）右侧壁导洞初期支护和右主洞拱部初期支护；（）右主洞中部开挖；（）右主洞下部开挖，以 为一个进尺，错台循环开挖；（）浇筑仰拱支护和全断面浇右主洞二次衬砌；（）开挖左侧壁导洞；（）左主洞上部开挖；（）左侧壁导洞初期支护和左主洞拱部初期支护；（）左主洞中部开挖；（）左主洞下部开挖，以 为一个进尺，错台循环开挖；（）浇筑仰拱支护和全断面浇左主洞二次衬砌。隧道施工顺序示意见图。注：中导洞；中隔墙；右侧壁导洞；右主洞上部；右主洞中部；右主洞下部；左侧壁导洞；左主洞上部；左主洞中部；左主洞下部。单位：图隧道尺寸及施工顺序示意 监测点布置结合大量研究及现场监测方案，设置地表沉降、拱顶沉降、周边收敛类监测点。地表沉降监测点布置在桩号 断面上，以隧道中轴线为监测起点，向左右两侧间隔进行布置，总共个监测点。拱顶沉降监测点从 断面起，每隔 的断面上的中导洞及左右主洞洞顶处进行布置。周边收敛监测点从 断面起，每隔 的断面上进行布置。监测点布置示意见图。注：、周边收敛监测点；中导洞拱顶沉降；右洞拱顶沉降；左洞拱顶沉降。图监测点布置示意数值模拟模型使用 软件建立隧道终点洞口段三维模型，再使用 有限差分软件进行数值模拟。为避免边界效应对数值模拟结果的影响，隧道开挖扰动影响范围一般为隧道尺寸倍，模型区域水平长度取 ，约为隧道开挖面宽度的倍；竖向高度取，约为隧道开挖面宽度 倍；纵向长度取。数值模拟的开挖步序参考隧道施工顺序。出口段围岩级别为 级，自然山坡坡度 ，隧道洞身横穿两层不同围岩层，围岩根据不同岩性分为上下两层，上层为宕渣，下层为中风化粗砂岩、粉砂质泥岩、砾岩互层，均采用 本构模型进行模拟。初衬、二衬、管棚加固区、中隔墙采用弹性本构模型。模型边界条件采用施加约束的方法，模型左右边界约束方向自由度，模型前后边界约束方向自由度，模型底部全约束。隧道进、出洞口段采用大管棚超前支护。大管棚每根长度，每节，丝扣连接。按设计，大管棚采用 热轧无缝钢管，壁厚，环向间距 ，共 根，外插角 ，压注水泥浆（水灰比:（），注浆水泥强度等级为 ）。管棚采用梁（）结构单元模拟。隧道终点洞口模型见图。图隧道终点洞口模型隧道实体模型包括中导洞、中隔墙、初衬、二衬和管棚加固区。参数取值根据隧道工程设计与地勘报告确定，见表。计算结果分析 位移云图分析（）隧道竖向位移分析。施工节点完成后围岩竖向位移云图，见图。由图（）可以看出，隧道开挖中导洞对围岩扰动范围较小，由于隧道偏压的特性，公路 年第期 年第期刘建生：大跨度偏压连拱隧道洞口段施工力学性能研究表数值模拟参数材料重度 弹性模量 内摩擦角（）内聚力 抗拉强度 泊松比宕渣层 粉砂质泥岩 钢管 中隔墙 初衬 二衬 管棚加固区 最大位移位于靠近深埋侧的上方土体，约为 。由图（）和图（）可以看出，右洞施工完成后，围岩竖向位移最大值在右洞拱顶；左洞施工完成后，围岩竖向位移最大值在左洞拱顶靠近中隔墙处；先施工完成的右洞位移最大值为 ，而后施工完成的左洞位移最大值为 ，隧道开挖完成后左右导洞的竖向位移场分布不对称。图各施工节点完成后围岩竖向位移云图（）隧道水平位移分析。施工节点完成后围岩水平位移云图，见图。由图（）可以看出，中导洞开挖引起的水平位移值基本对称，隧道在侧压力作用下由两侧朝洞内发生挤压。由图（）和图（）可以看出，左洞围岩水平位移最大值为 ，右洞围岩水平位移最大值为 。左洞围岩水平位移值略大于右洞，原因是由于隧道偏压，产生了不对称荷载。图各施工节点完成后围岩水平位移云图 应力云图分析施工节点完成后围岩最大主应力云图，见图。由图（）可以看出，应力场在断面上基本呈对称分布，岩体最大主应力大多处于受压状态，拉应力主要存在于中导洞顶部和底部，最大主应力拉应力值为 ，在掌子面与中导洞底交界处和中导洞拱腰的位置应力集中现象较明显。由图（）和图（）可以看出，隧道开挖后，在左右洞拱顶和仰拱附近均出现了拉应力区，应力大致呈对称分布；在隧道左右主洞开挖过程中，围岩主体受压，左右主洞与中隔墙拱脚处存在有拉应力集中，施工时需要注意拱脚位置的施工质量。图各施工节点完成后围岩最大主应力云图 管棚分析（）管棚竖向位移分析。管棚挠度曲线图，见图。由图（）可以看出，由于左洞还未开挖，所以左洞管棚竖向位移变化小，但是左拱顶相对左拱腰，由于受右洞开挖影响，产生了更大的挠度变形。由图（）可以看出，随着隧道的埋深的增加，围岩压力逐渐增大，所以个管棚挠度随着纵向距离增大而逐渐增大，拱顶处管棚的变化最为明显。但由于隧道浅埋的特性，靠近洞口段管棚竖向位移变化最为剧烈；左拱顶管棚竖向位移大于右拱顶管棚，同样的，左拱腰管棚竖向位移大于右拱腰管棚，原因是由于隧道偏压，深埋侧的管棚受影响更大。图管棚挠度曲线图示（）管棚弯矩。施工节点完成后管棚弯矩最大值，见图。由图可以看出，右洞开挖完成时最大弯矩值为 ，左洞开挖完成时最大弯矩值为 ，由于隧道存在偏压效应，隧道左洞开挖过程中管棚弯矩最大值大于右洞；在左洞开挖过程中，不仅左洞顶部承受弯矩，也影响了右洞一定范围的管棚受力；左右洞分别开挖完成后，靠近洞口处的管棚始终承受较大弯矩，因此，在施工时，要控制洞口处的管棚施工质量。公路 年第期 年第期刘建生：大跨度偏压连拱隧道洞口段施工力学性能研究图各施工节点完成后管棚弯矩最大值数值模拟验证 地表沉降 断面各施工节点完成后数值模拟和现场监测地表累计沉降量曲线见图。测点是右洞上方的地表监测点，数值模拟的最终地表沉降量为 ，现场监测的最终地表沉降量为 ；测点是左洞上方的地表监测点，数值模拟的最终地表沉降量为 ，现场监测的最终地表沉降量为 。由于隧道偏压，左洞最终地表累计沉降量大于右洞最终地表累计沉降量。数值模拟和现场监测的数值上有较大差异，是由于现场下伏采空区导致 的现场监测点的地表累计沉降量陡增，但在数值模拟中只建立了洞口段模型，未考虑采空区的影响，因此，监测点数值差异明显。现场后续采取注浆加固充填采空区，地表累计沉降量的速率增加趋于平缓，接近数值模拟的地表累计沉降量的变化规律。图各施工节点完成后地表累计沉降量曲线 拱顶沉降 断面各施工节点完成后数值模拟和现场监测拱顶累计沉降量曲线见图。现场监测结果为右洞开挖过程中的右洞的拱顶累计沉降量，对应于数值模拟施工步序的 。数值模拟右洞开挖的拱顶累计沉降量为 ，而实测拱顶累计沉降量为 ，实测结果大于数值模拟结果，但二者整体变化过程和变化趋势类似，说明数值模拟结果与实际规律基本符合。图 各施工节点完成后拱顶累计沉降量曲线结语本研究针对安源隧道浅埋、偏压、大跨度的特点，利用 对隧道终点洞口段施工进行仿真模拟，重点研究了连拱隧道在施工过程中围岩位移、应力和管棚支护的动态变化规律，得出主要结论如下。（）隧道中导洞开挖对围岩产生的扰动很小，围岩有较好的稳定性；隧道主洞施工对围岩的扰动范围主要在本侧，对另一侧主洞影响较小。（）通过对隧道围岩的位移、应力分析看出，隧道开挖后的不稳定区 域 主要 集 中 在左右 洞拱顶区域。（）在隧道左右主洞开挖过程中，围岩主体受压，左右主洞与中隔墙拱脚处存在有拉应力集中，需要注意拱脚位置的施工质量。（）由于隧道存在偏压效应，隧道左洞管棚弯矩最大值大于右洞；在左洞开挖过程中，不仅左洞管棚顶部承受弯矩，也影响了右洞一定范围的管棚受力；隧道左右洞施工过程中，靠近洞口处的管棚始终承受较大弯矩，因此，在施工时，要控制洞口处的管棚施工质量。参考文献：白家设，赵绍鹏，齐兵，杨开放 软弱地层浅埋大跨双连拱隧 道 支 护 结 构 变 形 研 究 土 木 工 程 学 报，（）：李新志，李术才，李树忱浅埋大跨度隧道施工过程地表沉降 变 形 特 征 研 究 岩 石 力 学 与 工 程 学 报，（）：刘涛，沈明荣，陶履彬，何之民，袁勇连拱隧道动态施工模型试验与三维数值仿真模拟研究岩石力学与工程学报，（）：季毛伟，吴顺川，高永涛，葛林林，李晓静双连拱隧道施工监测 及 数 值 模 拟 研 究 岩 土 力 学，（）：赵金鹏，谭忠盛，梁文广，高俊鹏 超浅埋大跨隧道管棚支护机理及效果分析 土木工程学报，（）：苏道振，骆建军 大断面软弱地层隧道施工围岩变形试验及预测 岩石力学与工程学报，（）：刘建波浅埋偏压连拱隧道施工工序优化研究施工技术，（）：高红杰，何平，陈峥 深埋非对称连拱隧道过程荷载计算方法 研 究 岩 土 工 程 学 报，（）：刘新荣，刘俊，黄伦海，王子娟，陈红军，冯艳黄土连拱隧道开挖的模型试验与压力拱分析 浙江大学学报：工学版，（）：徐前卫，丁文其，朱合华，唐卓华，李元海超大断面隧道软弱围岩卸荷渐进破坏特性研究 土木工程学报，（）：刘波，章定文，刘松玉，秦玉军 大断面顶管通道近接穿越下覆既有地铁隧道数值模拟与现场试验岩石力学与工程学报，（）：李杰，司君岭，仲恒，赵瑞文 基于强度折减法的双孔大跨隧道围岩稳定性研究土木工程学报，（）：罗彦斌，石州，陈建勋，刘伟伟，陈丽俊，李尧，武云飞超大跨度隧道上台阶 法中隔壁力学计算模型及施工力学行为研究中国公路学报，（）：符亚鹏，姚志刚，方勇，陈先国隧道开挖对下伏水平薄煤层采空区地层的扰动及衬砌受荷特征岩土力学，（）：方勇，姚志刚，符亚鹏，徐晨上覆水平煤层采空区衬砌受荷模型试验研究岩土工程学报，（）：刘聪，