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软弱围岩公路隧道开挖支护施工过程研究
发布时间:2018-5-8  作者:李银兵  来源:《中国高新科技》杂志  浏览量:1146
摘要:在公路隧道施工过程中,软弱围岩是一种常见的地质类型,如果处理不当,会对施工质量造成比较大的影响。为了顺利完成隧道施工,要将隧道支护施工落实到位。文章结合实际公路隧道工程,在对软弱围岩公路隧道开挖支护施工技术进行分析的基础上,探讨影响隧道稳定性的因素,并对隧道围岩公路隧道开挖支护施工过程模拟进行讨论,以保证隧道工程的施工稳定和施工安全。 关键词:软弱围岩;公路隧道;动态施工;开挖支护

1 工程概况

某公路隧道进口里程为K0+453,出口里程为K1+620,公路隧道总施工长度为1.17km,隧道采用二车道双向直线形式,设计隧道纵坡为0.5%。在进行隧道工程施工过程中,软弱围岩是一种普遍存在的岩层,开挖支护施工的合理性和科学性对工程的稳定性和安全性有比较大的影响。文章以此工程为例,对软弱围岩公路隧道开挖支护施工过程进行分析和探讨。

2 软弱围岩常用的施工方法

在进行软弱围岩施工时,因为隧道工程所处的环境复杂,外界因素对施工产生的影响比较大,因此要根据工程的具体情况,制定相应的支护开挖措施。当前,常用的隧道开挖支护方法主要包括双侧壁导坑法、单侧壁导坑法、台阶法等。一般来说,对于IV类围岩可以选用台阶法,而对于V类围岩可以选用导坑法和台阶分布开挖法。对于隧道围岩比较差的情况,要认真做好隧道的沉降控制,并使用单侧壁导坑法进行支护。

3 软弱围岩熔炉隧道开挖支护施工

在进行隧道开挖作业时,首先要将围岩的保护工作落实到位,并进行动态施工。隧道施工时,要做好保护工作,避免围岩强度受到影响。动态施工时,地质条件和地质力学情况会出现变化,所采取的开挖支护施工方法也需要进行相应的调整。当前,支护方法已经从单一支护逐步向着联合支护和多次支护的方向发展,特别是在预应力锚索施工技术出现后,软弱围岩隧道的支护施工质量得到了显著的提升。可以充分调动深部围岩的强度,并和浅部支护岩体共同作用后,提升隧道的围岩的稳定性。

3.1 影响隧道稳定性的因素

在隧道工程施工过程中,砂页岩和碳质页岩是对围岩造成破坏的主要因素,分别为岩体自身因素、外力作用因素、地质作用因素。其中,岩体自身因素指的是受时间因素、外力因素的影响,岩石产生了风化碎裂,降低了围岩凝聚力,一旦渗入水分,直接影响岩体结构的整体强度。尤其是在互层岩体强度分布不均匀时,受温度因素的影响,岩层间也会出现分裂滑动。外力作用因素指的是受外力的影响出现应力作用增大、软化作用变大、应力分布均匀性降低等问题,加剧了岩体破坏严重度,在断层的影响下出现剪碎和挤压等情况,导致节理发育岩体受砂页岩互层岩体和不均匀碳质页岩之间的强度影响增大。隧道碳质页岩与砂页岩互层是破坏围岩的主要因素。

3.2 隧道围岩公路隧道开挖支护施工过程模拟

本工程隧道总施工长度为1.17km,IV类围岩占隧道总施工长度的73%,II类围岩占总施工长度的10%,V类围岩占到了8%,大部分软弱围岩为IV类围岩,并且IV类围岩占比最大。因此,结合本工程的实际情况,主要模拟分析IV围岩的开挖支护施工。本工程在进行施工时,选用短台阶分布法来进行作业,以1~1.5m作为一个循环进尺,并使用光爆法进行开挖,安排仰拱紧跟。隧道仰拱施工时,要先进行二衬施工,只有这样才能使初期支护过程中可以快速形成封闭受力结构。在对边界条件进行确定时,选用比较先进的3D-σ三维有限元商用程序,可以非常直观地对填土施工、挖掘施工、支护施工、地层改良施工等进行模拟。施工模拟流程如下:开始→建立有限元模型、确定有限元模型、确定格中计算参数→施工各阶段模拟计算→保存计算结果→后处理→结束

在利用模型对隧道开挖进行假定以后,洞室初始应力发生变化后围岩会出现形变,导致支护结构产生变形。在进行隧道开挖作业时,要重点分析结构自重作用下的初始应力,对于温度应力和构造应力则可以不予考虑。采用六面体等参元模拟分析围岩结构的稳定性,然后利用壳体单元模拟混凝土喷射施工。锚杆结构的稳定性利用锚杆单元进行分析。隧洞后侧和前侧分别进行单向约束,隧洞垂直方式要对顶面和地面进行约束,地层需要进行模拟的厚度为80m,长度为47m,宽度为80m,一共模拟了6080个单元,模拟节点为26841个。

通过现场经验和现场测量确定围岩和支护的物理力学指标,经过计算后,证明III类围岩的弹性模量值为1500MPa,泊松比为0.35,比重为27kn/m3。采用混凝土材料和土体材料作为隧道支护材料,在对岩土材料抗剪强度进行计算时,使用莫尔-库伦屈服准则进行计算,将内摩擦角和粘聚力作为判断是否进入到塑性区域的主要参考依据。在模拟数值时,需充分考虑围岩介质的复杂性、介质分布开挖工序和施工方法,此外还要分析开挖面推进时的空间效应,可以非常直观地模拟出地层和支护的施工情况,具有较高的数据处理能力。

在进行施工模拟时,首先对隧道进行全断面开挖,开挖施工长度为15m,第2步和第3步进行上台阶的开挖,从第6部开始~第13部进行下台阶的开挖,每次开挖为1m,上台阶和下台阶的距离为3m。第13部为后期初期支护内力如图1所示。各部分施工过程中拱顶下沉如图2所示。底板隆起和开挖进尺关系图如图3所示

1 喷层混凝土最大主应力等值线

2 拱顶下沉和开挖进尺关系曲线

3 底板隆起和开挖进尺关系图

在隧洞洞室开挖施工后,打破了原应力的平衡状态,使洞室围岩中的应力重新进行了分布,在临空洞洞壁附近的切向应力过于集中,导致此区域范围的岩体进入塑限状态。在开挖施工不断发展的情况下,应力不断转移到临空洞壁上,导致围岩塑性区域向围岩深部不断地进行扩展。通过模拟分析发现,公路隧道施工阶段和施工完成后隧洞的四周出现了一些破坏区域,主要分布在隧道底部、拱腰、拱顶等位置,并且随着施工的逐步开展破坏范围日益加剧,沿胴体出现了大范围的塑性区域,洞体边墙位置呈现出了塑性。开挖施工完成后,围岩的塑性范围值为1~4.6m,还没有形成一个完全封闭的围岩塑性圈,对围岩产生的影响还处于可控状态下。但由于洞体边墙位置3~4.5m深度范围内表现为塑性,因此在设计隧道支护结构时,使用长度为3m的锚杆达不到要求,需采用缩脚锚杆等方法进行特殊处理。

通过拱顶下沉和开挖进尺的关系图可以发现,受隧道开挖空间效应的影响,掌子面拱顶围岩在施工前期已经出现了6.4mm的沉降,这一部分沉降量无法使用常规方法准确测量,因此需要开挖至掌子面后才可以将测点布置好。随着开挖进尺的不断加大,拱洞的下沉量不断增加,在掌子面开挖到距离测量断面10m的距离时,会使沉降量增大5mm。与此同时,拱底隆起也出现了比较相似的效应。根据开挖进尺和洞底隆起关系图可以发现,使用台阶法进行施工会逐步将洞底应力释放出来,在掌子面方向上已出现了12mm的隆起量,施工初期进行支护后,洞底隆起量增长速度逐步减缓,通过锚固支护使开挖施工过程中对围岩造成的扰动显著降低,提升了围岩的承载力,使围岩的稳定性得到了改善。

通过模拟分析证明,本工程采用短进尺、短台阶、早封闭、少扰动的分布平行施工方法进行施工是合理可行的。

4 结语

综上所述,在进行公路隧道开挖施工时,软弱围岩问题需要重点考虑。随着我国工程建设的不断发展,需要深入分析软弱围岩隧道施工过程中开挖支护产生的影响,并提出针对性的改进措施,保证隧道工程的施工稳定和施工安全。


参考文献

[1]刘小军,张永兴,高世军,等.软弱围岩隧道洞口段失稳机制分析与处置技术[J].岩土力学,2012,(7).

[2]佘健,何川.软弱围岩段隧道施工过程中围岩位移的三维弹塑性数值模拟[J].岩石力学与工程学报,2006,(3).


收稿日期:2018-03-17

作者简介:李银兵(1976-),男,贵州遵义人,遵义交通建设投资(集团)有限公司高级工程师,研究方向:施工管理。

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