关键词:
复杂结构隧道
边坡-变截面隧道体系
曲线隧道
分岔隧道
数值模拟
参数优化
摘要:
某砂岩地层复杂多洞室隧道由洞口变截面段、曲线段及分岔段三个关键区段组成,结构形式复杂,存在施工难点。本文以此隧道工程为研究背景,为解决上述三个区段施工关键难题,采用现场调研、室内试验、数值仿真试验的研究方法,对隧道开挖时围岩变形及支护受力展开研究,同时提出施工优化方案,保障项目安全高效施工,同时为类似工程提供指导。论文主要研究工作及成果如下:
(1)总结本项目工程概况,分析既有隧道施工方法,初步筛选出适合本项目工况的施工方法。最终确定:本项目选择施工快速、高效、并且在变截面扩挖、曲线偏向挖及分岔开挖时工序简单、工法转换方便、施工安全高效的全断面法施工及台阶法施工,并适当对施工方案进行优化以进一步更好地控制围岩变形。
(2)针对洞口变截面段隧道施工难点,采用超前爬坡法(ACEM)和爬坡反向扩挖法(CREM)进行施工,分析隧道围岩变形和支护受力规律,对比分析不同开挖方法、不同爬坡角度下坡面沉降、拱顶沉降、边墙位移及拱底隆起特征,得到最优施工方案。结果表明:隧道上方的坡体呈现出由坡脚和坡顶向隧道中段处集中滑移的趋势。拱顶及拱底附近围岩向洞内方向挤压,而边墙附近围岩向洞外方向挤压。最大拱顶沉降发生在隧道中部,最大拱底隆起与最大拱顶沉降不在同一断面位置而是更靠近洞口。拱顶、拱底表现出应力松弛,边墙表现出压应力集中。张拉破坏主要出现在坡顶、坡面支护区、拱顶和台阶下方,而剪切破坏主要出现在掌子面;当掌子面推进至IV级围岩后,剪切破坏区逐渐上移并沿岩层分界面向上扩展;隧道开挖完成后,拱顶和拱底以张拉破坏为主,边墙既有剪切破坏也有张拉破坏,洞口处坡体张拉破坏范围则由拱顶向上贯通至坡面。ACEM法和CREM法位移云图分布趋势基本相同,相较于ACEM法,CREM法在控制拱顶沉降上略显不足,但能够显著限制边墙位移;小坡比的爬坡开挖可以较好地控制拱顶沉降,但会增大边墙的水平位移。综合评估位移控制效果,选择坡比为1:4的爬坡反向扩挖法(CREM1:4)作为最终施工方案。
(3)针对小半径曲线段隧道施工难点,分析三台阶法施工下曲线隧道围岩位移应力及支护应力特征,采用正交试验,对拱顶沉降、拱底隆起、曲线内外侧边墙位移进行极差分析与方差分析,优化台阶法施工几何参数。结果表明:曲线隧道内外侧边墙位移不对称,内侧位移大于外侧位移,内侧约为外侧的1.17倍。曲线隧道施工时开挖方向偏转,内侧扩挖,曲线隧道围岩位移场存在向曲线内侧偏移的特性。同时,扩挖现象也使得支护体系应力场分布不对称,曲线内侧的围岩应力、初支应力、锚杆轴力均大于曲线外侧。隧道开挖至贯通阶段,在上台阶掌子面推进经过中线时,围岩变形开始叠加;上台阶掌子面相距8 m时,围岩变形明显出现叠加效应;上台阶贯通后,随着中下台阶继续开挖,叠加效应开始减弱,位移场发展逐渐趋于稳定。上台阶高度、上台阶长度、中台阶长度三因素对拱顶沉降、拱底隆起、隧道曲线内侧边墙位移、曲线外侧边墙位移均有影响,三因素对位移影响程度大小顺序均为:上台阶高度>上台阶长度>中台阶长度。综合考虑极差、方差分析,本工程建议采用最优施工参数组合为上台阶开挖高度取0.53倍跨度,约为4 m、上台阶开挖长度取0.8倍跨度,约为6 m、中台阶长度取0.8倍跨度,约为6 m。
(4)针对T字型、十字型、双T字型分岔隧道施工难点,对围岩及初期支护进行变形应力分析,对比分析采用不同初期支护加厚范围进行施工时围岩最大拱顶沉降、最大拱底隆起及最大边墙位移,提出最优初期支护加固方案。结果表明:主洞开挖时围岩位移呈现标准的S型分布,而随着支洞的开挖,分岔隧道的围岩位移出现突变。当支洞断面面积小于主洞时,拱顶沉降呈U型分布;当支洞断面面积大于主洞时,拱顶沉降呈现V型分布,极值点均在主支洞交叉几何中心上。支洞的开挖进一步增大了围岩位移,并对先开挖支洞产生了扰动。分岔隧道开挖完成后,隧道围岩最大变形主要发生在交叉区的拱顶、边墙和拱底。拱底的变形范围较小,但最大变形量较大。分岔隧道的围岩应力为压应力,而支护应力也为压应力。主洞开挖时,应力变化主要发生在边墙、拱顶和底区域,拱顶和拱底表现出应力松弛,边墙处最小主应力体现为压应力集中。隧道洞周围岩以剪切破坏为主,张拉破坏主要集中在拱顶、边墙和拱底。支洞开挖导致应力再次变化和应力松弛的范围扩大,应力集中现象更加明显。在交叉区附近初支加入钢架并增厚初支进行加固,围岩变形得到有效控制,但随着加固范围的扩展,位移控制效果逐渐降低。综合考虑加固范围、加固效果和施工效率与经济性,确定在交叉区外拓5米范围内为最佳加固范围,能够确保交叉隧道的快速安全施工。