双连拱隧道施工中围岩应力变化探讨

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摘要:在双连拱隧道施工过程中,由于围岩应力的重新分布、围岩的性质较复杂且变化多、人为的因素对围岩性质影响大等因素事先无法估计。因此,应采取理论分析和经验判断相结合方法,指导双连拱隧道的施工。文章以具体工程为例,探讨了如何进行围岩压力计算分析,以期对类似工程提供借鉴。

关键词:双连拱隧道;围岩应力;隧道施工;围堰压力计算

中图分类号:U452文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)07-0146-02

一、工程概况

斑竹园双连拱隧道位于安徽省金寨县斑竹园镇斑竹园村,设计为高速公路双连拱隧道,净宽10.75m,净高5.0m,隧道长度269.00m,进口位于六武高速公路里程K80+904,出口里程K81+173。隧道中隔墙采用三层夹心式曲墙结构,二次衬砌独立成环,内轮廓形式为单心圆。

隧址区属低山地貌,海拔250～310m。进洞口段地形较缓,坡角约15°,其两侧地形较陡,坡角约20°～30°,入口左侧山坡见零星基岩出露,岩体较为破碎,局部有坡积层,厚度0.3m。右侧地形缓,坡积物较厚,约0.5～1.0m,未见基岩出露。隧道洞身穿越山体,山坡坡体表层局部有少许坡积物,厚约0.2m,较松散。出洞口段地形极陡,坡角约50°,坡角见较多堆积块石,块径0.2～0.5m,少量可达3m,其它坡积层厚约0.2m,较为松散。出露基岩较为破碎。隧址区发育的地层,岩性主要为花岗片麻等变质岩。自上而下可分为全、强、弱―微风化层,全风化层厚约2.0m,强风化层厚2.0～4.1m,隧址区的节理、裂隙较为发育,多为张开或微张开,有泥质充填物,岩体呈碎块状松散结构。在出口段,地面横坡较陡,设计为单侧加厚变截面偏压衬砌。

本隧道K80+904～K80+928设计为明洞,K80+928～K80+966为V级围岩,平均埋深12m(最小埋深4m,最大埋深20m);K80+966～K81+046为IV级围岩,平均埋深31m(最小埋深20m,最大埋深42m);K81+046～K81+100为III级围岩,平均埋深50m(最小42m,最小58m);K81+100～K81+129为IV级围岩,平均埋深42m(最小埋深33m,最大埋深50m);K81+129～K81+170为V级围岩,平均深度17m(最小0m,最大33m);K81+170~K81+173为明洞。

主洞采用新奥法上下台阶开挖法开挖及支护,开挖顺序:中导洞(中隔墙)―右洞上、下台阶―左洞上、下台阶(左右洞开挖掌子面相距不超过20米)。施工顺序为:贯通中导洞―中隔墙砼灌筑―洞口管棚施工―正洞上台阶掘进及初期支护―中隔墙顶防排水处理―正洞下台阶开挖及初期支护―正洞边墙基座衬砌、封闭仰拱―正洞二次衬砌。

二、围岩压力分析

设计隧道的结构体系时,一般有两种计算模型,一类是以支护结构作为承载主体,围岩对支护结构的变形起约束作用,称为荷载――结构模型。另一类以围岩为承载主体,支护结构限制围岩向隧道内变形,它将支护结构与围岩视为一体,作为共同承载的隧道结构体系,称为地层――荷载模型。隧道开挖前,岩体处于初始应力状态,开挖隧道后引起围岩应力的重分布,以及围岩的自然“成拱作用”形成天然拱。根据两种模型可以这样认为:斑竹园双连拱隧道在浅埋段以荷载――结构模型分析其受力。在深埋部分应以地层―荷载模型分析其受力。所以在双连拱隧道开挖过程中围岩应力变化如下:

1.在中导洞开挖时,破坏了围岩初始应力状态,引起洞室及初期支护变形产生应力重分布,形成新的应力场―围岩二次应力场。

2.右洞开挖时,洞顶围岩应力亦重分布,形成围岩三次应力状态。

3.左洞开挖时,洞顶围岩应力也要重新分布,形成围岩四次应力状态。

4.设置“二衬”后,由于前面的一些变形并未完全停止,因而仍会有一部分力,如围岩的残留变形,以及施工后围岩物理力学性能的降低等,仍需“二衬”来承担。这种“二衬”后围岩的应力状态,应称为双连拱隧道围岩的五次应力状态。

上面1～4中均将中导洞、左洞、右洞开挖完后作为一个整体分析围岩应力变化状态,而并未将中导洞及左右洞又分上下台阶再进行围岩应力变化状态分析,是认为没有必要分的太细,只要知道理论上还应该是再分析的,但是两个过程时间间隔较短,是应力变化持续的一个过程。

三、围岩压力计算分析

针对上面的几种应力状态,计算分析其围岩受力情况:

1.中导洞开挖最大开挖宽度 B=6.34m,中导洞开挖可视为单洞开挖,其围岩压力定性分析如图1所示:

根据我国《隧规》中所推荐的计算深埋隧道围岩竖向匀布松动压力公式:

q=0.45×2s-1×γw

式中:s――围岩级别,如II级围岩,则s=2;

γ――围岩容重,kN/m3;

ω――宽度影响系数,且ω=1+i(B-5);

B――坑道的宽度,m;

i――以B=5m为基准,B每增减1m时的围岩压力增减率,当B5m时,取i=0.1。

中导洞开挖高度H=6.15m,H/B=0.97

坍方平均高度hq=0.45×2s-1×w=0.45×16×1.134=8.2m

则深、浅埋分界高度度Hq=2.5× hq=20.5m

(1)所以在开挖中导洞时K80+966～K81+129 段按深埋计算其受力:

竖向匀布松动压力(为简化计算过程,统一按Ⅳ级围岩考虑,围岩天然容重γ=28kN/m3):

q=0.45×2s-1×γw=0.45×8×28×1.134=114.3kPa

水平匀布松动压力:e=(0.15～0.30)×114.3=17.1～34.3kPa

(2)K80+928～K80+966、K81+129～K81+170按浅埋计算:围岩竖向匀布松动压力:q=γ×h;h为埋置深度,20m时q=560kPa;

水平匀布松动压力按朗金公式计算:e=(q+1/2γH)×tan2(45°-Ф/2)

式中:H――隧道洞身高度;

Ф――岩体计算摩擦角,取50°。

e=(560+86.1)×0.132=85.3kPa

(3)当埋置深度大于 hq、小于 H q 时,由于两侧岩体对拱顶岩体施加了“挟持”力,所以围岩竖向匀布松动压力、水平匀布松动压力要比(2)式中计算的要小,但从安全角度考虑,增加安全系数后仍可按(2)式计算。

2.在开挖右洞时,由于中隔墙施工不能保证与围岩“紧顶”,从而开挖宽度实际上应该为:右洞开挖宽度+0.6+中导洞宽度/2=16.12m。计算方法仍按上面公式计算,只是对于中隔墙,则其应力变化很大,承受着很大的来自围岩体变形产生的压应力,其应力值在100～500MPa之间,因此中隔墙砼的质量是控制的重点。接下来的右主洞下台阶开挖与上台阶相比,则应力分布几乎没有改变。只在原来右边拱脚应力集中位置下移到新的拱脚位置。通过计算:H/B=9.3/16.12=0.6

3.左主洞上台阶的开挖进一步改变了岩体应力的分布,整个分析区域的应力分布呈现出关于中隔墙中心线对称的分布形态,最大压应力值也比上一工序大。上下台阶法开挖施工方法中,对围岩体应力场的变化起到较大作用的是右主洞和左主洞上台阶的开挖,下台阶的开挖不会造成应力场大的变化。相似的应力变化也存在于左洞靠近中隔墙的拱腰处。对其它点,则应力的变化比较平缓,没有出现应力急剧增加的情况。这说明对双连拱隧道,中隔墙墙顶的区域内是受力最不利的地方,在设计和施工时应该重点考虑。由于在开挖左洞时,右洞的初期支护已经处于基本稳定状态,所以其开挖宽度要小于右洞,再进一步可推知其围岩竖向匀布松动压力、水平匀布松动压力要比右洞开挖时要小。

4.从单洞受力的角度讲,支护结构是不必要的,它只是用来防止围岩风化、减少通风阻力,以及作为安全储备以抵抗围岩状态恶化和特殊灾害所造成的意外荷载。但从斑竹园双连拱隧道整体讲,围岩不能保持稳定,况且形成自然拱的岩体重量也大,因此,就必须设置支护结构,从隧道内部对围岩施加约束,控制围岩变形,改善围岩的应力状态。此时的支护结构就是主要的承载单元。此时的围岩压力定性分析如图2所示:

四、结语

由于双连拱隧道施工过程中的五次围岩应力重分布,围岩的性质较复杂,而且变化很多、人为的因素如开挖和支护方法,对围岩性质影响很大,事先无法估计。所以应以理论分析,经验判断相结合,指导双连拱隧道的施工。本文从初稿到决定发表历时近两年,期间六武高速公路建设办公室总工马祖桥、六武高速公路总监办麻德国给予很多指导,在此表示感谢。但是由于在许多连拱隧道的专著中都没有看到这种围岩应力分析的方法,所以希望与大家探讨。

参考文献

[1]关宝树.隧道施工要点集[M].人民交通出版社,2003.

[2]钟桂彤.铁路隧道[M].中国铁道出版社,1990.

[3]六武高速公路斑竹园隧道设计文件.

[4]姚振凯,黄运平,彭立敏.公路连拱隧道工程技术[M].人民交通出版社,2006.