临时仰拱对炭质千枚岩隧道稳定性影响分析.doc

1、1临时仰拱对炭质千枚岩隧道稳定性影响分析【摘要】新建兰渝铁路两水隧道位于甘肃省武都区白龙江左岸中山区,地形较为陡峻，相对高差 400m ,隧道最大埋深 346m，隧道主要穿越炭质千枚岩夹板岩，以炭质千枚岩为主，局部夹有板岩，岩体受构造影响，褶皱发育，岩体极破碎，完整性差。针对本工程特点，研究炭质千枚岩深埋隧道沉降控制技术十分重要。本文通过对有无临时仰拱进行对比分析，采用 Flac3.0 进行数值模拟，得出临时仰拱的施作临时仰拱对隧道水平收敛抑制作用明显，保证了工程质量和施工安全，为类似工程提供参考和指导。 【关键词】炭质千枚岩深埋变形控制 中图分类号： TU196+.1 文献标识码： A 文章

2、编号： 1 前言 根据兰渝线两水隧道薄层炭质千枚岩开挖、支护后，隧道水平收敛逐渐扩大导致局部失稳，拟按照原设计支护参数，在上台阶拱脚处施作临时仰拱的方案。 为研究有无临时仰拱时，隧道洞周位移变化的趋势，分析比较隧道围岩和支护结构的变形和受力特性，开展有无临时仰拱时隧道模型的三维数值计算模拟分析。可为类似工程提供参考依据 2 工程概况 新建兰渝铁路兰广段软岩隧道主要分布地层炭质板岩、炭质千枚岩2等软质岩。新建兰渝铁路两水隧道位于甘肃省武都区白龙江左岸中山区,地形较为陡峻，相对高差 400m ,隧道最大埋深 346m，隧道进口里程:DK357+082，出口里程:DK362+084，全长 4922.

3、35m。 隧道主要穿越炭质千枚岩夹板岩（S2+3cph+Sl） ，以炭质千枚岩为主，局部夹有板岩，深灰、灰黑色为主，含炭质，鳞片变晶结构，片状构造，具丝绢光泽，污手，受构造影响岩体破碎，级软石。岩体受构造影响，褶皱发育，薄片、薄层状岩层被节理切割成碎块状，岩体极破碎，完整性差。该隧道地层条件复杂，志留系中、上统千枚岩夹板岩、炭质千枚岩夹板岩、灰岩等，其中炭质千枚岩夹板岩、断层及断层影响带长约3600m2 3 临时仰拱作用效应分析 3.1 计算条件 3.1.1 施工方法 根据现阶段两水隧道施工位置和开挖揭露地层情况，即埋深346m、级软岩，三台阶预留核心土施工。研究分析下面两种工况： 有临时仰拱

4、时的施工模拟，具体工况为：开挖完毕后，初喷一层5cm 混凝土封面，架立钢架喷射混凝土，而后施作锚杆，再在上台阶拱脚处施作临时仰拱。 无临时仰拱时的施工模拟，具体工况为：开挖完毕后，初喷一层5cm 混凝土封面，架立钢架喷射混凝土，而后施作锚杆。 3.1.2 计算模型及参数 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 43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110m50m130m(隧道顶部到模型上表面的距离为 72.

5、37m)，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。 另外，由于隧道最大埋深为 346m，建模时未按实际埋深建立，故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 5.7MPa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，未考虑二次衬砌效应，其中模型共划分了 63903 个节点和 60000 个单元。 围岩视为摩尔-库仑理想弹塑性材料，支护结构视为弹性材料。钢架采用 I20b 全环设置，间距为 0.5m，初期支护为 25cm 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

6、性模量；拱部采用 25 组合中空锚杆，边墙采用 22 全螺纹砂浆锚杆，L4.0m，120 cm100cm(环纵)。围岩物理力学参数参照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 地层和支护的物理力学性能指标 注：初期支护弹性模量需按等效刚度原则经转换计算求得。 3.3 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4分别为 4.76m，3m，2.5m，仰拱高度为 2.112m；上、中、下台阶长度分别为 6m，8m，6m。另外，上台阶核心土纵向长度保持为 3m。 有临时仰拱时施工步骤 计算每开挖步开挖进尺 1m，5cm 初喷混凝土封面滞后一

7、个开挖循环，架立钢架喷射混凝土滞后两个开挖循环，锚杆施作滞后三个开挖循环，施作临时仰拱滞后四个开挖循环。 无临时仰拱时施工步骤 计算每开挖步开挖进尺 1m，5cm 初喷混凝土封面滞后一个开挖循环，架立钢架喷射混凝土滞后两个开挖循环，锚杆施作滞后三个开挖循环，无临时仰拱作业，直接进入下一作业循环。 另外，为最大限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。 3.4 数值模拟结果及分析 为最大限度减少边界约束对计算结果的影响，选取中间断面作为计算数据提取断面；中间断面周边位移最终监测结果如表 3-2 所示。 3.4.1 洞周位移与开挖步关系 表 3-

8、2 周边位移监测结果 临时仰拱对水平收敛影响变化还是比较大，但对拱顶沉降和底部隆起影响效应不是很明显。 3.4.2 支护结构受力分析 5有临时仰拱工况与无临时仰拱工况支护结构受力特点相似，最大压应力都发生在拱肩位置，而最大拉应力都发生在拱顶位置，有临时仰拱工况比临时仰拱工况最大主拉应力小 51.16%。 3.4.3 锚杆轴力分析 有临时仰拱与无临时仰拱两种工况锚杆基本上都处于受拉状态，拱部锚杆拉力较小，边墙部位锚杆拉力最大。 3.4.4 围岩塑性区分析 有临时仰拱工况与无临时仰拱工况围岩塑性区范围基本差不多，但掌子面前方，有临时仰拱工况比无临时仰拱工况围岩塑性区范围小一个开挖循环，约为 1m。 3.6 结论 （1）有临时仰拱工况与无临时仰拱工况两种计算模拟结果显示两者比较，临时仰拱对隧道水平收敛抑制作用较为明显，考虑隧道变形和支护结构受力和围岩塑性区等参数指标，其对于隧道稳定性的影响作用还是十分有利的。 （2）从薄层炭质千枚岩开挖、支护后，隧道水平收敛逐渐扩大导致局部失稳的现状考虑，建议拟按照原设计支护参数，在上台阶拱脚处施作临时仰拱。