某湿陷性黄土隧道施工过程力学特性及塌陷区施工控制.pdf

公路 2009年2月 第2期 HIGHWAY Feb12009 No12 文章编号 0451 0712 2009 02 0205 05 中图分类号 U455149 文献标识码 B 某湿陷性黄土隧道施工过程 力学特性及塌陷区施工控制 景 韧 王永刚 甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司 兰州市 730030 摘 要 通过对某穿越湿陷性黄土地层隧道某塌方段地层 结构法和荷载 结构法的数值对比计算分析 表 明虽然隧道上方塌陷后原状土体结构遭到破坏 但在围岩与衬砌支护结构变形协调的共同作用过程中 塌陷区黄 土围岩的承载潜力仍要考虑到计算中 单纯的荷载结构法计算不能充分反映衬砌支护结构受力 变形的实质 采用 地层结构法计算更符合实际情况 同时 根据塌陷段地质情况 采取了地表深孔注浆加固地层的处治方案 通过现 场试验分析 论证 表明该处治方案合理 有效 较好地实现了地层加固的目的 关键词 隧道工程 黄土围岩 湿陷 地表塌陷 施工控制 在西北地区黄土高原修建高速公路隧道 碰到 的首要难题是湿陷性黄土地质问题 我国在隧道设 计和施工控制方面已经积累了丰富的工程经验 但 在湿陷性黄土围岩中修筑隧道尚缺乏有效的经验积 累 尤其是湿陷性黄土围岩 地表塌陷后的施工控制 方面 尚属空白 本文以某长为2 600 m的湿陷性 黄土隧道为例 对其施工过程的受力 变形特性及塌 陷后的施工控制技术进行了介绍 以期为今后类似 隧道的设计 施工提供借鉴和参考 1 工程地质概况 某黄土隧道穿越湿陷性黄土地层 从地表往下 依次为风成一般新黄土 Q 3 eol 湿陷性黄土 Q 3 al 和一般新黄土 洞身湿陷性黄土富含第四纪孔隙水 呈饱和状 易蠕动的松软结构 围岩极易坍塌变形 有渗水 滴水现象 隧道开挖至某湿陷段落时 由于洞顶黄土地层 厚约60 m 隧道洞身开挖施工段落所处黄土塬台 地 一般是黄土陷穴 古空洞 的多发地 短时骤降水 通过大孔隙和垂直节理渗透到洞周 造成土体含水 量增大 抗剪强度降低 导致围岩失稳 坍塌 洞内由 开挖面至一期模筑衬砌未成环段 纵向33 m产生 严重塌方冒顶事故 相应地表纵向约40 m 横向约 35 m形成塌陷凹地 塌陷最低处约315 m 2 施工开挖过程数值模拟分析 211 数值计算模型 选取湿陷性黄土围岩塌陷区典型地质断面 采 用MIDAS GTS进行计算 分析 有限元计算采用 平面应变模型 Mohr2Coulomb屈服准则 关联流动 法则 水平宽度取隧道中线两侧各30 m 竖向从地 表往下依次为47132 m 上部一般新黄土 1914 m 湿陷性黄土 14105 m 下部一般新黄土 隧道衬 砌支护结构按照 级衬砌选取 黄土围岩 拱部注浆 加固区域 一期模筑衬砌采用四边形单元模拟 钢拱 架采用梁单元模拟 左 右侧边界水平向约束 下部 边界竖向约束 上部地表自由 共划分1 693个单 元 计算荷载仅考虑岩土体自重及围岩开挖释放荷 载 围岩开挖后释放荷载10 综合考虑超前注浆 支护和钢拱架承担释放荷载50 一期模筑衬砌后 释放荷载25 二次模筑衬砌释放荷载15 计算 网格模型及围岩的物理力学参数见图1 表1 由于该湿陷性黄土围岩是完成上半断面一期模 筑衬砌后发生的塌陷 因而 数值模拟仅考虑完成上 半断面一期模筑衬砌支护的情况 施工顺序如下 0 拱部围岩管棚超前注浆加固 1 拱部开挖 拱 部钢拱架支护 2 左侧部开挖 左侧部钢拱架支 护 3 右侧部开挖 右侧部钢拱架支护 上半 断面一期模筑衬砌 收稿日期 2008 05 20 图1 数值计算网格模型 表1 岩土层物理力学参数 岩土层类别 容重 kN m3 内聚力c kPa 内摩擦角 弹性模量E MPa 泊松比 上部一般新黄土20 055 021 026 510 40 中部湿陷性黄土20 540 215 722 200 40 下部一般新黄土21 5651727 240 40 注浆加固围岩21 5200355000 35 C25模筑衬砌50 cm252 0005529 5000 20 212 一期模筑衬砌后受力 变形分析 从表2中的主要控制点位移可以看出 地表中 部位移最大为78188 mm 地表左侧位移比右侧位 移偏大 主要由于左侧部先开挖支护 右侧部后行开 挖支护对左侧已开挖支护部分围岩有扰动 导致围 岩应力进一步释放 从而引起地表左侧沉降比右侧 沉降偏大 拱顶沉降最大达188156 mm 从开挖支 护过程的拱顶沉降可以看出 在钢拱架支护 施作锁 脚锚杆 后沉降速率明显变缓 说明钢拱架支护后及 时施作锁脚锚杆可以充分发挥钢拱架的竖向支撑作 用 有效控制围岩的进一步松弛变形 一期模筑衬砌应力分布见图2 图5所示 从钢拱架的受力情况可以看出 钢拱架拱顶部 位最大压应力为305191 MPa 左侧拱脚压应力 222111 MPa 右侧拱脚压应力162124 MPa 说明右 侧后行开挖支护对左侧先行开挖支护部分围岩有扰 动影响 导致围岩应力进一步释放 使得左侧拱脚压 应力比右侧拱脚压应力偏大 一期模筑衬砌最大竖向压应力在左右拱脚部 位 最大压应力为115 MPa 拱顶部位竖向压应力为 55110 kPa 最大水平向应力拱脚部位为63190 kPa 表2 施工开挖过程控制点的竖向位移 开挖支护顺序 控制点竖向位移 mm 隧道拱顶地表左侧地表中部地表右侧 拱部开挖10 322 092 202 09 拱部钢拱架支护83 0016 4517 4316 44 左侧开挖87 0219 4419 8818 24 左侧钢拱架支护100 7433 3830 5725 38 右侧开挖103 1434 9532 7228 03 右侧钢拱架支护111 0440 4441 6640 14 一期模筑衬砌153 3457 9259 7257 42 二次模筑衬砌188 5676 5478 8876 07 图2 一期模筑衬砌后钢拱架轴向应力 图3 一期模筑衬砌竖向应力分布 图4 一期模筑衬砌水平向应力分布 602 公 路 2009年 第2期 图5 一期模筑衬砌剪切应力分布 拱顶部位为1135 MPa 一期模筑衬砌最大剪切应力 在左 右拱腰部位 左侧为 748174 kPa 右侧为 787140 kPa 一期模筑衬砌的内力均在规范容许范 围内 213 荷载结构法计算分析 为了与地层结构法计算结果进行对比 同时采 用了荷载结构法进行计算 荷载分配按照围岩超前 预注浆加固及钢拱架承担45 48 的塌陷区竖 向松散荷载 一期模筑衬砌承担32 40 二次 衬砌承担15 20 的塌陷区竖向松散荷载考虑 轴向应力和剪切应力分布见图6 图7所示 图6 荷载结构法一期衬砌轴向应力分布 图7 荷载结构法一期衬砌剪切应力分布 从计算结果可以看出 一期模筑衬砌最大剪切 应力在左 右拱脚部位 最大剪切应力为212 MPa 超过规范容许的1 MPa的最大剪切应力范围 采用荷载结构法 将隧道上方塌陷区松散土体 全部作为松散荷载 作用在衬砌支护结构上进行计 算 忽略了围岩与衬砌支护结构在变形协调过程中 发生的应力重分配及调整 从而忽略了围岩的承载 潜力 虽然隧道上方塌陷后原状土体结构遭到破 坏 但在围岩与衬砌支护结构变形协调的共同作用 过程中 黄土围岩的承载潜力仍要考虑到计算中 单 纯的荷载结构法计算不能充分反映衬砌支护结构的 受力 变形实质 214 黄土隧道深 浅埋界定及分析方法 黄土围岩隧道采用地层结构法或荷载结构法进 行衬砌结构受力分析 突出的问题是黄土地层隧道 深 浅埋分界厚度的界定问题 目前工程界和学术界 主要存在两种观点 一种认为 从松弛荷载角度考 虑 在施工中以不能保证形成承载拱的深度为深 浅 埋的分界厚度 另一种认为 从连续介质力学角度出 发 隧道开挖所造成的围岩松弛影响范围不能达到 地表的深度为深 浅埋的分界厚度 根据多座黄土隧道的现场测试结果及结构计算 分析 我们认为 对于黄土隧道这类岩土结构相对松 散 大孔隙介质而言 深 浅埋的分界标准 不仅与隧 道周围岩土的物理力学参数有关 还与隧道断面形 状及大小 特别是开挖跨度以及施工方法有着十分 密切的关系 涉及因素较多 不能简单地按照地表是 否出现纵向沉降裂缝判断为浅埋隧道 同时也不能 简单地按照 公路隧道设计规范 中关于深 浅埋的 计算方法确定深 浅埋分界厚度 进而进行衬砌支护 结构的设计 施工 合理的分析方法应结合数值分 析手段采用地层结构法进行计算分析 充分考虑隧 道施工开挖 支护过程中黄土围岩与衬砌支护结构 在变形协调中产生的应力重分配及调整 以及由此 产生的形变压力及黄土围岩的承载潜力 3 塌陷区施工控制方案 通过上述关于黄土隧道深 浅埋深的界定分析 结合该隧道分别采用地层结构法和荷载结构法的计 算结果以及现场施工监测的有关资料 该隧道采取 地层结构法计算相对更符合实际情况 针对湿陷围岩段落塌陷冒顶造成塌陷范围内原 状黄土结构的破坏及临近土体的松动 从而使土体 702 2009年 第2期 景 韧 王永刚 某湿陷性黄土隧道施工过程力学特性及塌陷区施工控制 变得疏松 强度降低 甚至形成空洞的实际情况 设 计上采取在塌陷区域地表深孔注浆加固 从地表对 20 40 m区段进行压力注浆加固塌陷区地 层 洞内超前注浆加固 边墙斜向超前注浆加固 初 期支护钢拱架提高为I25a工字钢 纵向间距为 50 cm 一期模筑混凝土衬砌厚度增大至60 cm的综 合处治方案 对于地表深孔注浆 目前在40 m左右的深度范 围可以得到较好的控制 深度增大后在侧向土压力的 作用下容易引起钻孔的缩径 注浆压力提高过大灌浆 设备达不到相关技术要求 因而 设计采取在隧道拱 顶上方区域垂直注浆 边界部位15 倾角斜向中线方 向注浆 有效注浆深度控制在底部20 m范围 注浆 区域底部距离隧道拱顶上方20 m左右 这样在隧道 拱顶上方塌陷的地层内相当于形成了20 m厚的注浆 加固承载拱 整个注浆加固区域形成的注浆加固承载 拱将上部土体压力向两侧黄土围岩传递 从而降低作 用在隧道衬砌支护结构上的竖向压力荷载 在注浆压力作用下 浆液首先对加固地层范围 内的空洞 孔隙 裂隙 陷穴等进行注浆充填 随着注 浆压力的提高 浆液沿土体中小主应力面产生压力 劈裂 形成浆脉 挤压两侧土体 土体中随机分布的 水泥 黄土二元结构结石体相互穿插 交错 形成立 体树枝状浆脉支架体系 这样 有一定立体加固 支 撑作用的浆脉支架体系与在一定程度上被挤密的土 体共同在塌陷区形成新的复合支撑土体 塌陷区黄 土围岩的物理 力学性质会得到明显改善 复合土体 整体强度能得到提高 从而有效地实现了对地层加 固的目的 通过在塌陷区黄土地层内实施现场注浆试验 试验区段为长18 m宽6 m的矩形区域 最终确 定如下浆液配比及控制方案 塌陷区帷幕孔浆液配比采用 水泥 黄土 水 1 6 315 塌陷影响范围内注浆孔浆液配比采用 水 泥 水 1 0145的水泥浆 并掺水泥用量5 的水 玻璃 以加快浆液凝固 为了控制注浆加固的质量 采取了注浆量控制与注浆压力控制的双控措施 塌陷区共实施帷幕注浆孔145个 钻孔累计进尺 5 800 m 注浆量1 957 m3 塌陷区水泥水玻璃注浆孔 430个 钻孔累计进尺17 200 m 注浆量6 449 m3 共 加固土方44 306 m3 试验区段塌陷区注浆加固前后 物理力学指标及浆脉分布情况见表3及图8所示 表3 塌陷区地层注浆加固前后物理力学参数指标 取样深度5 m 土样 含水量 容重 kN m3 干密度 kN m3 孔隙率 内聚力c kPa 内摩擦角 无侧限 抗压强度 kPa 浆脉结石体 抗压强度 MPa 塌陷区一般 新黄土 11 813 011 656 9262769 2 11 813 111 756 6272959 8 注浆孔加固土14 116 714 646 0403197 98 6 帷幕孔加固土13 815 914 048 4333088 45 4 图8 试验区段开挖后浆脉与注浆孔分布情况示意 从塌陷区地层注浆加固前后物理力学参数对比 可以看出 在塌陷区域实施地表深孔注浆加固 可以 有效改善塌陷区黄土围岩的力学指标 使塌陷区地 层强度得到明显提高 实现了塌陷区地层加固的设 802 公 路 2009年 第2期 计目的 4 结论 1 本文对某湿陷性黄土隧道塌方段进行了地 层结构法和荷载结构法的对比计算 分析表明 虽然 隧道上方塌陷冒顶后原状土体结构遭到破坏 但在 围岩与衬砌结构变形协调的共同作用过程中 塌陷 区黄土围岩的承载潜力仍要考虑到计算中 单纯的 荷载结构法不能充分反映衬砌结构的受力及变形实 质 采用地层结构法计算更符合实际情况 2 针对塌陷区地质状况 采取了地表深孔注浆 的处治方案 通过现场试验 论证 深孔劈裂注浆形 成的水泥 黄土二元结构结石体相互穿插 交错 形 成立体树枝状浆脉支架体系 有效提高了塌陷区黄土 围岩的力学指标和复合土体的整体强度 从而实现了 塌陷区地层加固的目的 参考文献 1 韩士洲 1 陕北黄土隧道塌方注浆治理效果分析 J 1 西部探矿工程 2005 8 1 2 杨万峰1 黄土隧道塌方处理施工技术 J 1 铁道建筑 技术 2005 Z1 1 3 丁维利 赵永明 初厚永 等1 浅埋大断面湿陷性黄土 隧道地表变形规律分析 J 1 铁道建筑技术 2007 5 1 4 赵占厂 谢永利 杨晓华 等1 黄土公路隧道围岩压力 测试分析 J 1 现代隧道技术 2003 4 1 Mechanical Behavior During Construction Process and Construction Control for Collapsing Stratum of Collapsible Loess Tunnel J ING Ren WANG Yong2gang Gansu Province Transportation Planning Survey and Design Institute Co1 Ltd1 Lanzhou 730030 China Abstract Numerical study and comparison analysis of stratum2structure and load2structure in a collapse area of a tunnel which runs through collapsible loess stratum indicate that loading potentiality of loess surrouding rock in collapse area still needs to be taken into consideration in the interaction of surrouding