张家山隧道检算

1、张家山1号隧道塌方段支护参数检算报告石家庄铁道大学土木工程学院二0一一年三月1 工程概况DK135+385，出口里（W=60），后接 7mDK135+393，明洞长19m衬砌断面加宽张家山1号隧道全长2660m，进口里程 程DK138+045。进口洞门设计为偏压式明洞门 偏压式明洞（W=60），施工中暗洞进洞里程为 度8m。进口位于 R=4000曲线外侧，进洞W=60cm,其余均位于直线上。工程地质：洞口段为浅埋段，洞身地层为砂岩、泥质砂岩及 泥岩，全弱风化，节理裂隙发育。砂岩呈碎石状压碎结构，泥 岩呈碎石、块石状镶嵌结构。开挖过程中有少量基岩裂隙水，局 部呈滴渗状态。2010年11月25日0

2、:30分 现场安全员值班时发现在距掌子 面后方64m处DK135+525左侧边拱墙初支发现变形，5: 40分变形明显，迅速将人员机械全部撤出，06:10分DK135+525拱顶处发生坍塌。当日塌方地段DK135+520+550，塌方长度约30m,塌方量约3000方，外拱顶塌高约 57m,将隧道开挖断面 2/3堵 住；12月2627日，塌体继续向洞口方向扩大，塌体将 DK135+508+589段隧道全部封堵（本段地表埋深263570m）,至11月29日塌方基本停止。本次塌方特点是来的突然， 持续时间长，坍塌段长、塌方量大。DK135+508+589 （掌子面）长81m塌体已将隧道全部封堵，塌方长

3、度约60m，塌腔高度约15m 左右， 塌方量在1万方以上。塌体后方 DK135+468DK135+508 段左侧拱墙初支经山体挤压变形，个别局部侵限，右侧初支喷砼 表面脱皮掉块、钢格栅扭曲变形。地表高柱硬质岩堆下面村水泥 路面有多道裂纹，宽度在3cm左右，柱体岩堆大块状岩体滑落，将村路封堵（见塌方段示意图）。为了更准确的了解洞内塌体情况，请山西省第三地质工程勘 察院做物探来确认塌腔形状、高度，外拱顶上方堆积厚度，为处 理塌方提供相关参数（见张家山1号隧道 K135+480K135+580段空洞物探报告）。2010年12月2011年1月，按塌方处理方案要求，对 DK135+468+498长30m

4、受塌方影响初期支护变形段更换初支钢 架，扩大了拱墙初支断面，并进行了二衬。在DK135+498+500处施作大管棚导向墙。为增加导向墙抗压强度，按初支断面对导 向墙进行了全断面设置，内配4榀全环I 20a钢架，导向墙内拱顶2 / 14上部按双层管棚2m高设置，保证了双层管棚施工作业高度，增大了作业空间。按管棚施工设计方案，大管棚总长度103m，第一、二环各施作40m,第三环施作 23m，每环搭接长度 10m。从DK135+498 DK135+599 （掌子面+589，大管棚伸入未开挖段 10m做为搭接长 度）采用双层$ 108大管棚超前支护，每根钢管长度为123m （与上一环搭接10m）, 4

5、0m 一环，内层环向间距为每米3根，外层环向间距为每2米3根，在拱部140。范围内共设置52根，钢管 壁厚6mm、每根长6m、采用丝扣连接（或焊接），钢管总长6396m。 管棚布置见图1。2011年1月29日，我们采用四川成都 ZSY-80型钻神全液压 锚固水平钻机，在DK135+498起施工开始施作大管棚。钻机钻头采用$ 146mm偏心钻头，钻杆3m 一根，内接。为保证管棚在塌 体内伸入长度，施作到位，管棚施工采用跟管。跟管直径$ 146mm, 每1.5m 一根，接头采用内丝扣正反接头。施钻中根管随钻头同时 跟进接长，管棚打到设计位置后，退出偏心钻头及钻杆，安装完 管棚钢管后，用ZSB-80

6、T液压拨管机逐节退出跟管。2011年3月5日大管棚施工完毕，现已进入坍体开挖。为加强大管棚刚度，大管棚打入后内加钢筋笼，按水：水泥1:1比例注入水泥浆，注浆压力 2Mpa以上。图1管棚布置图OOOG COM985+53亠KD就hH+M.U55+虽 KU525+53舌805453KD864453KD鼬d曲汀1 Z Z才#丿丿丿J尹家严#y J.温岂 7mU 4 5上厂产F严“壬壬厂厂厂厂IT 了丄Lz5831-53110就阳口萍斗M氓曰木岡目”np曰tffi殆583+531 KDO g +1 1 1g+_dInni t 1 1 1 f尹DIN #直厂厂中国葛洲坝集团股份有限公对 山西中南部铁路通

7、道ZNTJ-4标图名张家山1号隧道进口段塌方断面图日期20K. 12中国葛洲坝集团1H份有限公司 山西中南部铁路通MZNTJ -4标张家山1号隧道进】I段塌方处理示意图H 期 2010,12塌方段大管棚施丄位置图2010. 12中丹梯洲坝集团肢份有限公司 山西中南部铁路通道ZNTJ-4标项目部2计算模型2.1设计及计算参数初期支护采用30cm厚C25喷射混凝土，工20钢架，间距0.5m/榀。计算所采用的物理力学参数具体见表2-10表2-1围岩及支护材料物理力学参数地层E/GPa1 /C/kPa丫 /kN/m3厚度/mV级围岩1.50.44510018.5-加固区40.35545021.50.4

8、8/0.24初期支护28.530.2-25000.32.2计算模型分析采用ANSYS二维平面应变弹塑性非线性方法进行计算，隧道埋深D=80m。计算模型选取两侧边界至隧道中心线距离为 30m,底部边界至隧道距离约为25m,上部取 至地面。侧面边界为水平位移约束，底面边界为竖向位移约束。模型上部边界为自由边 界，不受任何约束。有限元分析计算模型如图 2-1所示。计算只考虑隧道开挖及初期支 护阶段。计算中隧道的预支护考虑对围岩的整体加固作用，从而认为预支护的加固作用 使加固区域内的物理力学参数指标得以提高。加固区域可简化为实体单元。隧道采用台 阶法开挖。计算中荷载释放率为 40%,即支护承担60%的

9、围岩压力。共有53624个4节点四边形单元，共有节点数53575个，模型网格划分具体见图2-1, 三台阶法施工工序如图2-2所示。计算中模拟分析了隧道在开挖过程中，围岩变形、支 护弯矩、支护轴力以及支护应力等。从而判断支护结构的安全性。ELBHEhTTSACELriAP11S5ZM5ujFMiiaiaibLiJjaiaiaiaLLiJnrff：; :Etu3 3aiaiBEErjJzuj3iiaamr；XZLL:=MW?CTU滲 -JrJfJT-r-rJ - rfEr* * *J图2-1划分网格单元模型3计算结果及分析3.1围岩变形隧道周边围岩变形如图3-1图3-6所示1UML 5?lLn*J

10、aMnu-jHIB b4THE-OTIJHK-lPSTSTi&i加nD： -.CdDLL47hu sDimeIUE 4 2DUD：Z7 = J9.DISH-.&LM7I-.OLSMJ-v&msaM4 松 4-.OMB-55-.D1TMI6.?33?17-.DiDH?JTEF*5SW -4TlHE-lOX|呻P.5Y5-DDIPJffl -.NJQE-2SIP -,ODLSHJU 4 ZCLL1QSU羽昨图3-1上台阶开挖隧道周边竖向位移云图 图3-2上台阶开挖隧道周边水平位移云图MxoAi 竝nm血51TP-5 曹DB -4 nitt-t(IT| 砂iisnesnDDKC -.0&7957 S

11、IH -.M75S7 SKC ,W&47WIIUP 4 ZOLLKHdEiHXUML SlLnJJM tnj-5KB 8HfcTHE-5IKIJWi-l二SKW tfti -.AH&5?W -r-.WS14jHD： DDGZ3-42-MWE， ” -MMJ1诃郴-aj -.OlM -“咖-肿罰图3-3下台阶开挖隧道周边竖向位移云图 图3-4下台阶开挖隧道周边水平位移云图H|1 S&llTnaHnzp-7 胃DB -4 nitt-T or砂B51!3DDE -.0&7B16 2HI -. M7-51S si輩7SN-MWM -. -MMM -朋如-aUEFq 訥曲“叽-.01-MMSi j加1图

12、3-5开挖完成后隧道周边竖向位移云图 图3-6开挖完成后隧道周边水平位移云图从图3-1图3-6可以看出，在开挖支护完成以后，隧道的变形不大，最大水平收敛仅有3.356mm,最大拱顶沉降为27.816mm。3.2围岩应力隧道周边围岩应力如图3-7 图1-12所示u:rnL siLzn-H5TEF-3ANZAf: 4 KX1lUEnhL ElLHJdW5CBTCME-3肌4抽讪53M -255-E+C?nfc -nnri-；3E-*31UX*-I1p.LtiU 強-X3E33T4tTO-SOB shLTUK-WIJHXrlZH： .EKEHPPE 冷JUP 4 SOIL2D；51：4I- UU5-

13、 71ffE-Ci7-.HBX*-a1.31M+LHX*-I1UB4I图3-7上台阶开挖后第一主应力图图3-8上台阶开挖后第三主应力图UCML 51LZn：M5lIFS501 d|TCME-5肌4碗i1W53M -.34SE-h：7StA -itL2&9ANZAf: 4 2C11 .3MECT-.3ldE4-31- .Xr3X-*-IT- .XCTOJ-11_-X1I13E-.er?E*fc1-S74狮-4 TO-*n fj HET JBdfTTW 4 3331图3-13上台阶施工初支弯矩图图3-14上台阶施工初支轴力图1EIEANtUH.1冏JHSF-5 狮-4-3DIT3C14-11172

14、-j5Tnn-gcdid1EG2U7M27U3GD图3-15下台阶施工初支弯矩图图3-16下台阶施工初支轴力图anSr-t 狮-4 Tra-1? ME-JQC24n-X4P1122L13D33X123-3113d4L5HCH11CLE42：n77Efi图3-17开挖完成后初支弯矩图图3-18开挖完成后初支轴力图ELHM-534JJ IUX -M5-ML从图3-13图3-18可以看出，在开挖支护完成以后，支护结构的弯矩和轴力都较小, 只是在墙脚处出现了应力集中，最大弯矩为，最大轴力值为2380 kN。3.4支护结构安全度计算支护结构关键截面的安全系数见表 3-1所示。表3-1支护结构关键截面的安

15、全系数位置单元号轴力/N弯矩/N.m安全系数拱顶53341-2.38E+06-604522.227拱腰53351-2.16E+06299042.623拱脚53393-1.68E+068798.83.816墙中53421-5.65E+051.51E+052.499墙脚53465-9.88E+052.88E+051.282由表3-1可知，初期支护最不利截面为墙脚处，安全度为1.282，整个支护结构的安全系数除墙脚外均在2.0以上，说明支护结构是稳定的，墙脚部位需要加强。4结论由计算结果可看出:(1) 在设计参数条件下，隧道的变形不大，最大水平收敛仅有3.356mm最大拱顶沉降为 27.816mm(

16、2) 在设计参数条件下，隧道周边围岩的最大压应力为8.4MP&支护结构的弯矩和轴力都较小，最大弯矩为，最大轴力值为495.2 kN。(3) 在设计参数条件下，初期支护截面安全度除墙脚为1.282，其余均在2.0以上从上面的计算可以看出，在设计参数条件下，隧道及支护结构在开挖过程中是稳定的，墙脚部位需要加强。附：$ 108大管棚承载力计算1、塌方体积计算：以 DK135+525为坍体中心，按物探图及现场情况分析，坍体范围从DK135+500+550，隧道外拱顶上部坍体范围为 DK135+514+537（第一次塌方可见），塌体为一椭圆 形自然塌落堆体，按塌体 45坡脚、隧道开挖宽度 11m、塌方高 度为25m计算，塌体总方量约6875m3;其中隧道顶部塌体厚度约 15m,按23m长，隧道外拱顶上部覆盖约1898m3。本段埋深4060m,取50m，塌体中心地表覆盖层厚度还约有25m。2、 外拱顶上部塌体总重量：按松散体1.4系数计算，1898m3 -1.4=1355m3 x 2200kg/m3=2981000kg。3、管棚在本段长度 23m x 5