黄土辅助隧道中系统锚杆支护作用数值模拟

2022-11-27

0 引言

随着我国经济的飞速发展, 综合国力的提升及高新技术的应用, 我国隧道及地下工程得到了前所未有的迅速发展。黄土隧道是我国西北地区比较常见的土质隧道, 土质多为黏质黄土, 软塑、脆弱且具有湿陷性。施工方法与石质隧道施工不同, 是难以修建及建后易发生破坏的隧道。如不采取安全、可靠的施工方法。极易出现掉块甚至塌方事故。由于黄土复杂的结构特性及其分布的区域差异性, 在黄土隧道的施工过程中, 存在着黄土围岩变形、强度与稳定性等问题。黏质黄土围岩的各向异性、强度低等力学特性, 直接影响掌子面开挖的稳定性。开挖后的拱顶沉降、周边收敛、隧底隆起以及地表沉降等。这些问题不仅威胁着施工人员的安全, 而且会造成严重的经济损失。侯公羽、刘宏伟、李晶晶等对地铁隧道盾构施工真实过程和开挖卸载效应进行数值模拟, 获得基于开挖卸载效应的地铁隧道盾构施工的围岩-支护作用机制;刘洋、胡杰等[3]针对浅埋黄土隧道在开挖过程中发生的拱顶下沉问题, 采用颗粒流离散单元法模拟了不同开挖方法和加固措施对围岩稳定和变形的影响, 研究表明, 浅埋黄土隧道可采取超前导管注浆减小隧道开挖变形。目前在风积沙质黄土隧道施工中极易出现拱顶下沉, 边墙下塌“收敛”“侵限”喷射混凝土剥落, 支护钢拱架扭曲变形锁脚锚管切断, 地表出现多条横、纵向裂缝等施工现象。论文针对彬县隧道3#斜井隧道为研究对象, 采用离散元软件UDEC分析了黄土辅助隧道边墙有、无系统锚杆支护时围岩位移场的变化, 说明边墙无系统锚杆支护黄土隧道仍然处于稳定状态。

1 工程概况

彬县铁路是银西铁路陕西段最长的黄土隧道, 也是银西铁路全线最长的黄土隧道, 位于陕西省咸阳市彬县境内, 为黄土梁源沟壑区, 进口位于炭店乡村林家堡东北侧冲沟泾河右岸, 出口位于新民镇东沟村东北侧红岩沟左岸。隧道起讫里程DK138+326.58-DK152+577.9, 全长14251.32m, 最大埋深约280m;隧道设置1座单车道、2座双车道无归运输斜井辅助施工。

彬县隧道3#斜井洞口位于新民镇峪子村西北侧, 为双车道无轨运输通道, 全长1251.55m, 为单洞双车道隧道, 与正洞交汇里程DK148+500。试验隧道为3#斜井洞身的某一地段, 该段隧道采用***断面, 隧道开挖半径4.85m, 高度7.53m, 长度5m, 平均埋深100m。洞身围岩为第四系更新统黏质黄土, Ⅳ级围岩, 具有湿陷性, 土质均匀, 针状孔隙发育, 土体较致密, 具有直立性。

该试验段隧道采用台阶法开挖, 如图1。复合式衬砌, 初期支护参数为:喷射C25砼, 厚度23cm, Ι16型钢架, 纵向间距120cm, Φ8 mm的钢筋网片, 网格尺寸25cm×25cm, Φ22mm的砂浆锚杆, 长3m, 间距120cm×120cm, 梅花形布置。二次衬砌采用C30浇筑混凝土, 浇筑厚度40cm, 底板采用C25混凝土, 厚度40cm。

2 支护条件下围岩数值模拟计算

2.1 模型的建立

选用非连续介质离散元数值计算软件UDEC对试验隧道支护进行模拟。选择Morh-Coulomb塑性模型, 迭代到初始平衡后, 进行隧道开挖, 喷射砼喷层后加锚杆挂网立钢架喷射混凝土进行初期支护。锚杆采用cable单元结构、钢架采用support单元结构设置到隧道周边, 砼喷层采用struct单元结构模拟, 并对锚杆砼喷层设置力学参数。模拟无系统锚杆和有系统锚杆, 隧道围岩应力场和位移场。采用单位厚度的平面应变模型, 模型长度×宽度为77m×66m。模拟隧道埋深100m, 模型上部边界条件简化为应力边界条件, 应力值与上覆岩层的自重应力相等, 即q=∑γh=1.28MPa。模型下部边界为底板岩层, 简化为固支边界条件, 即在x和y方向位移量为0。模型两侧简化为简支边界条件, 即在y方向上可以运动, 在x方向上的位移量为0。

模型上边界的铅垂应力为2MPa。该地区侧压系数为0.4, 则模型隧道两侧边界上水平应力为0.4 MPa。根据试验隧道围岩特性, 建立数值计算力学模型如图2所示。

2.2 模型的基本参数

侯朝炯[7]运用试验和理论分析相结合的方法, 研究了巷道锚杆支护对锚固范围岩体峰值和残余强度的强化作用以及对锚固体峰值强度前后, E, c, φ, 等力学参数的改善。对于岩土体与岩土试块之间数值上的差别, 采用强度折减系数法和工程类比法对力学参数进行优化修正。

依据银西铁路黄土隧道物理力学参数测试报告, 结合实际揭露的隧道围岩岩性和节理裂隙发育状况, 综合考虑选取计算模型黄土物理力学参数, 如表1所示。

2.3 数值模拟结果与分析

将计算模型单元体进行参数赋值后, 达到原始应力平衡状态。隧道开挖后, 有系统锚杆和无统锚杆支护隧道围岩两种条件下, 对单元体和岩层界面进行数值计算。

通过UDEC离散元数值模拟软件进行计算, 模拟隧道有系统锚杆和无统锚杆支护两种条件下隧道围岩的水平位移场、垂直位移场。分别在隧道拱部垂直对称线和边墙中部水平位置布设长度为L=15m的观测线;在隧道围岩深度0~15m范围内, 从隧道表面开始间隔1m设置一个观测点, 共设16个测点。通过对比分析隧道拱部垂直对称线和边墙水平观测线不同观测点的应力和位移变化, 研究系统锚杆支护的效果。

2.3.1隧道围岩位移变化

边墙有系统锚杆和无系统锚杆两种支护条件下隧道边墙水平位移场如图3所和水平位移分布曲线如图4所示

通过数值计算结果可知:边墙部位有系统锚杆时, 隧道下台阶左边墙右和边墙水平变形量分别为12.75mm和15.87mm, 无系统锚杆时, 隧道下台阶左边墙和边墙水平变形量9.6mm分别为14.84mm。

由此可见, 隧道取消边墙系统锚杆后左边墙水平位移减小了24.71%, 右边墙水平位移减小了6.49%。边墙部位有系统锚杆隧道水平位移有变大的趋势。

边墙有系统锚杆和无系统锚杆两种支护条件下隧道拱顶垂直位移场如图5所和垂直位移分布曲线如图6所示

数值计算结果可知:边墙部位无系统锚杆和有系统锚杆时, 隧道上台阶拱部下沉量分别为21.91mm和23.85mm, 隧道拱部垂直位移减少了8.13%。由此可见, 边墙部位取消系统锚杆对隧道拱部下沉值影响不大。

在黄土隧道施工中, 围岩竖向节理发育, 系统锚杆的打设破坏了围岩的整体性, 使围岩变得破碎, 围岩的强度和承载能力降低了。锚杆打设是在钢架架设之后进行的, 延误了喷射混凝土和钢架支护的最佳时机, 隧道边墙部位无系统锚杆隧道初期支护围岩变形量小于有系统锚杆时围岩变形量, 说明系统锚杆对控制隧道围岩变形不显著。

3 结论

针对彬县银西铁路陕西段3#斜井黄土隧道支护结构的形式问题, 以数值模拟为手段进行了计算分析。分别计算了在隧道边墙部位有系统锚杆和无系统锚杆两种情况下隧道围岩拱部下沉和边墙水平净空收敛情况。通过对比分析得出以下结论:

(1) 数值模拟结果表明, 在斜井两台阶施工过程中, 取消边墙系统锚杆打设, 隧道左边墙水平位移减小了24.71%, 右边墙水平位移减小了6.49%, 拱部采用系统锚杆后垂直位移减少了8.13%, 边墙部位有系统锚杆隧道水平位移有变大的趋势。

(2) 有系统锚杆的围岩变形值大于无系统锚杆的变形值, 系统锚杆的打设破坏了围岩的整体性, 使围岩变得破碎, 围岩的强度和承载能力降低了。锚杆打设是在钢架架设之后进行的, 延误了喷射混凝土和钢架支护的最佳时机。

因此, 黄土隧道取消了锚杆支护后, 隧道仍旧处于相对稳定状态, 这节省了项目的工程投资, 为同类工程的设计可提供了参考。

摘要：为了研究边墙系统锚杆在黄土隧道中的支护效果。论文以彬县银西铁路陕西段3#斜井为工程背景。运用非连续介质离散元软件UDEC对隧道边墙有、无系统锚杆进行研究。研究结果表明: (1) 在斜井两台阶施工过程中, 取消边墙系统锚杆打设, 隧道左边墙水平位移减小了24.71%, 右边墙水平位移减小了6.49%, 拱部采用系统锚杆后垂直位移减少了8.13%。 (2) 有系统锚杆的围岩变形量大于无系统锚杆的变形量, 系统锚杆的打设破坏了围岩的整体性, 使围岩变得破碎, 围岩的强度和承载能力降低。因此, 黄土隧道施工中可以取消系统锚杆, 隧道仍旧处于相对稳定状态。

关键词：黄土隧道,UDEC,系统锚杆,斜井