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1、2 0 1 1 年 第 1期 总第 7 3 期 大 断面 隧道 施工参数 系列化 研究 旷文涛 漆泰岳 1中铁二院工程集团有限责任公司 成都6 1 0 0 3 1 2 西南交通大学土木工程学院成都6 1 0 0 3 1 摘 要 论文以武广客运专线浏阳河隧道为工程背景 根据铁路隧道周岩分级和断面尺寸为主要影响 素 提出 新的掌子面稳定性分级方法及分级数 对影响大断面隧道掌子面稳定性的影响因素进行序列化及参数敏感性研 究 得到超前预加固大断面隧道围岩稳定性影响因素序列及掌子面超前加固参数敏感性 然后在掌子面稳定性分 级及超前预加固大断面隧道影响因素序列基础上 提出超前预加固大断面隧道施工参数系列
2、为浅埋大断面隧道 施 工提供指导 关键 词 大断面隧道超前预加固 稳定性分级影响因素序列化 1引言 按照国家 铁路 中长期路网规划 和铁路 十一 五 规划 我国需要修建大量的客运专线 客运专线 对铁路线型要求高 隧道 内行车速度快 相关工程技 术标准要求高 大断面隧道 由于其埋深浅 断面大 地质条件复杂等特点 往往是客运专线 的控制工程 我国大断面隧道的修建技术还不 成熟 自主创新研 究开发适应我国国情的大断面隧道复杂地质条件下 的预加固工法 保证 围岩稳定性具有重大的工程实 际意 义 新意法 1 又称为岩土控制变形分析 ADE C O R S C 施工工法 该 工法是通 过对隧道工作面超前
3、核心围岩的勘察 量测 预报 围岩 的应力 一应变形 态 并将 围岩划分 为 A B C三种类 型口 据此 以 信息化设计支护措施 确保隧道安全穿越 复杂地层 并实现全断面开挖 的一种设计 施工指导方法 在 意大利等欧洲国家 该工法发展运用已臻成熟 并被 隧道施工实例中获得 了成功 本文依托科研项 目 武广客运 专线浏 阳河隧道 铣挖法施工及预加固技术研究 子课题 超前预加 固 工法核心技术体系研究 以武广客运专线浏 阳河隧 道为工程背景 完成大断面隧道超 前预加 同工法施 工参数系列化研究 自主创新研究开发适应我 国国 情的大断面隧道全断面预加固工法 填补我 国超前 预加固技术的空 白 为浅埋
4、大断面隧道施T提供理 论 指导 2 掌 子面 稳定性分 级 本课题通过数值模拟研究各级 同岩不同跨度隧 道围岩稳定性 根据新意法稳定性判断条件 得到各 级围岩下不同跨度浅埋大断面隧道掌子面稳定 性 如表 I 所示 新意法将掌子面稳定性分为 A B C三个级别 本文 以围岩分级及 隧道跨度为主要影响因素 根据 隧道稳定性判据 提 出新的超前预加 固分级方法和 纳入其公路 铁路领 域的设计规范 在很多大 断面 分级数 如表 2所示 表 1 隧道稳定性判据 跨度 m 围岩级 r 8 8 1 2 1 2 I 6 1 6 2 0 变形小 稳定 变形小 稳定 变形小 稳定 变 形小 稳定 变形 小 局部
5、出现 塑性 区 变形小 稳 定 变形小 稳 定 变 形小 稳定 暂时稳定 掌子面局部出现塑性区 掌子面出现对称塑性区 位 掌子面出现对称塑性区 位 变形小 稳定 位移较小 暂时稳定 移较小 暂时稳定 移较小 暂时稳定 掌子面局部出现塑性区 掌子面进入塑性区 位移 塑性区贯穿整个掌子面及 塑性区贯穿整个掌子面及 V 拱顶区域 位移大 形成滑 拱顶区域 位移大 形成滑 变形较小 暂时稳定 较大 易滑移坍塌失稳 移面 易坍塌失稳 移面 易坍塌失稳 极不稳定 掌子面塑性 区 扩展至 地表 位移 非常 极不稳定 拱顶 掌子面 极不稳定 掌子面 拱顶大 极不稳定 掌子面 拱顶大 塌陷失稳 面积坍塌失稳 面
6、积坍塌 大 易塌陷失稳 5 公路隧道 2 0 1 1 年第 1期 总第 7 3期 表 2 掌子面稳定 性分级 稳 定性分类 稳定 暂时稳定 不稳定 变形级别 I T I I I 1 级 1 0 ram级 变形过大 围岩级别 V V 隧道跨 度 m 2 O 1 6 8 6 2 0 8 1 6 8 8 2 0 2 O 3 围岩稳定性影响 因素序 列化研 究 3 1 围岩稳定性影响因素 对于浅埋大断面隧道 其围岩稳定性影响因素 很多 本文考虑因素如下 1 工法 适应性研究表明大断面隧道超前预加 固适应工法为全断面工法和台阶法 2 围岩 根据隧道稳定性判据 大断面隧道超 前预加固适应工法为 V 级围岩
7、 3 掌子面超前加固 GF RP注浆锚杆 4 由于其 抗拉强度高 抗剪强度低的性能 适应大断面隧道快 速机械化施工要求 在掌子面超前预加 固中有不可 替代 的优越性 G F R P注浆锚杆超前加 固需要确定 的参数为 GF R P注浆锚杆长度 密度 注浆程度及 搭接长度 4 棚式支护 本文把沿掌子面拱部或环绕隧道 周边布置的超前预加固 即隧道轮廓线外超前预加 固 称为棚式支护 5 初期支护 超前 预加 固作为一个 系统 初期 支护有利于超前预加 固受力体系的形成 6 开 挖进 尺 图 i 数值模拟模型 3 2模型建立 以武广客运专线浏 阳河 隧道过河段 隧道 为原 型 模型 宽度 1 0 0
8、m 上至地表 埋深 1 9 2 5 m 下部 取 1 7 4 2 m 模型高度 5 0 1 5 m 纵向 3 6 m 即 宽 6 6 3 6 f 6 注 豺 2 盼副 为 避 遣 掌 子 面 瑶 兽 舞 挖 蒜 瘟 力 耗 态 隧 道 掌 子 面 袁 超 前 加 疆 露 岩 舞 壤 蜃 直 旋 卷 踺 遵 掌 子 面 嗍蒜 簿 葑 盖 靖 砉 舞 撼 蛊 靛 鸯 豺 袅 为 G 蒙 链 扦 洼 蓑 两 鬻 燕 蠡 掌 子 荔 疆 者 强 度 图 2 GF R P注浆锚杆掌子 面加 固机理 高 深 一X Z Y一1 0 0 mX 5 O 1 5 mX 3 6 m 单元 网 格数为 4 9 9 2
9、 0个 模型上作用 0 1 3 5 MP a的水压 力 隧道开挖宽度为 1 5 m 开挖高度为 1 3 4 8 m 开 挖 面 积近 1 7 0 m 围岩参数按照规范给出围岩参数建议值选取 模型如图 1所示 材料为 弹塑性模 型 采用 DP屈 服准则 3 3 数值 模 拟 根据超前预加固浅埋大断面隧道围岩稳定性影 响因素 进行简单试验 如表 3所示 3 4 结果分 析 各工况数值模拟结果如表 4所示 以工况 1数 值模拟结果为 1 0 0 9 6 因素敏感性如表 5所示 3 5结论 影响因素序列化研究得到超前预加 固大断面隧 道围岩稳定性影 响因素序列如表 6 所 示 围岩 工 法及掌子面超前
10、加 固对围岩变形影响较大 棚式支 护对 同岩变形影响较小 旷文涛 等超前预加固大断面隧道施 工参数 系列化研 究 表 3 数值模拟工 况 凶素 开挖进尺 工 初 期 支 护 掌 子 面 超 前 支 护 棚 式 支 护 丁 法 围 岩 级 别 m 喷射 混 凝 土 为 C 2 5钢 纤 维混凝 土 厚 度 1 5 c m 环 1 向打设径 向锚 杆 锚杆 长 全断 面 V 1 8 度 4 m 间距 1 0 1 O m 环 纵 2 同 T 二 况 l 全断面 V 1 2 3 同T况 1 台阶法 V 1 8 掌子 面 超 前 加 固 密 度为 每 4 m2 一 根 长 4 同工况 1 度 1 8 m
11、 搭 接 5 4 m 全断面 V 1 8 注浆 提 高 同岩 参 数 2 0 0 其余 同工况 1 拱 顶布置 大管 棚 大管 棚 区域 注 浆 提 高 同岩 5 同工况 1 全 断面 V 1 8 参 数 2 0 0 长 1 8 m 搭 接 5 4 m 6 同工况 1 全断面 1 8 表 4 各工况数值模拟结果 掌子面最大 拱 顶最大 地表沉降 工 况 纵 向位移 ram 竖 向位移 mm 最 大值 mm 1 3 6 25 2 1 3 1 O 88 2 3 7 09 21 O6 l O 2 2 3 2 4 9 2 31 55 4 8 38 1 6 9 2 6 29 5 3 5 54 1 9 6
12、 5 1 O 75 6 8 51 7 8O 4 1 O 表 5 因素敏感性分 析表 掌子面最大 拱顶最大 因素变化 纵 向位移变化 竖 向位移变化 开挖进尺 1 8 m 1 2 m 一2 3 2 1 1 3 工法 全断面一 台阶法 3 1 2 6 4 8 1 2 掌子面超前 加固 7 6 8 8 2 O 5 6 棚 式支护 1 9 6 7 7 5 围岩 V级一 级 7 6 5 2 6 3 3 8 注 表中数据正值表示减小 负值表示增大 表 6 超前预 加固大断面隧道 围岩稳定性 影响因素序列 序列顺 序 l 2 3 4 5 影响因素序列 掌子面 掌子面变形 超前加固 围岩 工法 开挖进尺 棚式
13、支护 各 因素影 响大小 7 6 8 8 7 6 5 2 3 1 2 6 2 3 2 1 9 6 影响因素序列 围岩 工 法 掌子 面 拱顶变形 超前 加固 开挖进 尺 棚式支护 各因素影响大小 6 3 3 8 4 8 1 2 2 0 5 6 7 75 工 3 注 表中数据正值表示减小 负值表示增大 7 公路 隧道 2 0 1 1年第 1 期 总第 7 3 期 4 掌子面超前加固参数敏感性研究 超前加 固包括掌子 面超前加 固和棚式支护 因 素序列化研究表明 棚式支护对围岩变形影响较小 掌子面超前加 固对围岩变形影响较大 在实际应用 中 棚式支护能有效 防止 同岩坍塌 掉块等导致围岩 条件恶化
14、的灾害发生 能有效保护掌子面围岩 GF R P注浆锚杆由于抗拉强度高 抗剪强度低 适应 了大断面隧道快速机械施工要求 在掌子面超 前预加固中有不可替代的优越性 其加固围岩主要 表现为提高 围岩强度 改善 围岩受力 可 以用 图 2 说明如下 1 开挖前 对隧道掌子面注浆加 固 加 固后围 岩强度提高 从图中曲线 4提高到曲线 5代表的围 岩强度 从图可以看 出 注浆加固主要提高了围岩 的粘聚力及内摩擦角 同时围岩的变形系数 强度均 有不同程度的提高 2 假设围岩最大主应力不变 围岩应力状态 由于隧道开挖发生变化 主要表现为最小主应力减 小 围岩应力状态从 曲线 1变 为 2 此时 如果没 有注
15、浆加 固 围岩就有可能发生 塑性 失稳 GF RP 注浆锚杆 的作用 主要表现 在防止最小主应力 的减 小 使得围岩最小主应力 由 a 增大到 a 从而提高 了隧道开挖后围岩稳定性 数值模拟研究 G F R P注浆锚杆参数敏感性 模 型如图 1所示 GF RP注浆锚杆掌子面超前加 固参 数敏感性研究如图 3 一图 6所示 二 v 级 嗍 岩 V 级 I 岩 二 二 v l 级 岩I 图 3 搭接长度 变化对 围岩变 形影 响 掌子面超前预加 固搭接长度对掌子面位移的影 响 分为两种情况 搭接长度小 于临界搭接长度 时 掌子面位移对搭接长度的变化敏感 搭接长度超过 临界搭接长度时 搭接长度变化对
16、 掌子面位移影响 不大 掌子面稳定性影响研究表 明 掌子面 自稳定 R 4 0 3 0 2 O l O 0 口 超姐熏 I沣浆提高 岩参数 1 0 0 往浆提商嘲誊参数2 0 o 阻 拱顾位移 ra m 21 3 J 7 5 l 1 6 9 2 地袭沉降 m m 1 0 8 8 6 8 5 6 2 9 尢 超 护I 煳 参 数 o 0 煳 参 0 图 4 注浆效果对 围岩 稳定性 影响比较 4 0 30 20 1 0 0 口咒超 辩五护 掌 子面密度8 m 2 根 一掌 子面密度 l m 2 根 图 5 GF R P密度变化对 围岩稳定性影 响比较 口 咒 通 渤 弦 G F R P 哥 掉 I 怅 锚 图 6 GF R P注浆锚杆长度变化对 围岩稳定性影响 比较 高度仅与围岩参数 开挖台阶高度 H 隧道埋深等 有关 隧道埋深及几何条件与武广客运专线浏阳 河隧道相同的条件下 数值模拟得到 V 级围 岩对应的掌子 面超前加固搭接长度分别为 4 5 4 8 m G F R P注浆加 固锚杆各参数对 围岩稳定性影响 研究表明 GF R P注浆锚杆对 围岩稳定性有影响的 参数为超前加 固搭接长
