临时仰拱对炭质千枚岩隧道稳定性的影响分析.doc

临时仰拱对炭质千枚岩隧道稳定性的影响分析 　　【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4922.35m。 　　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，Ⅳ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3600m[2] 　　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、Ⅴ级软岩，三台阶预留核心土施工。研究分析下面两种工况： 　　①有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，再在上台阶拱脚处施作临时仰拱。 　　②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4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110m×50m×130m(隧道顶部到模型上表面的距离为72.37m)，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性模量；拱部采用ф25组合中空锚杆，边墙采用φ22全螺纹砂浆锚杆，L＝4.0m，＠120 cm×100cm(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。 　　①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。 　　②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