复杂地质环境中隧道修建仰拱病害处治临时支撑新技术研究.pdf
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1、-100-摘要:隧道穿越复杂地层区域,受不良地质构造影响,结构受力复杂且难以预测。由于公路隧道多为扁平状,仰拱矢跨比较小,仰拱成为病害发生的一个重点区域。为减少仰拱病害,拟研究一种可用于二衬及仰拱结构的临时支撑。通过结构验算结果可知:当以水平构造应力为主且仰拱承受主动形变压力时,路面隧道中线部位、两侧路面与水沟的连接部位为危险区域。使用临时支撑可改善结构的受力性能,结构安全系数不同程度提升,可起到加固作用。关键词:隧道工程;病害处治;断层破碎带;临时支撑;数值模拟;仰拱中图分类号:U455文献标识码:A Study on new structure of temporary support f
2、or treatment of tunnel invert disease in complex geological environmentLIU Peng(CCCC First Highway Consultants Co.,Ltd.,Shaanxi Xi an 710075 China)Abstract:Thetunnelpassesthroughacomplexstratumarea,whichisaffectedbyunfavorablegeologicalstructure,andthestructuralstressiscomplexanddifficulttopredict.A
3、smosthighwaytunnelsareflat,andtherisespanratioofinvertedarchissmall,theinvertedarchhasbecomeakeyareaofdisease.Inordertoreducethediseaseofinvertedarch,itisproposedtostudyatemporarysupportthatcanbeusedforsecondaryliningandinvertedarchstructure.Itcanbeseenfromthecheckingcalculationofstructurethatwhenth
4、ehorizontaltectonicstressisdominantandtheinvertedarchbearstheactivedeformationpressure,theroadcenterlineofthetunnel,andtheconnectionbetweentheroadsurfaceonbothsidesandtheditchisadangerousarea.Theuseoftemporarysupportscanimprovethemechanicalperformanceofthestructure,andthestructuralsafetyfactorcanbei
5、mprovedtovaryingdegrees,whichcanplayaroleinstrengtheningKey words:tunnelengineering;diseasetreatment;faultfracturezone;temporarysupport;numericalsimulation;invertedarch0 引言近年来,我国隧道修建数量、质量和技术水平飞速发展,攻克了诸多技术难关。当隧道穿越常规的地质环境,公路隧道设计规范(JTG3307.12018)1规定计算深埋隧道衬砌时围岩压力按松散压力考虑,对于复杂地质环境动态灵活设计。但由于地质环境的隐蔽性和复杂性,地层
6、的构造应力通常难以直接测量,隧道修建后,出现大规模的衬砌及仰拱病害。例如木寨岭隧道2所处环境断层发育且地应力高,修建过程中出现了较为严重的衬砌病害。近年,东马场1号隧道3工程受到程海断裂产生的地层构造水平应力影响,修建后出现以仰拱病害为主的病害。在构造应力复杂的地层,隧道破坏部位集中在路基路面(仰拱破坏)。公路隧道多为扁平状,仰拱矢跨比较小,如果围岩压力按形变压力考虑,衬砌各个方向所承受的压力随机分布,仰拱则会是病害的重灾区。根据公路隧道加固技术规范(JTGT54402018)4,对于仰拱的处治措施有隧底钢花管注浆、仰拱拆换后断面加深、锁脚钢花管加固等5。处治原理为改善地层及断面形式。这些加固
7、措施属于永收稿日期:2022-11-04作者简介:刘鹏(1987),男,河北保定人,工程师。复杂地质环境中隧道修建仰拱病害处治临时支撑新技术研究刘 鹏(中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西 西安 710075)2023 年第 4 期山东交通科技-101-久工程,造价高。现有措施适用的阶段一是新建阶段,二是根据公路隧道养护技术规范(JTGH122015)6评判需要进行换拱时的处治阶段。对于正在破坏的结构很难判断需要采取何种措施更为经济适宜。如果处治不及时,结构进一步破坏,将会增加处治费用;如果提前处治,可能会造成不必要的浪费。针对这一问题,研究了一种新型的临时支撑结构,重点在于改善仰拱部位的
8、受力性能,阻止结构进一步破坏,该装置可重复利用,造价较低。1 破损衬砌结构验算1.1 围岩松散压力计算松散压力加载方式见图1,V级围岩深埋断面采用公路隧道设计规范(JTG3307.12018)1常用的松散压力计算方法,水平侧压力系数e根据围岩级别取值01,结构承受竖向压力大于水平向压力。从加载方式来看,仰拱区域无主动加载,在围岩挤压的作用下产生地层抗力。在该加载方式计算下,设计时仰拱区域矢跨比通常较小,可以满足要求。eq矢跨比=0.061 6901r1=610r1=610r4=1 810R4=1 860图 1 松散压力加载方式/cme1.2 围岩形变压力计算围岩压力按形变压力考虑的情况可参考公
9、路隧道设计细则(JTG/TD702010)9,当洞室接近圆形断面时,可以直接将开挖跨度或开挖高度作为拟合断面的直径。深埋单洞隧道形变压力计算简图见图2,在形变压力下,如果仰拱区域围岩变形严重,仰拱结构将承受较大的围岩压力。当洞室为圆形断面时,作用于衬砌上任意一点的围岩形变压力:O(1)式中:Pi为作用于衬砌上任意一点的形变压力,kPa;Po为洞室深埋处原始地应力,kPa;c为围岩的黏聚力,kPa;a洞室开挖半径,m;R为洞室开挖后形成的塑性区半径,m;为围岩内摩擦角,。1.3 复杂地层环境力学模型根据目前文献研究,如东马场1号隧道3出现了以水平构造应力为主的情况,在该种围岩压力下,洞室周围的塑
10、性区分布与常规地质情况不同。如图3所示(表示侧压力系数),在水平构造应力为主的受力模式下,仰拱下方塑性区逐渐变大。受断层等不良地质影响,水平构造应力增大时,仰拱区域成为最不利区域。公路隧道扁平的特点,不利于仰拱的受力,在诸多复杂地层隧道修建过程中,现场破坏情况也是以仰拱破坏为主。荷载的复杂性导致难以找到结构线性的最优解,后期可通过临时支撑改善结构的力学性能,提高工程的安全性。=0.75=0.5=1/0.5=1/0.75水平构造为主图 3 圆形洞室不同侧压力系数下塑性区分布2 临时支撑新结构设计力学验算2.1 临时支撑新结构设计为改善衬砌结构受力,设计一种新型的临时支撑。支撑由三部分组成:第一部
11、分为位于路基的底板,厚20cm,纵向长度为1m,采用木质材料;第二部分为拱墙处的垫块,紧贴二衬表面,垫块弧长1m,纵向长度为1m,采用软木;第三部分为连接三个垫块与底板的空心钢管,直径10cm,壁厚1cm。临时支撑结构与其三维概念图见图4、图5。图中参数可通过试算进行优化。该设计的通行区域需要保证运渣车辆进出,当图 2 深埋单洞隧道形变压力计算简图圆形洞室PORa塑性区弹性区原始应力区刘 鹏:复杂地质环境中隧道修建仰拱病害处治临时支撑新技术研究-102-施工台车等大型器械需要进出时,可临时拆卸。考虑到批量化生产配套,钢管尺寸、垫块厚度不作为变量,垫块与木板采用铰接的方式。2.2 形变压力加载结
12、构安全系数对比复杂地层中构造应力难以获取,水平构造应力与垂直应力大小关系不明显。参照 公路隧道设计细则(JTG/TD702010)9中形变压力加载方式,荷载加载见图6。默认隧道任何一处局部均可能受构造应力,压力大小120kPa,地层抗力系数50MPa。衬砌结构厚度50cm,采用梁单元模拟,弹性本构,弹性模量30GPa,泊松比0.25,重度23kN/m3;临时支撑结构采用空管模拟,直径15cm,壁厚2cm,采用梁单元模拟,弹性本构,弹性模量210GPa,泊松比0.20,重度78kN/m3;按照公路隧道设计规范(JTG3307.12018)1进行破损阶段截面强度计算。图 6 荷载结构模型通过荷载结
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