复杂洞室群特殊节点稳定性分析及支护措施研究.pdf
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1、 建 筑 技 术 Architecture Technology第 54 卷第 23 期 2023 年 12 月Vol.54 No.23 Dec.20232894复杂洞室群特殊节点稳定性分析及支护措施研究吕书清,张 杉,吴伯钧(中铁第六勘察设计院集团有限公司,300131,天津)摘要:为解决复杂洞室群特殊节点合理支护、安全施工的难题,以某大型洞室群工程为例,采用数值模拟方法对其形成的十字交叉口、T 形交叉口、喇叭口、小净距等特殊薄弱节点进行稳定性分析,提出 IV级围岩条件下的特殊节点部位合理支护措施,并对洞室群特殊节点支护措施的合理性进行评价,为开挖支护设计提供科学依据与技术指导。研究结果表明
2、:对于洞室群工程存在的特殊节点,应重点关注截面交界、岩柱较薄等部位的岩体应力状态及塑性区贯通情况;对于本工程中的十字交叉口,后行支洞塑性区范围比先行支洞大;对于本工程中的喇叭口节点,在中岩柱支护措施选取上,一方面要采取刚性支护构件对中岩柱厚度较小区域进行支护加固,另一方面可采取对拉锚杆等措施提高中岩柱的自稳能力和承载能力。关键词:洞室群;交叉口;喇叭口;数值计算;塑性区;支护中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:1000-4726(2023)23-2894-05STABILITY ANALYSIS AND SUPPORT MEASURES STUDY OF SPECIAL NODES
3、 IN COMPLEX CAVERN GROUPSLYU Shu-qing,ZHANG Shan,WU Bo-jun(China Railway Liuyuan Group Co.,Ltd.,300131,Tianjin,China)Abstract:In order to solve the problem of reasonable support and safe construction of special nodes in complex cavern groups,a large cavern groups project was taken as an example,and
4、numerical simulation method was used to analyze the stability of special weak nodes,such as intersections,T-shaped intersections,bell mouth,small clear distance,etc.,and reasonable support measures for special node positions under class IV surrounding rock conditions was proposed,and the rationality
5、 of the special node support measures was evaluated for the cavern groups,providing scientific basis and technical guidance for excavation support design.The research results indicate that,for special nodes in tunnel group engineering,special attention should be paid to the stress state of the rock
6、mass at the intersection of the cross-section and the thinner part of the rock column,as well as whether the plastic zone is connected.For the intersections in this project,the plastic zone of the rear support tunnel is larger than that of the front support tunnel.For the bell mouth nodes in this pr
7、oject,in the selection of support measures for the middle rock column,on the one hand,rigid support components should be used to passively support and reinforce the areas with smaller thickness of the middle rock column.On the other hand,measures such as tension bolts can be taken to improve the sel
8、f stability and bearing capacity of the middle rock column.Keywords:cavern groups;intersection;bell mouth;numerical calculation;plastic zone;support洞室群工程截面形式复杂多变,容易形成多种特殊节点,如十字交叉口、T 形交叉口、喇叭口、三岔口等,这些特殊节点是工程薄弱部位,也是施工中风险非常大的部位之一,隧道内的塌方、掉块多发生在这些部位,因此研究洞室群内特殊节点稳定性对安全施工意义重大。向天兵等1在归纳地下工程围岩破坏模式分类、分析方法和控制措施等
9、方面研究成果的基础上,建立了大型地下洞室群围岩破坏模式的分类方法。江权等2探讨了将数值仿真计算、现场监测与经验丰富的专业人员有机结合来实现大型地下洞室群稳定性设计的科学化。吴家耀等3吸取超载系数法和强度折减法评价边坡稳定的技术优点,提出了基于两种方法评价地下洞室群整体稳定安全系数的计算方法和评价指标。周勇等4采用 FLAC 3D 程序对该洞群的施工全过程进行三维数值模拟分析,获得了洞群的围岩变形、应力与塑性区分布特征,并据此评价了立体交叉洞室群开挖方案的合理性及围岩的稳定性。王文等5从岩体的分步支护以及相应的收敛准则两方面对已有的非连续变形分析程序进行了改进,着重研究了施工因素对洞室稳定性的影
10、响。祝方才等6收稿日期:20230919作者简介:吕书清(1991),男,河南登封人,工程师,硕士,e-mail:.2023 年 12 月2895吕书清,等:复杂洞室群特殊节点稳定性分析及支护措施研究使用 RFPA3D软件模拟逐级加卸载作用下围岩劣化的洞室群稳定性,为在现实施工中监测与判断洞室群稳定提供一种可行的方案。钱苗苗等7提出岩体的峰后强度对大型地下洞室群围岩开挖变形稳定具有较大 影响。目前对于洞室群的研究较多,但大多是针对单一特殊节点进行稳定性分析,节点类型也比较常规,处理措施已经比较成熟,而对于某些特殊的洞室群工程,其节点布置形式由其功能需求决定,节点相对特殊,力学特征更加复杂,常规
11、的开挖方式和支护措施受制于施工空间或步序难以实施,因此需要采用特殊的作法,基于此,本研究结合某复杂洞室群工程布置特征,对复杂节点稳定性、开挖及支护措施进行分析,为类似工程修建提供借鉴。1 洞室群特殊节点类型分析1.1 节点类型某复杂洞室群工程局部平面布置如图 1 所示,特殊节点主要分为交叉口、喇叭口及小净距 3 种类型。隧道截面形式均为圆拱直墙结构,标准截面跨度在813.5 m,喇叭口处最大开挖跨度为 20.6 m。交叉口交叉口交叉口喇叭口喇叭口小净距变截面图 1 工程局部平面布置示意(1)交叉口。根据截面相交特征,洞室交叉接头可分为十字形、T 形、L 形8,按照不同截面高度相交,每种交叉接头
12、形式可分为拱墙相交和拱拱相交两类,如图 2 所示。(2)喇叭口。喇叭口设置在分岔地段,根据隧道走向,喇叭口可分为对称 Y 形和非对称 Y 形。如图 3 所示。(3)小净距段。受限于空间布局和功能需求,本工程存在多个小净距段落9,其中最小间距地段隧道净距小于 0.5 B(B 为隧道开挖截面宽度)。1.2 重难点分析(1)交叉口节点重难点分析:交叉口部位岩体受到多次爆破扰动,承载力弱化比较严重,且交叉口(a)(d)(b)(e)(c)(f)图 2 交叉口接头模型示意(a)十字形 1;(b)十字形 2;(c)T 形 1;(d)T 形 2;(e)L 形 1;(f)L 形 2(a)(b)图 3 喇叭口接头
13、模型示意(a)对称 Y 形;(b)非对称 Y 形处由于截面变化形成多个人工结构面,容易发生块体掉落,特别是对于截面高度一致拱拱相交的交叉口,如图2(a)、图2(d)、图2(f)所示的类型,拱部几何形态不规则,受力体系传递复杂,且拱架支护施作困难,施工风险大10。因此如何约束不稳定块体,防止掉落,建立合理的受力体系是交叉口修建的重 难点。(2)喇叭口节点重难点分析:目前喇叭口小截面变大截面设计形式主要分两种,一种是截面分段扩大形,另一种是截面渐变形,如图 3 所示。截面渐变形能够降低喇叭口长度,减少工程投资,但截面大小一直变动,跨度也在不断增加,施工方式与常规变截面不同,精度控制也比较困难,开挖
14、后隧道力学特征也比较复杂。此外喇叭口端部隧道分岔处中岩柱厚度较薄,本工程中岩柱厚度甚至不足 0.7 m,属于超小净距隧道,在爆破开挖下,中岩柱的塑性区极易贯通,进而形成整体性的破坏。因此提高中岩柱承载能力,对中岩柱加强支护是喇叭口修建的重 难点11。(3)小净距节点重难点与喇叭口处小净距类似,不再分析。2 岩体稳定性分析2.1 计算参数本文采用 midas GTS NX 软件对岩体稳定性进行数值分析,计算模型采用连续介质模型,假定地表和建 筑 技 术第 54 卷第 23 期2896岩层均呈均质水平分布,岩体材料采用摩尔 库仑准则,喷射混凝土采用平面应变模型,锚杆采用植入式桁架,地层和材料的应力
15、应变均在弹塑性范围内变 化;初始应力按照将模型材料取为弹性材料(不设置粘聚力和内摩擦角),运行平衡后将材料换为摩尔 库仑材料再运行平衡获得。根据地勘资料,不同围岩等级岩体力学计算参数见表 1。超前小导管作用通过加固地层实现,加固地层范围隧道外轮廓外 0.5 m,超前小导管加固区计算参数见表 2,其他支护结构计算参数见表 3。表 1 不同围岩等级岩体力学计算参数围岩等级 弹性模量/GPa泊松比粘聚力/MPa 内摩擦角/()V10.400.125IV 30.340.435III 100.280.645表 2 超前小导管加固区计算参数土体弹性模量/GPa泊松比粘聚力/MPa内摩擦角/()小导管加固区
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