考虑含水率变化的红层软岩隧道施工稳定性研究.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中铁二十局集团科技研发项目()作者简介:孙引浩()男陕西咸阳人高级工程师主要从事土木工程施工及管理方面的工作:.引文格式:孙引浩.考虑含水率变化的红层软岩隧道施工稳定性研究.铁道建筑技术():.考虑含水率变化的红层软岩隧道施工稳定性研究孙引浩(中铁二十局集团第一工程有限公司 江苏苏州)摘 要:为探究红层软岩地区围岩含水率变化对隧道施工稳定性影响建立红层软岩地区隧道开挖模型对是否考虑含水率变化情况下的围岩变形及隧道稳定性进行研究并结合施工现场监测数据进行对比分析 结果表明:考虑含水率影响后围岩拱顶沉降、洞身收敛以及支护结构内力均大幅增加其中洞身收敛增加近 倍喷混结构最大主应力增加约 围岩位移和应力均呈现“剧烈 缓慢 稳定”变化趋势考虑含水率变化导致围岩塑性区范围明显更大因此地下水对围岩的软化作用不可忽视在进行数值模拟时理应予以考虑关键词:隧道工程 施工稳定性 红层软岩 含水率 数值模拟中图分类号:.文献标识码:./.(.):.“”.:引言随着我国交通建设的快速发展各种复杂地质条件下的隧道建设数量呈大幅增加趋势 在施工过程中不可避免地会经过富水软土地区 部分软土地区因土层水敏性较高会产生较大的变化对隧道施工稳定性以及安全性有重大的影响针对在红层软土地区进行工程建设遇到的问题大量学者展开了关于红层软岩不同方向的研究 通过采用电子扫描技术周翠英等、等研究了红层软岩的力学性质探讨了其破坏机制 袁飞等、张圣强结合检测和模拟等手段对红层软岩隧道的变形特征进行研究提出了可适用于红层软岩地区隧道施工的开挖技术地下水是隧道开挖的一个极不稳定因素其对围岩的力学性质有很大影响 由于软岩的水敏性会导致围岩软化由此引发的工程问题更急需解决 刘家顺等通过开展室内试验探究了弱胶结软岩强度随含水率变化规律 周平等探究局部含水率变化的昔格达地层隧道围岩变形特征提出昔格达地层隧道围岩遇水软化稳定性判别方程本文依托昆明宜石高速山冲箐隧道工程研究考虑围岩含水率变化的隧道施工稳定性 工程背景及含水率变化分析.工程概况云南省昆明市宜良至石林高速公路山冲箐隧道采铁道建筑技术 ()孙引浩:考虑含水率变化的红层软岩隧道施工稳定性研究用双洞设计左右洞长度分别为 、隧道最大开挖跨度达.高度达 单洞断面面积可达 属于典型的大断面开挖隧道 隧道拟建区为第四系覆盖层且厚度分布不均匀总体厚度不大为典型的滇中红层软岩山冲箐隧道所在地地质条件较为特殊岩体强度较低开挖断面较大同时又位于富水地区施工过程中的各工序相互影响较大施工风险较大.山冲箐隧道围岩含水率变化分析现场开挖时不同位置处围岩含水率变化并不完全同步距离隧道开挖面越远含水率变化越小 因此按照距离由远到近的区域记为 从 至 折减效应逐渐减弱最终达到含水率对围岩强度影响效果极其微弱的状态 根据现场施工情况隧道开挖采用三台阶法每天开挖 隧道的开挖使得不同围岩处含水率产生变化以左洞隧道上台阶开挖为例:()从纵断面看开挖 后左侧上台阶开挖 左侧上台阶处围岩(纵深 )含水率从天然状态 变为.开挖 后上台阶开挖 围岩含水率从 变为.围岩含水率从 变为 以此类推最终所有围岩含水率到达稳定状态()从横断面看(以纵深 处为例)开挖 后区域 的含水率从 变为.开挖 后区域 的含水率从.变为.区域 的含水率从变为.以此类推假定各区域在开挖第 天后含水率达到稳定状态由图 可以看出从区域 到区域 含水率的变化程度依次递减区域 以外的围岩含水率变化很小可视为一直保持稳定状态 同时围岩含水率随着隧道的开挖逐渐增加增长速率逐渐减小开挖 后围岩含水率达到稳定状态图 各区域围岩含水率随开挖时间变化曲线 数值模型及结果分析.数值模型选取隧道 段隧道进行建模该段隧道围岩等级为级以中风化红砂岩为主夹杂有黏土、碎石土 采用 建立三维有限元数值模型该模型宽度为 高度取 开挖长度 隧道左右洞间距为 隧道整体模型及左右洞位置关系如图 所示图 隧道三维有限元模型岩体本构模型选为莫尔 库仑本构模型采用混合实体单元模拟锚杆和初期支护分别采用梁单元和板单元模拟本构模型均为弹性 整个模型共由 个单元和 个节点组成 模型以位移约束为边界条件模型顶面为自由面.模型参数根据工程实际级围岩段初期支护采用“钢拱架 喷射混凝土”的方式 数值模拟时为简便计算和方便建立模型运用抗压刚度相等的原则通过公式对初期支护结构弹性模量进行折算 模型各物理参数如表 所示 式中:为折算后的弹性模量为原喷射混凝土弹性模量为钢拱架截面积为钢拱架的弹性模量为混凝土截面积表 模型材料参数模型材料容重/(/)弹性模量/泊松比黏聚力/内摩擦角/()厚度/黏土.红砂岩.喷混.锚杆.数值模拟方案.施工工法模拟根据现场实际施工情况山冲箐隧道左右洞周围铁道建筑技术 ()孙引浩:考虑含水率变化的红层软岩隧道施工稳定性研究岩体对称因此左右洞数值模拟采用同一工法依据三台阶工法的施作顺序首先对隧道左洞进行开挖相邻台阶间隔 开挖模拟步骤为:()左洞上、中、下台阶依次施工 首先进行上台阶土体开挖挖至设计深度时立即施作上台阶锚杆然后进行支护施工中、下台阶()右洞上台阶施工 左洞开挖后即可开始施工工序与左洞完全一致.地下水影响的数值模拟水对围岩的影响持续且复杂如何在数值模拟中合理地模拟地下水变化影响十分关键 本文通过含水率变化导致围岩强度变化的关系以此来实现地下水的模拟 本文选取开挖后 的围岩含水率根据相关资料得到不同含水率时红砂岩的弹性模量、黏聚力和内摩擦角见表 表 不同含水率下红砂岩力学性能指标含水率/弹性模量/黏聚力/内摩擦角/().数值模拟结果分析由于隧道左洞与右洞岩体对称变形规律较为相似以右洞为例分析围岩在考虑含水率变化(以下简称含水状态)与不考虑含水率变化(以下简称不含水状态)两种工况下的变形规律选取模型中间断面的模拟结果进行讨论.隧道围岩变形分析图 为隧道竖向位移变化规律曲线 可以看出隧道开挖前 拱顶沉降表现为加速形变且此阶段围岩含水率变化对位移的影响较小 之后此阶段随着围岩含水率的增加拱顶沉降有加速趋势最终在开挖 后趋于稳定拱顶沉降最终达到.围岩含水率变化对仰拱影响时间更早在隧道开挖第 天至第 天围岩强度劣化最为明显 在开挖第 天后仰拱隆起趋于稳定含水状态下约为.可见考虑含水率变化围岩竖向位移更大隧道围岩收敛变化曲线如图 所示 开挖时左拱腰处出现较大的水平位移并向拱肩延伸隧道拱腰水平位移均出现梯段式增长左右拱腰大致呈对称分布含水状态下隧道的水平位移显著增大且发生水平位移的时间明显增长 含水状态下隧道左拱腰在第 天位移加速下降说明后劣化的土体对先劣化的土体有明显挤压作用 当水平位移趋于稳定后含水状态下左右拱腰最终位移分别为 .、.为不含水状态下的 倍左右图 隧道竖向位移变化曲线图 隧道水平位移变化曲线.隧道塑性区分析隧道开挖会使洞周围岩产生塑性区其分布范围如图 所示 可以看出考虑含水率变化其塑性区范围明显大于不考虑含水率变化情况并且塑性区主要集中于拱腰和拱脚处 同时隧道塑性区主要集中在影响范围、处这不仅是因为隧道开挖对周围土体造成扰动也因为越靠近隧道围岩涌水量越大含水量也随之增大围岩强度折减程度也就越高图 围岩塑性区分布云图铁道建筑技术 ()孙引浩:考虑含水率变化的红层软岩隧道施工稳定性研究.综合分析通过数值模拟结果可知考虑含水率变化情况下围岩位移都要大于不考虑含水率变化的情况 隧道仰拱结构竖向累计变形隆起量和拱底结构竖向累计变形沉降量随隧道围岩强度的减小呈非线性增加底部结构仰拱中线处隆起量最大顶部结构拱顶中线处沉降量最大拱腰处累计水平位移值随隧道围岩强度减小呈非线性增加变形量增大速率随时间增长逐渐趋于稳定随着开挖时间增加围岩强度逐渐降低支护结构承受应力显著增大同时隧道围岩塑性区由上向下、向两边扩展 因此数值模拟中考虑含水率变化具有十分重要的意义尤其是对水比较敏感的围岩使得数值计算结果更贴合工程实际 隧道施工稳定性现场监测及分析.围岩位移监测分析以断面 为例图、图 为隧道拱顶、拱腰沉降时程曲线 可以看出隧道位移整体呈现“快速增长缓慢增长稳定变化”的趋势究其原因在隧道开挖后围岩受到扰动原有的应力平衡状态被打破导致变形急剧增加因隧道开挖围岩含水率随时间不断增大围岩强度不断劣化导致支护施作之后位移仍缓慢增长 最终隧道达到新的应力平衡状态变形逐渐趋于稳定图 拱顶沉降时程曲线图 拱腰收敛时程曲线对比现场监测数据最终拱顶沉降和水平位移监测值均要大于模拟值且稳定增长阶段持续时间更长这是因为现场实际施工环境复杂围岩具有大量节理和裂隙孔隙水不均匀分布导致围岩强度劣化不均匀.围岩应力监测分析图 为围岩应力时程曲线 围岩最大应力值出现在拱顶处约为.左右拱腰最大应力值差较小均在.左右占拱顶的 左右 在监测前 围岩应力变化剧烈 应力变化减缓 之后逐渐趋于稳定 总体呈现为“前期剧烈 中期缓慢 后期稳定”的趋势图 围岩应力时程曲线 结论以山冲箐隧道为工程背景采用数值模拟和现场监控量测相结合的方法对三车道超大断面红层软岩隧道的施工稳定性进行研究得到了以下几点结论:()隧道开挖引起围岩变形呈现“快速增长缓慢增长稳定变化”的规律其中“缓慢增长”阶段是含水率变化对围岩影响最大的一个时期呈现为一种非线性变化趋势()考虑含水率变化对围岩强度影响下的数值模拟结果要优于不考虑含水率情况下的数值模拟结果更贴近工程实际()现场监测数据表明围岩位移和围岩压力呈现前期因开挖快速增长、中期因围岩强度折减缓慢增加、后期逐渐趋于稳定的趋势参考文献 邓华锋方景成李建林等.含水状态对红层软岩力学特性影响机理.煤炭学报():.王晓强姚华彦代领等.皖南红层软岩崩解特性试验分析.地下空间与工程学报():.刘凤云谢飞邱恩喜等.川西红层软岩崩解演变特征与微观响应机理试验研究.工程地质学报():.(下转第 页)铁道建筑技术 ()余广胜:高速铁路跨海大桥公网覆盖创新方案研究 天线监控模块天线长期使用理论上可能引起面罩老化脱落、松动或其他结构异常等问题发生可能影响通信质量或铁路运营安全 因此为增加安全冗余及探索天线自动化检修手段可采用 松动监测模块 模块固定在天线内部通过传感器感知天线安装状态下的参数信息包括振动位移、速度、加速度、频率等 采用专用算法分析天线振动状态获取天线安装松动、破损等不良预警状态信息 根据不同的预警等级信息运维人员据此信息判定设备异常状态天线的定位信息及时赴现场处置确保天线使用的安全性与应急检修便利性 结束语利用海洋环境定向高增益桥梁天线较之其他方案具备以下优点:()提升桥梁公网覆盖性能增益高、方向性好支持 /()天线位于桥面系紧邻栏杆处不侵入铁路行车建筑限界占用桥面空间小尺寸小、重量轻、受风面积小固定可靠()通过调整天线辐射方向无需立杆与建设海上基站方案及桥上立杆挂设天线或漏缆方案相比大量减少了投资、缩短了施工工期、减轻了施工难度并极大地降低了运营安全风险()天线仅固定在电力槽道竖墙上重量轻约 与桥梁设计荷载相比可忽略不计不需对桥梁结构进行特殊设计()天线及通信设备分设于人行道两侧施工安装、运营期检查维修及应急方便快捷避免了其他方案需要架梯及高空作业的安全风险进一步优化建议:将天线射频接口至 接口的馈线设计预留专用的线槽特别是横向走线方向以形成标准化的施工图本文研究成果所形成的技术积累和测试、应用经验切实能够为运营商提高跨海桥上通信服务质量为助力构建现代化智能基础设施体系建设具有重要理论意义和工程实际推广应用价值并为类似场景因受地形等原因限制的陆地超长桥梁公网覆盖以及铁路专网、在超长跨海大桥上的覆盖提供一定的借鉴与前瞻性研究参考文献 李树磊樊毅.高铁覆盖建设方案分析.邮电设计技术():.万欣吴恒.浙江宁波杭州湾跨海大桥 覆盖解决方案.电信技术():.李书德冯雪元袁杰.一种跨海大桥的 覆盖方案及效果分析.电信工程技术与标准化():.容静宝曾哲君.跨海大桥的无线多网覆盖创新实践.移动通信():.刘宁.高速铁路超长跨海大桥无线方案研究.铁路通信信号工程技术():.石庆波张京京周方南等.混凝土桥梁接缝氯离子侵蚀试验研究.铁道建筑技术():.王神力.铁路跨海桥梁钢筋混凝土结构耐久性设计.铁道建筑技术():.王旭安刚.浅析移动通信海岛基站的设计及难点.无线通信():.盛秋明.浅析无线信号衰落及解决措施.科学大众():.蒋笑冰孔进亮郭跃林.线路 数字光纤直放站应用.铁路通信信号工程技术():.中土集团福州勘察设计研究院有限公司.一种桥梁通信天线:.孟洪福陈阳窦文斌.波段双极化单脉冲天线设计.红外与毫米波学报():.(上接第 页)杭红星.杭州西站红层极软岩桩基承载力参数试验研究.铁道建筑技术():.周翠英梁宁刘镇.红层软岩遇水作用的孔隙结构多重分形特征.工程地质学报():.():.袁飞包崇超王猛等.红层软岩隧洞大变形特征及控制措施研究.地下空间与工程学报():.张圣强.滇西红层软岩大变形隧道施工技术研究.铁道建筑技术():.():.王怀正宋战平张学文等.富水弱胶结地层大断面隧道施工方案优化与工程应用研究.现代隧道技术():.刘家顺靖洪文孟波等.含水条件下弱胶结软岩蠕变特性及分数阶蠕变模型研究.岩土力学():.周平王志杰侯伟名等.昔格达地层隧道局部浸湿失稳特征及突变预测研究.岩土工程学报():.铁道建筑技术 ()