超前注浆技术在某破裂围岩带公路隧道施工应用.pdf

收稿日期:基金项目:安徽省级“六卓越、一拔尖”卓越人才培养创新项目()作者简介:刘 昊()男安徽六安人硕士生文章编号:()超前注浆技术在某破裂围岩带公路隧道施工应用刘 昊汪东林(安徽建筑大学 土木工程学院 安徽 合肥)摘要:为提高破裂围岩带山岭公路隧道施工技术以广西某高速公路项目为例运用 软件对超前注浆在破裂围岩带隧道施工进行了模拟计算并就模拟结果与无超前支护工况下的位移与应力结果进行对比 结果表明:超前注浆对竖向位移加固效果较为明显对水平位移加固效果并不理想由于承载拱效应在注浆区底部形成了应力集中关键词:超前注浆公路隧道中图分类号:.文献标志码:在不同围岩地质条件下选择合适的开挖与支护方法进行施工可以有效减小开挖过程对围岩的扰动 超前支护能有效抑制隧道的变形研究不良围岩超前支护的应用可以减少相关情况下的工程事故潘文韬等研究层状软岩超前锚杆施工工艺得出不同锚杆间距、角度等参数与加固效果之间的关系针对层状软岩的超前锚杆施工工艺提出了相应的改进工艺 王开洋等模拟了不同支护类型综合体系与管棚相结合对岩体的被动变形作用效果有效提升了浅埋风积砂质黄土隧道的超前支护的效果 王建宇基于岩土变形控制分析工法研究了掌子面超前支护形成的超前核心体得出了超前支护的机理与本质优化了实际工程中超前支护的作用 上述研究未涉及在破裂围岩公路隧道支护变形未考虑到超前注浆形成的承载拱效应针对破裂围岩带公路隧道本文以广西天峨至北海公路六罗隧道右线出口段为依托研究了超前注浆在破裂围岩带的山岭公路隧道支护中的应用对提高相关场景下公路隧道施工工艺有着参考与借鉴意义 工程实例天峨至北海公路为 车道高速公路隧道净宽.净高 如图 所示 六罗隧道右线出口段地处广西天峨县拉朝屯附近围岩为残坡粉积质黏土及中风化围岩岩体破碎拱顶易塌落侧壁易变形岩体修正质量指数为.开挖过程容易产生扰动以及造成前方出口处塌方图 六罗隧道施工现场 隧道采取超前注浆加环形开挖留核心土法开挖 超前导管注浆采用热轧无缝钢管注浆材料为水泥净浆液水灰比为(.)注浆顺序为两边至拱顶初始注浆压力为.终压为.如图 所示第 卷 第 期 年 月兰州工业学院学报 .图 隧道超前注浆设计 隧道开挖每次循环进尺长度为 预留核心土长度为 左右对应分部交错开挖开挖后立即施作对应开挖部分的初期支护使围岩与支护共同变形滞后初期支护一段距离后一次性施作二次衬砌 有限元模型建立.隧道施工过程的 实现在 中首先创建单元模拟隧道开挖影响区域土体并根据隧道设计参数对单元进行组()的划分隧道的开挖通过将开挖土体所在组赋予空单元()来实现 隧道的初期支护则通过对相应的位置设置壳形结构单元()进行模拟并赋予相应参数 其中二次衬砌作为安全储备在模拟中不予考虑.模型范围和边界条件通过理论和试验证明地下洞室开挖后对洞室周围地层的影响范围为距洞室中心 倍的洞室高度或宽度的距离 在距洞室中心 倍开挖范围处的应变及应力变化在 以下在距洞室中心 倍开挖范围处的应变及应力变化在 以下模型 方向为隧道横向取 方向为竖向向下取 向上取 至地表 方向为隧道轴向取 在模型的左右两侧边界施加 方向位移约束前后两侧边界施加 方向位移约束下边界施加 方向位移约束上边界不施加约束模型如图 所示图 隧道模型.材料选取和参数超前注浆和注浆锚杆的加固地层根据经验通过提高围岩的弹性模量、粘聚力和摩擦角来模拟 在 数值模拟中钢拱架和钢筋网的作用通过将其两者弹性模量折算成喷射混凝土的弹性模量的方法加以模拟其计算方法为 ()式中:为折算后的混凝土弹性模量为原混凝土的弹性模量为钢拱架或钢筋网截面面积为混凝土截面面积为钢材弹性模量地层和加固范围用摩尔库伦材料模型模拟支护采用线弹性本构关系其力学参数参照公路隧道设计规范(第一册):土建工程(.)及隧道围岩亚级分类方法地层为黏质土考虑单元等效折算后各参数物理力学参数如表 所示表 模型材料物理力学参数材料弹性模量/泊松比密度/()黏聚力/内摩擦角/()围岩.超前注浆区.注浆区.初期支护.第 期 刘 昊等:超前注浆技术在某破裂围岩带公路隧道施工应用 在 中使用的材料弹性参数体积模量 和剪切模量 为()().()超前注浆预加固效果分析为研究超前注浆预加固效果采用超前注浆与无超前支护 种不同施工方法进行对比其余参数和开挖模型不变 通过观测隧道开挖过程中的洞身位移和地表沉降变形来分析超前支护的预加固效果因此需建立监测点考虑到边界效应的影响监测点设在模型的中部在隧道地表 设置水平监测线并在初始开挖面拱顶、拱肩、拱脚和拱底设监测点其中拱顶、拱肩、拱底监测竖向位移拱脚监测水平位移.不同工况下位移结果分析图 分别为不同工况下隧道整体位移云图以及地表沉降曲线可以看出:相比于无超前支护超前注浆下有效减少了隧道开挖影响范围内土体的整体竖向位移从地表沉降值来看超前注浆下地表最大沉降值为.无超前支护下地表沉降最大值为.减少了.从沉降曲线可以看出超前注浆对抑制隧道中心线附近的地表沉降最为明显由中心线向两侧的效果逐渐减小 洞身最大沉降值为拱顶处超前注浆下拱顶沉降为.无超前支护下则为.降低了.加固效果明显 但由于超前注浆预加固区形成的承载拱效应超前注浆下核心土的隆起值相比于无超前支护作用下增加较为明显值得实际工程中进行关注 从水平位移上来看超前注浆工况下的水平位移与无超前支护下的水平位移最大值均出现于拱腰附近的围岩区域超前注浆下的最大水平位移为.无超前支护为.并无明显差异且超前注浆下的水平位移最大值大于无超前支护由监测数据超前注浆对拱顶和拱肩沉降预加固效果最为明显降低了 拱底隆起在 种工况下的数值接近超前支护略大加固效果并不明显 超前注浆下在拱脚处的水平位移大于无超前支护与整体水平位移的趋势保持一致在实际工程中需要对拱脚处进行及时监测 不同工况下洞身位移见表()超前注浆竖向位移()无超前支护竖向位移()超前注浆水平位移()无超前支护水平位移图 不同工况下位移云图(单位:)兰州工业学院学报 第 卷图 不同工况下 地表沉降曲线表 不同工况下洞身位移 工况拱顶沉降拱脚水平位移拱底隆起拱肩沉降超前注浆.无超前支护.不同工况下中心地表沉降曲线如图 所示可以看出:在隧道开挖面附近中心线超前注浆对地表沉降加固效果最为明显对掌子面前方围岩地表沉降的加固效果与无超前支护并没有明显差距可见超前注浆对开挖前方地表沉降预加固效果并不理想图 不同工况下中心地表沉降曲线.不同工况下应力结果分析不同工况下竖向应力云图如图 所示 超前注浆预加固下由于超前注浆形成的承载拱有效降低了拱肩附近承受的应力 但超前注浆最大竖向应力大于无超前支护其最大竖向应力出现在超前注浆区的拱脚上方应力值 为.这是由于超前注浆区承受了上部土体的绝大部分自重在其注浆区的拱脚处形成了小范围的应力集中并且随着隧道开挖的进行应力集中会逐步出现在实际隧道施工过程中也应及时关注并进行相应监测()超前注浆()无超前支护图 不同工况下竖向应力云图 结论)超前注浆对破裂围岩的沉降加固效果很明显对开挖中心线以及开挖面附近围岩的效果最为明显并且随距离加固效果逐渐减小 超前注浆对围岩水平位移加固效果不明显)超前注浆有效控制了拱顶与拱肩处的沉降但由于超前注浆区形成的承载拱效应拱脚处的位移大于无超前支护拱底隆起程度大于无超前支护在实际工程中需要及时关注)超前注浆预加固有效减少了拱肩处形成的应力集中但由于承载拱效应在其注浆区拱脚上方形成了局部的应力集中并且随着开挖会逐步出现)本文分析所用 软件的模拟属于简化模拟未考虑纵向连接钢筋以及开挖过程中产生的扰围岩动对工程的影响对复杂问题进行了简化处理与实际情况有着差异但对实际工程仍然有参考意义参考文献:潘超冯仲齐刘彤等.软弱破碎围岩隧道洞口段大第 期 刘 昊等:超前注浆技术在某破裂围岩带公路隧道施工应用变形处治数值模拟.广西大学学报:自然科学版():.李术才贺鹏李利平等.隧道岩质围岩亚级分级可靠度分析方法及其工程应用.岩土力学():.潘文韬何川吴枋胤等.层状软岩隧道超前支护及锚杆定向预加固研究/.地下空间与工程学报:.王开洋余相贵林达明等.浅埋风积砂质黄土隧道变形综合控制技术研究.工程地质学报():.王建宇.围岩超前支护与“岩土变形控制分析工法”.现代隧道技术():.刘庭金朱合华丁文其.某高速公路隧道二次衬砌安全性分析.岩石力学与工程学报():.丁建伟.边界效应对盾构隧道施工扰动下产生地表沉降的影响分析.北京:北京交通大学:.赵菁菁.超前小导管注浆等效模拟及参数设计研究.广州:华南理工大学.():.:(责任编辑:杨春玲)兰州工业学院学报 第 卷