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27 工程措施对控制隧道围岩变形的力学效果研究 Mechanical effects of engineering measures in controlling the deation in the surrounding rock of the tunnel 王明年 张建华 西南交通大学地下工程及岩土工程系,成都,610031 文 摘 在对现场实测数据进行统计分析的基础上,建立了模拟台阶法施工的有限元解析模式,并用此方法,评价了台阶法、 注浆、 喷层、 锚杆等主要工程措施对控制隧道围岩变形的效果,为新奥法施工的浅埋隧道控制地表下沉提供了理论依据。 关键词 力学分析,台阶法,注浆,喷层,锚杆。 中图法分类号 U 451 作者简介 王明年,男,1965年生,工学博士,副教授,主要从事地下工程及岩土工程教学和科研工作。 Wang Mingnian Zhang Jianhua Dept. of Underground Engineering and Geo - Engineering , Southwest Jiaotong University , Chengdu , 610031 Abstract On the basis of data measured at the site of tunnel , the finite element simulatin g the details of bench cut construction is established. The main engineering measures bench cut , grouting , shotcrete , rock bolt that control the deation in the sur2 rounding rock of the tunnel are discussed. The theory of controlling tunnel ground surface settlement in NATM construction is given. Key words mechanical analysis ,bench cut ,grouting ,shotcrete ,rock bolt. 1 前 言 采用新奥法施工技术在未固结的土砂围岩中开挖 浅埋隧道是很困难的。若施工中采用的工程措施稍有 不当,将会造成过大的地表沉陷,甚至导致围岩整体失 稳,发生坍塌事故,即便是不坍塌,过大的地表沉陷将 会造成地面建筑物及地中设施的破坏。当然,不顾资 金的浪费,采用过强的工程措施虽然能确保施工安全, 但它不符合市场经济规律,因此不被人们接受。作为 一名称职的工程师,是希望采用一种或几种既安全可 靠又经济可行的工程措施。 为控制地层变形,现场工程师常采用下列工程措 施[1～4]。 a台阶法施工。在满足施工工序作业的条件下, 控制台阶长度在一定的范围内,开挖后及时施作初期 支护并及时封闭仰供。 b小导管预注浆加固围岩。在掌子面上,小导管沿 隧道周边斜向插入地层,注入水泥水玻璃双液浆,可使隧 道围岩形成约018～112m厚的环状加固圈图1。固砂 强度的室内试验结果表明1天的固砂强度为011MPa;3 天的固砂强度达0115MPa;28天的固砂强度达013MPa。 由此可见注浆对改善围岩的力学性能极为明显。 c加强初期支护。除采用较厚的喷层外,还采用 了系统锚杆,网格拱架间距仅为0175m,以强支护来控 制围岩变形。 本文将对这些工程措施的有效性进行评价,并指 出采用这些技术所要注意的问题。 图1 小导管注浆加固示意图 Fig. 1 Casing injection 2 基于现场实测结果的有限元解析模 式的建立 211 实际隧道情况 隧道跨度 D为11146m,高度 H为8137m,开 挖面积为8014m2,埋深11m。设计原则是以喷混凝土 网构钢拱架钢筋网组成的初期支护作为主要承载 结构,模筑混凝土的二次衬砌作为安全储备,其厚度分 别为0135m和014m。施工采用了正台阶法,开挖顺 序见图2,上台阶长6m,中台阶长5m,由人工开挖,下 台阶用机械开挖,各台阶平行作业,施工速度为 0164m/d。 各台阶开挖后均立即施作初期支护,并设临 时仰供封闭。 212 实际荷载释放率的确定 当围岩处于弹性应力状态或应力水平较低的弹塑 到稿日期1996 - 10 - 14. 第20卷 第5期 岩 土 工 程 学 报 Vol. 20 No. 5 1998年 9月Chinese Journal of Geotechnical EngineeringSept. , 1998 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图2 台阶法开挖顺序图 Fig. 2 Bench cut 性应力状态时,荷载释放率可用围岩变形之比来表示 λ Ub x / U∝ 式中 Ub x为距掌子面后方x处的洞周位移值; U∝为距掌子面后方无限远处的洞周位移值。 拱顶下沉量Ub x与掌子面距离x的函数关系, 可用对12个断面拱顶下沉实测数据进行回归的方法 来得到,回归结果为 Ub x 9.1338.851-e- 0.139x , x ≥0 式中 x单位为m, Ub x单位为mm。由此可得最 大拱顶下沉为47198mm。 由此可得出隧道拱顶处的荷载释放率的表达式为 λ Ub x U∝ 9.1338.851-e- 0.139x 47198 1-0.8e- 0.139x , x≥0 隧道周边各点的荷载释放率应该与隧道拱顶处的 荷载释放率一致,即可得到隧道的实际荷载释放率λ。 213 围岩和支护的物理力学指标确定 对围岩和支护的物理力学指标进行现场实测,结 果列于表1。 表1 围岩和支护的物理力学指标 Table 1 Physico2mechanical properties of surrounding rock and its support 指标砂质土 注浆地层 喷 射 混 凝 土 7d28d E MPa30101001017 5001021 30010 μ0130013001250125 c MPa0102013051007100 φ3010351035104510 γkN/ m31815201024102410 214 有限元分析的有效性检验 在有限元分析中,采用Drucker - Prager屈服准 则,围岩和支护的物理力学指标按表1选取。采用平 面应变假定,为模拟三维效应,采用荷载释放系数法, 则隧道周边的虚拟力为 σr 1-λσ00.8e- 0.139x σ0 式中 σ0为隧道开挖前的地应力。 将解析结果与实测结果绘于图3、 图4。由图3、 图4可以看出,有限元解析结果与实测结果基本吻合, 说明有限元分析是有效的,围岩和支护的物理力学指 标选取是合理的,同时也说明实际荷载释放率的规律 是正确的,这也为下面的分析打下了基础。 图3 地表下沉值比较 Fig. 3 Ground surface settlement value 图4 地中位移值比较 Fig. 4 Ground displacement value 3 超前预注浆加固效果 超前预注浆加固地层是浅埋暗挖地铁施工中控制 围岩变形的有效工程措施之一。随着注浆范围的扩 大,这种控制效果越好,但是,大范围注浆是不经济的, 而且施工干扰大,工期长。因此,超前小管棚局部注浆 技术常被采用。在采用这项技术时,加固什么部位最 有效,这是现场工程师最为关注的问题。本文对没有 注浆、 拱部注浆、 边墙注浆、 拱部边墙都注浆的四种情 况进行了研究。结果见表2和图5所列。 由表2可以看出 a没有注浆时,围岩内的塑性区范围达7m,地表 下沉达35mm; b拱部注浆后,围岩内的塑性区范围没有明显变 化,地表下沉减小了1mm; c边墙注浆效果明显,围岩内的塑性区范围减小到 5m,地表下沉仅为2214mm,与没有注浆比,减少了 36; d拱部边墙都注浆与只对边墙注浆情况相比,无 论是塑性区还是地表下沉量都没有多大差异。 82 岩 土 工 程 学 报 1998年 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表2 不同部位注浆加固效果 Table 2 The reinforcing effect of injection at different location 图5 不同部位注浆加固的地表下沉曲线 Fig. 5 Ground surface settlement curve for injection at different location 由此可以看出,不同的注浆部位,对控制地表下沉 的力学效果是不同的,以边墙部位注浆为最佳。这是 因为边墙注浆预先加固了可能发生塑性的围岩,使其 强度提高,仰制了塑性区的扩展,所以地表下沉即能明 显得到控制。但是,在松散和节理裂隙发育的地层中 施工隧道,拱部注浆也是必要的,因为拱部下沉和掉块 可能引起整个隧道的破坏。 以上分析是按连续介质力学进行的,没有考虑节 理裂隙等因素,但从这些分析中可以看出只注意拱部 注浆效果,而忽视边墙的注浆效果是不正确的,也是危 险的,这一点必须引起现场工程师的高度重视。 由图5可以看出,不同的注浆加固情况,对地表沉降 槽宽度没有多大影响。这说明注浆加固对减小地层的扰 动范围无能为力,因此,对周围有建筑物和地下管网的浅 埋地铁施工,必须采用其它工程措施来实现这一目标。 4 控制台阶长度的效果 在正台阶法施工中,台阶长度对地铁隧道稳定性 影响很大,本文分析了台阶长度为0125D ,015D , 0175D ,110D四种情况,结果列于表3和图6。 由表3可以看出,与台阶长度为110D相比,台阶 长度为0175D ,015D ,0125D时的地表下沉量分别减 小了5187mm,10159mm和23167mm,分别占台阶长 度为110D时 地 表 下 沉 值 的1616、3012和 6715。表明台阶长度越小,地表下沉的控制效果越 好,同样,随着台阶长度的减小,无论是隧道拱肩处,还 是墙脚处,围岩内塑性区范围明显减小,特别与注浆加 固工程措施相比,出现在墙脚处的塑性区减小很多。 这与现场实测结果一致。对于地铁施工,要求地表下 沉最大值控制在30mm以内,为此,台阶长度不应超过 0175D。 表3 不同台阶长度对地铁隧道稳定性影响 Table 3 The effect of different bench length on subway tunnel stability 图6 不同台阶长度下的地表下沉曲线 Fig. 6 The settlement curve of ground surface with different bench length 由图6可以看出,随着台阶长度的减小,不仅最大 地表下沉值减小,而且沉降槽的宽度也减小许多。与 台阶长度为110D相比,台阶长度为0175D ,015D , 0125D时的沉降槽宽度分别减小了110D ,115D , 210D。说明,减小台阶长度,可以有效地减小开挖对 地层的扰动范围,这对周围有建筑物和地下管网的浅 埋地铁施工,有非常大的实际意义。 92 第5期王明年等 1 工程措施对控制隧道围岩变形的力学效果研究 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 5 增厚喷混凝土的效果 在浅埋隧道中多采用密排钢支撑和加厚喷层的办 法试图以强支护达到控制围岩变形的目的。这种措施 对维护隧道的稳定性是否有效,本文作了认真分析,结 果列于表4。 由表4可以看出,增加喷层厚度对地表下沉有一 定的效果,且随台阶长度的减小,这种作用增大。但与 注浆加固措施相比,增加喷层厚度的控制变形并不显 著,即使是采用超短台阶法施工时,喷层增厚0115m , 也仅能减小地表下沉2129mm。增加喷层厚度意味着 提高工程造价,是不经济的。因此,试图以增加喷层厚 度的工程措施来控制围岩变形是不可取的。这是因为 浅层土砂围岩中初始应力水平较低,分部开挖已使绝 大部分围岩变形荷载在支护闭合前已获得了释放。即 便采取过强的支护也不会对控制围岩最终位移起多大 作用,从控制围岩变形的效果讲,采用012m厚的喷层 与0135m并无多大差别。故最佳喷层厚度的选择应 以构造要求和隧道的稳定分析来决定。 表4 不同喷层厚度的支护效果 Table 4 Support effect of different shotcrete thickness 台阶长度 喷层厚度 m 地表下沉 mm 拱顶下沉 mm 1. 0D 0. 2034. 8849. 64 0. 3534. 0248. 11 0. 4033. 4847. 97 0. 75D 0. 2029. 9145. 71 0. 3529. 1844. 60 0. 4028. 3743. 49 0. 5D 0. 2021. 7334. 74 0. 3520. 1732. 29 0. 4019. 7331. 59 0. 25D 0. 2012. 3723. 76 0. 3510. 0820. 41 0. 409. 5219. 61 若在施工中围岩变形出现了异常变化时,现场常采 用挂网补喷的工程措施,这种方法对维护隧道稳定是极 为有利的,这不在本文讨论范围以内,故不作详细分析。 6 锚杆支护效果 锚杆支护能否对浅埋土砂质围岩起到加固作用是一 个有争议的问题,本文对此进行了分析,结果列于表5。 由表5可以看出,锚杆支护对围岩变形有控制作 用,且随台阶长度的减小,这种作用增大,但与注浆加 固措施相比,锚杆支护效果也不显著。虽然锚杆的设 置部位与注浆加固的部位相同,且范围还大,但注浆加 固措施是先于开挖使围岩强度提高的,因此,控制围岩 变形效果明显。而锚杆是在开挖后设置的,对控制围 岩的变形作用相对较弱,因此,设置时机的不同是这两 种工程措施控制效果相差较大的原因。 表5 锚杆支护效果 Table 5 The support effect of rock bolt 台阶长度喷层厚度锚杆长度地表下沉拱顶下沉 cmmUammUbmm 015D 353101819431. 75 3520. 1532. 26 015D 35310814219114 351010820141 7 结 论 由上分析可以得出如下结论 1小导管预注浆加固围岩,可以非常有效地控制 围岩变形,但注浆部位不同,控制围岩变形的效果不 同。实际中,在注意拱顶部位注浆效果的同时,更应注 意边墙部位的注浆效果。 2在正台阶法施工中,随着台阶长度的减小,围 岩内塑性区范围和地表下沉量都有明显减小,为此,台 阶长度应控制在0175D以内。 3小导管预注浆加固围岩对减小沉降槽的宽度 无能为力,而短台阶法施工对减小沉降槽的宽度非常 有效。为此,应将这两种工程措施结合起来,可以发挥 更大效益。 4增加喷层厚度对控制地表下沉有一定的效果, 且随台阶长度的减小,这种作用增大。但与注浆加固 措施相比,增加喷层厚度对控制围岩变形的效果并不 显著不包括变形异常时补喷混凝土情况。 5锚杆支护对围岩变形有控制作用,且随台阶长 度的减小,这种作用增大。但与注浆加固措施相比,锚 杆支护效果也不显著。 6注浆加固措施和锚杆支护措施控制地层变形效 果相差较大的原因是这两种工程措施设置时机不同。 参 考 文 献 1 张建华.浅埋隧道新奥法施工引起地表下沉的预测及控制 [硕士论文].成都西南交通大学,1991. 2 王明年等.隧道仰拱的力学行为研究.岩土工程学报,1996 , 181 46～53. 3 王梦恕等.北京地铁浅埋暗挖法施工.铁道工程学报,1988 , 124 7～12. 4 Mair R J . Ground movement around shallow tunnels in soft clay. Tunnels and Tunnelling , 19826 33～38. 03 岩 土 工 程 学 报 1998年 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.