旋喷桩在偏压隧道围岩加固中的数值分析及应用_杨秀竹

第8卷　第1期2011年2月铁道科学与工程学报J O U R N A LO FR A I L WA YS C I E N C EA N DE N G I N E E R I N GV o l.8　N o.1F e b.2011旋喷桩在偏压隧道围岩加固中的数值分析及应用杨秀竹1,黄建陵1,赵建群2,雷金山1,成多智2(1.中南大学土木建筑学院,湖南长沙410075;2.中铁五局湘桂铁路一标指挥部,湖南东安425900)摘　要:针对某浅埋偏压隧道采用地表旋喷桩加固措施的实际情况,对三台阶法开挖隧道时围岩的位移和应变响应进行了数值分析,并与未采用地表加固情况进行了比较。

计算结果表明:采用三台阶法开挖隧道,上台阶开挖引起较大的竖向位移和应变,而中台阶和下台阶开挖产生很小的竖向位移和应变,这主要是因为上台阶位于土层中,中台阶有一部分位于岩层中,下台阶完全位于岩层中。

采用三台阶法分部开挖,最大剪应变均位于上台阶开挖右拱脚处。

隧道上覆土层采用旋喷桩加固后,可以有效控制围岩变形。

关键词:偏压隧道;膨胀土;旋喷枪;竖向位移;剪应变中图分类号:U452.1+2 文献标志码:A 文章编号:1672-7029(2011)01-0073-04N u m e r i c a l s i m u l a t i o na n da p p l i c a t i o no f j e t g r o u t i n gp i l e t os u r r o u n d i n g r o c k c o n s o l i d a t i o n o f u n s y m m e t r i a l l o a d i n gt u n n e lY A N GX i u-z h u1,H U A N GJ i a n-l i n1,Z H A OJ i a n-q u n2,L E I J i n-s h a n1,C H E N GD u o-z h i2(1.C o l l e g eo f C i v i l a n d A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g,C e n t r a l S o u t hU n i v e r s i t y,C h a n g s h a410075,C h i n a;2.H e a d q u a r t e r s o f O n e B r a n c ho f C h i n a R a i l w a y Wu j uC o r p o r a t i o n,D o n g a n425900,C h i n a)A b s t r a c t:J e t g r o u t i n g p i l e s m e t h o d w a s u s e d t o r e i n f o r c e o v e r l y i n g s o i l o f s h a l l o w b u r i e d t u n n e l u n d e r u n s y m m e t-r i c a l p r e s s u r e.N u m e r i c a l s i m u l a t i o n w a s c h o s e nt o a n a l y z e d i s p l a c e m e n t a n d s t r a i nr e s p o n s ed u r i n g t u n n e l l i n g w i t h t h r e e s t e p s e x c a v a t i o n m e t h o d u n d e r c o n d i t i o n o f r e i n f o r c e m e n t a n d u n r e i n f o r c e m e n t.T h e r e s u l t s s h o wt h a t l a r g e r v e r t i c a l d i s p l a c e m e n t a n d s h e a r s t r a i n o c c u r s d u r i n g e x c a v a t i o no f u p p e r b e n c h,a n d i t c h a n g e s v e r y l i t t l e w h e n c e n t e r a n d s u b j a c e n t b e n c h w e r e e x c a v a t e d.T h i s i s b e c a u s e u p p e r b e n c h i s l o c a t e d i n s o i l,p a r t o f c e n t e r b e n c h i n r o c k,a n dt h e w h o l e s u b j a c e n t b e n c hi n r o c k.L a r g e s t s h e a r s t r a i no c c u r s a t t h ea r c hf o o t o f u p p e r b e n c h.I t i s c o n c l u d e d t h a t j e t g r o u t i n g p i l e s m e t h o d c a n c o n t r o l s u r r o u n d i n g r o c k d e f o r m a t i o n e f f e c t i v e l y.K e y w o r d s:u n s y m m e t r i a l l o a d i n g t u n n e l;e x p a n s i v e s o i l;j e t g r o u t i n g p i l e;v e r t i c a l d i s p l a c e m e n t;s h e a r s t r a i n 在丘陵区修建隧道常因地形地质原因要穿越浅埋破碎区,这就使隧道在开挖时容易造成冒顶式塌方,存在重大的安全和质量隐患,且在隧道施工过程中,由于埋深浅、岩层破碎、再遇上山体偏压,极易造成隧道的侧向滑移,轻则侵限,重则滑坡而造成隧道坍塌。

开展快速、安全、经济的隧道浅埋破碎带处治技术研究,已成为浅埋偏压隧道建设中亟待解决的关键技术,对此,国内许多学者和工程技术人员开展了大量的研究工作,取得了诸多可供工程设计与施工借鉴的重要成果,肖明清[1]对浅埋隧道围岩压力与分布进行了探讨。

胡学兵[2]等对软弱围岩条件下公路偏压隧道的力学响应进行了数值模拟研究。

来弘鹏[3]等对地表预注浆加固公路隧道浅埋偏压破碎围岩效果进行了数值分析和实测,高飞[4]等对浅埋＊收稿日期:2010-12-05基金项目:湖南省自然科学基金资助项目(07J J3104);南宁铁路局湘桂铁路科技攻关项目(N X G1003)作者简介:杨秀竹(1972-),女,山东莱州人,博士,副教授,从事隧道与地下工程的教学与科研工作铁道科学与工程学报2011年2月偏压隧道施工顺序与支护力学行为进行了分析,周佳媚[5]等对偏压滑坡地段隧道围岩受力特征进行了分析,雷金山[6]等对大跨度偏压连拱隧道进行了现场监测与受力分析。

但是浅埋暗挖隧道的支护工艺实践与理论还存在着差距,目前数值模拟分析具有较广泛的实用性,它不仅能够模拟隧道动态开挖过程中围岩的力学行为,而且可以方便地分析支护结构的受力状况。

本文作者针对湘桂铁路扩能改造工程某浅埋偏压隧道采用地表旋喷桩加固措施的实际情况,对三台阶法开挖隧道时围岩的位移和应变响应进行了分析,并与未采用地表加固情况进行了比较。

1　工程概况湘桂铁路扩改工程某隧道位于湖南省东安县境内。

隧道按200k m /h ,预留250k m /h 双线隧道设计,隧道全长830m ,进口里程为D I I K 182+050,出口里程为D I I K 182+880。

D I I K 182+100段为明暗分界里程,经现场断面测量,洞顶上覆土层埋深仅3.14m 。

进口D I I K 182+100～+210段,段内上覆第四系全新统坡残积膨胀土。

下伏石炭系中上统壶天组白云岩、白云质灰岩夹灰岩。

地下水主要为岩溶裂隙水及第四系孔隙水,地下岩溶水较发育,第四系孔隙水含水量较弱,地表未见地下水露头。

隧道不良地质为岩溶、顺层,特殊岩土为膨胀土。

进口端洞口与原地面等高线斜交,横向坡度较陡,造成隧道右侧偏压,洞口段基岩为弱风化白云质灰岩,覆盖土较厚,为弱膨胀性的硬塑状膨胀土。

为了提高围岩稳定性,对进口D I I K 182+100～+210段地表膨胀土采用Ф60旋喷桩加固。

图1为D I I K 182+160断面。

图1　D I I K 182+160断面F i g .1D I I K 182+160s e c t i o n2　数值分析2.1　隧道上覆土层采用旋喷桩加固后2.1.1　计算模型的建立与参数选取选取D I I K 182+160断面进行计算。

支护采用Ⅴ级复合加强衬砌,其中超前支护采用Υ42超前小导管,每环39根,4m /根,2.4m /环。

初期支护采用全环Ⅰ20b 型钢钢架,间距0.6m ,喷射混凝土25c m 。

隧道开挖采用三台阶法开挖。

土层及支护计算参数选取如表1所示。

有限元网格划分如图2所示。

表1　土层及支护参数T a b l e 1　P a r a m e t e r s o f s o i l s t r a t u m a n dt u n n e l s u p p o r tE /G P aμγ/(k N /m 3)C /kP a φ(°)膨胀土0.030.3518.52510白云质灰岩夹灰岩5.00.2524.060050小导管加固区0.60.2222.020033初期支护27.90.224.0图2　D I I K 182+160断面有限元网格划分F i g .2F i n i t e e l e m e n t m e s h o f D I I K 182+160s e c t i o n2.1.2　竖向位移分析图3～图5为三台阶分部开挖竖向位移云图。

从图3可见:开挖上台阶并施做初期支护过程中拱部出现下沉,最大竖向位移为4.309c m ,位于拱顶附近。

台阶底部出现向上位移,最大值为5.07c m 。