小净距隧道中央岩柱的力学特性分析
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文章编号:1005205742(2005)0220011204
小净距隧道中央岩柱的力学特性分析
吴明生, 杨转运(重庆交通学院桥梁与结构工程系,重庆400074)
摘 要:通过分析小净距隧道在不同围岩类型下中央岩柱的力学特性,为中央岩柱加固处理的设计提供依据,并结合工程实例,介绍了中央岩柱在施工中加固处理的要点。关键词:小净距隧道;中央岩柱;加固;力学特性;分析中图分类号:U45914 文献标识码:A
Abstract:Themainpointsofconstructionforstrengtheningofrodkpilebetweentwintunnelaredescribedinthisarticleaccordingtotheprojectpractice,throughtheanalysisonthemechanicalperformanceofthepilessurroundingwithdefferenttyperockwithsmall2intervaltunnels,thusprovidingabasisfordesignofstrengtheningthesepiles.Keywords:tunnelswithsmall2interval;rockpile;strengthening;mechanicalperformance;analysis
穿越山岭的隧道按《公路隧道设计规范》(JTJ026-90)规定:高速公路、一级公路一般应为上、下行分离的两座隧道,且两相邻隧道最小净距应分别置于围岩压力相互影响和施工影响的范围之外,即要求上、下行隧道间中央岩柱应具有足够的强度、稳定性,不至于在上、下行两隧道施工中相互影响而出现事故。但在公路选线时,上、下行隧道往往受地形等条件的限制,使得两相邻隧道净距突破了《公路隧道设计规范》(JTJ026
-90)规定的最小净距要求(表1)的最小净距隧道越
来越多,这就给隧道工程设计和施工提出了新的要求。小净距隧道在结构形式上介于分离式隧道和连拱隧道之间,净间距一般小于115倍单孔隧道开挖洞跨。
表2 各种压实方法效果比较表压实方法 表层位置Ξ%Θdg・cm-3K%5cm以下位置Ξ%Θdg・
cm-3
K%
压 路 机装 载 机水坠法(3h
)
水坠法(12h
)
-111101414011198-118211691172-10217951597115104---1173---9715---
4 结语①从现场试验的压实度量测结果分析可知,在施工中利用振动压路机来初碾,再利用装载机来终碾,可以满足以风积沙为填料的路基压实度要求。②对于风积沙路基的压实,必须在严格控制松铺厚度的基础上,注意保持一定的含水量,并充分利用压实机械自身的特点进行;在终碾过程中应注意保持风积沙的含水量,在发现含水量较低时,应及时洒水。
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[4]杨俊1高速公路风积沙路基施工[J]1铁道建筑技术,2003,(1):20223(编辑 李新生)
原稿收稿日期:2004211224 修改稿收稿日期:2005204211
11内蒙古公路与运输总第88期Highways&TransportationinInnerMongolia
© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net表1 两相邻隧道最小净距(×B
)[1]
m
围岩类别～净距115～210210～215215～310310～510>510
注:B为隧道开挖断面的宽度,m。 小净距隧道设计、施工成功与否的关键是对中央岩柱的加固处理。这事关整个隧道工程的成败。本文就小净距隧道中央岩柱的力学性能、设计施工要点做初步的分析说明。1 中央岩柱的力学特性小净距隧道因洞间净距小于115倍洞跨,导致施工产生的扰动必然会影响隧道围岩的力学特性,所以小净距隧道一般采用一先一后的施工方法,先行隧道施工时,与一般单洞施工无异。后行洞开挖施工时,围岩将产生复杂的应力重分布[1]。受力特性表现为,先行隧道和后行隧道发生相互耦合作用。要使小净距隧道中央岩柱稳定可靠就必须保证不出现塑性区或出现微小塑性区且不能贯通。下面通过对不同岩类型的中央岩柱力学分析,得到中央岩柱的力学状态。111 类围岩段内中央岩柱力学特性[2]11111 无支护条件中央岩柱的力学特性①对于普通类围岩段,如果不加支护在双洞隧道上台阶开挖时,由于围岩松动圈的相互影响,在中央岩柱出现一个蝴蝶形塑性区(图1),安全系数在018～110之间。当在中央岩柱出现蝶形塑性区,会使中央岩柱的围岩处于极不稳定的状态,这一力特点与普通隧道有很大不同。
图1 类围岩岩柱塑性区分布图 ②当围岩岩体抗拉强度偏低时,两隧道拱顶拉裂区大,中央岩柱的塑性区亦大。③通过分析可知,若中央岩柱的厚度在2～3m
时,塑性区贯通,若厚度大于4m时,则塑性区范围明显减小;开挖时若先开挖岩体较差的一侧隧道,中央岩柱的力学形态比先开挖较好侧隧道要好。11112 加固处理后中央岩柱的力学特性在围岩进行预加固的前提下,采用一定的支护和
开挖方法,经分析后得到:
①看出类围岩段中央岩柱虽然还出现塑性区,
但塑性区的范围大为减小(图2),安全系数在018～110之间。
图2 类围岩经预加固处理后岩柱塑性区分布图 ②由于围岩已经过加固,支护结构未出现破坏,
说明对于类围岩经过合理的加固和采用一定的施工方案是可以保证围岩稳定和初期支护安全的。总结以上分析结论,对类围岩段内中央岩柱的分析可以明确如下几点:a1采用锚喷支护构筑方法,
实现初期支护为主要受力结构;b1通过支护手段加固岩体的抗拉强度是保护岩体自承能力的关键,尤其是加强隧道拱顶上方岩体的抗拉强度,避免拱顶拉裂区出现,并发展致使中央岩柱区出现拉裂现象;c1对中央岩柱预加固,以增加对其水平方向的侧向约束,增大围岩的抗拉强度,是增大两隧道中央岩柱支撑能力,
防止在竖向荷载作用下破坏的有效方法;d1如果中央岩柱净厚度大于4m,可以增加中央岩柱的可靠度,
也方便采取有效的预加固措施。112 类围岩段内中央岩柱力学特性11211 无支护条件中央岩柱的力学特性对于普通类围岩段,结构分析的结果同类围岩段有相似之处,只不过中央岩柱的塑性区比类围岩段的有所减小,没有出现如同类围岩段的贯通蝶形塑性区,说明类围岩段对中央岩的预加固和采用合理的施工方法也是必须的。11212 加固处理后中央岩柱的力学特性在围岩进行预加固的前提下,采用一定的支护和开挖方法,经分析后得到:
①看出类围岩段中央岩柱几乎不出现塑性区;
②由于围岩经过加固,支护结构未出现破坏,说明对于类围岩经过合理的加固和采用一定的施工方法是完全可以保证围岩稳定和初期支护安全的,如图3所示。
21内蒙古公路与运输Highways&TransportationinInnerMongolia2005年第2期
© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net图3 类围岩经预加固处理后岩柱塑性区分布图 ③结构分析中同时对类围岩深埋段进行结构分析,得出深埋对中央岩的影响不像类围岩埋深时对中央岩柱的影响那么大。113 类围岩段内中央岩柱力学特性对于类围岩段,结构分析表明在净距不小于4
m的情况下,采用全断面施工方法一般不出现塑性区,但中央岩柱的安全系数一般只有115～210,只相当其他部位的12～13。说明对于类围岩中央岩柱的安全系数只比临界安全系数略高,如果施工中不注意对中央岩的保护,不做好控制爆破和光面爆破,同样可能出现围岩失稳现象。114 类围岩段内中央岩柱力学特性对于类围岩段,分析表明,只要保证中央岩柱有足够的厚度(>4m
)的情况下,采用双洞全断面施工
方法,中央岩柱的安全系数均在310以上,所以在类围岩段内双洞全断面施工时也不需要对中央岩柱采取特殊的加固措施,但必须保证尽可能少的对中央岩柱的扰动,特别是应该严格控制爆破对其产生的冲击和振动。2 中央岩柱加固设计要点小净距隧道的结构型式充分发挥了围岩的自承能力,比较符合新奥法的设计思想。中央岩柱的加固是小净距隧道设计中的关键步骤和设计理念的精髓。中央岩柱在小净距隧道双拱结构中部,起着极其重要的支撑作用。在结构计算中,中央岩柱是压应力相对集中的区域,这充分表明中央岩柱的稳定直接控制着小净距隧道设计的成败。一方面在洞口浅埋段以及岩体破碎、节理裂隙发育的情况下,中央岩柱的承压能力能否达到设计要求;另一方面小净距隧道施工过程中二次应力场在中央岩柱叠加,极有可能出现应力集中现象,从而设计时应着重考虑对中央岩柱进行加固。211 、类围岩段中央岩柱加固设计对于、类较软弱围岩,一般会实行先加固后开挖的施工顺序,具体的加固设计有:①预注浆法。注浆区域除了抑拱之外全部洞周围岩,注浆顺序是从先行洞(左洞)左侧拱脚到右侧墙脚,对于后行洞(右洞)是从拱脚到左侧墙脚处。②在落后先行洞(左洞)开挖面约40m之后,开挖后行洞(右洞)侧导洞后,即可对双洞中央岩柱进行施作贯穿两洞的水平预应力对拉锚杆,施作部位是从拱腰到拱脚位置。③中央岩柱洞周软弱围岩一样也应采取初期支护,如挂网、喷混凝土、架设钢支撑等措施,保证施工初期中央岩柱的稳定。212 、类围岩段中央岩柱加固设计从以上力学分析中可知,、类围岩段中央岩柱不会出现塑性区,最不利位置的安全系数只有115～210,相当于其他部位的13～12,在这种情况下,设计时只需要考虑采用加长锚杆,一般加长110m左右,但中央岩柱的初期支护同、类围岩情况相同,只是设计参数略有加强。另外对工程性质较好的类围岩,只需要在软弱局部增设系统锚杆。3 中央岩柱加固施工要点为了具体说明中央岩柱加固施工过程,结合工程实例对施工要点进行初步探讨。311 工程概况泰和-井冈山高速公路是江西省路网规划中的旅游高速公路,也是通往井冈山风景区的便捷通道,起于泰和县南源垅,止于井冈山厦坪镇,全长62km,同时建设厦坪-井冈山旅游城一茨坪镇连接线,长22km。工程总投资21191亿元。全线按四车道高速公路标准建设,计算行车速度80kmh,路基宽2415m;连接线计算行车速度40kmh,路基宽16m。2003年9月28日开工建设,2005年3月底建成。石狮隧道是该段高速公路的一座典型小净距隧道,其单孔隧道净宽为12112m,中间岩柱净宽为812m,属于典型的双线、双洞、小净距隧道。地质勘察资料表明,该隧道的岩质较差,以风化砂岩、石英砂岩为主,构造裂隙,风化裂隙中间泥较多,还存在软弱间层。此隧道以～类围岩为主,长690m,左右双线共长1380m,围岩分类情况为:类围岩156m,类围岩1000m,类及以上围岩224m。该隧道的支护与衬砌共有三种类型:类围岩浅埋段156m(S2型)、类围岩深埋段1000m(S3型)、类及以上围岩深埋段224m(S4型),四个明洞洞门结构各10m共40m。312 超前支护加固为防止洞口类围岩开挖时坍塌,围岩洞口浅埋段施工采用注浆长管棚超前支护进行加固。长管棚单
