黑石岭公路隧道不良地质施工稳定性分析

交通运输系统工程与信息

JournalofTransportationSystemsEngineeringandInformationTechnology

Vol18No14August2008

文章编号:100926744(2008)0420132205

案例分析

黑石岭公路隧道不良地质施工稳定性分析侯献云

3

(张石高速公路张家口管理处,河北张家口075700)

摘要:　近年来,随着我国交通基础设施建设规模的逐步扩大,公路隧道修建的数量也日益增多,其中不乏有一些超长隧道.按“新奥法”施工的河北张石高速黑石岭隧道全长7590m,为上、下行分离的双洞单行双车道,属于长大岩石高速公路隧道,围岩级别主要为III、IV、V三级.本文采用GTS三维数值模拟方法,对张石高速黑石岭隧道在穿越断层时的施工稳定性进行了动态分析研究.通过研究认为,隧道按原设计方案支护后,围岩的变形及塑性区范围得到明显控制,增强了长子面围岩的稳定性.该研究不仅对实际施工具有一定的指导作用,而且可以节约投资,增加经济效益.关键词:　公路隧道;数值模拟;断层;稳定性分析中图分类号:　U45文献标志码:　A

StabilityAnalysisofUnfavorableGeologicalConstruction

inTunnelofHeishilingHighway

HOUXian2yun

(ManagementOfficeinZhangJiakouCityofZhang2ShiHighway,ZhangJiakou075700,Hebei,China)Abstract:　Recently,astheconstructionofChinesetrafficinfrastructureisexpandingstepbystep,therearemoreandmoretunnelsofhighway,inwhichtherearesomeoverlengthtunnels.TheHeiShilingtunnel,ofZhang2ShiHighwayinHebeiProvince,is7590mlong.ItisconstructedinNewAustrianTunnelingMethod(NATM).Itisanone2wayanddoublelanetunnelwithdisjunctiveupanddownlines.Itisalongandlargerockedtunnel.ThegradesofsurroundingrockmainlyaregradeIII,gradeIVandgradeV.Inthispaper,theThree2DimensionalNumericalSimulationofGTSmethodisadoptedtodynamicanalysisaboutthestabilityofconstructionwhenthetunnelisoverthefaultage.Bythestudy,afterthetunnelistimberedastheoriginaldesignation,theplasticscopeofthesurroundingrock’sdistortioniscontrolledobviously,andthestabilityofsurroundingrockisstrengthened.Thisresearchnotonlyhasinstructionfunctiontoactualconstruction,butalsosavesinvestmentandimproveseconomicefficiency.Keywords:　tunnelofhighway;numericalsimulation;faultage;analysisofstabilityCLCnumber:　U45Documentcode:　A

1　引　　言

近年来,随着我国交通基础设施建设规模的逐

步扩大,公路隧道修建的数量也日益增多,其中不乏有一些超长隧道.在河北省太行山区,由于受地

收稿日期:2008202227　　修回日期:2008204228　　录用日期:2008205206作者简介:侯献云(1966-),男,河北万全县人,高级工程师,硕士.

3

通讯作者:zhxywyh@126.com

第4期黑石岭公路隧道不良地质施工稳定性分析133

形条件的限制,隧道成为该省高速公路隧道的主体.目前在建的张石高速公路二期(化稍营至蔚县)就有隧道16座,其中最长的隧道为黑石岭隧道,是本段控制工期的咽喉工程.隧道分左、右线,左线3720m,右线3870m,是华北地区目前最长的高速公路隧道.

由于隧道所穿越的围岩类别多、变化大,而勘探工作的密度有限,使隧道所穿越的实际围岩类别与设计所提供的围岩类别有出入.尤其是在V级围岩中,围岩十分破碎,其支护就显得尤为重要.隧道围岩稳定性(或围岩—支护系统稳定性)是一个反映隧道地质环境、支护结构和施工方法的综合性指标.其定义是:地层在开挖隧道并加以支护过程中的稳定程度.隧道工程支护设计与施工,实质是对围岩稳定性控制的及时性与有效性的问题.公路隧道作为地下工程结构物,它赋存于一定的自然地质环境中.自然地质环境的复杂多变性和难以预测性使得隧道围岩和支护结构稳定性的评价成为制约隧道建设的关键问题

[2,3]

[1]设计中

[4,5]

.MIDASΠGTS(岩土与隧道分析系统)代

表了当前工程软件发展的最新技术,给隧道工程与特殊结构领域提供了一个崭新的解决方案.自从1989年以来,MIDAS公司致力于有限元分析与仿

真方面的研究,而GTS就是在其基础上发展而形成的专门针对岩土与隧道工程的分析软件.

MIDASΠGTS在直观建模、自动划分有限元网[6]

络、卓越的分析能力和速度、可视化的模型及分析结果、输出计算书等方面提供了一个很好的人机交流平台.另外,其独特的Multi2Frontal求解器可提供最快的运算速度,这也是最强大的功能之一.在2006年世界隧道大会暨第32届国际隧协年会在韩

国首尔举办之际,MIDASΠGTS以其友好的界面及优秀的前后处理和强大的分析功能得到各位专家的好评.MIDASΠGTS已经通过了QAΠQC质量管理体系认证,能确保计算结果的精度和质量,致力于为岩土与隧道工程方面提供一个创新的解决方案.3.1　模拟范围

.本文拟采用数

依据弹塑性理论和工程类比,计算模型范围的选取通常遵照隧道的跨度和高度确定:外边界左右取跨度的3～5倍,上下取高度的3～5倍,在所取范围之外可认为不受开挖等施工因素的影响,即在这些边界处可忽略开挖等施工所引起的应力和位移.同时,保证模型不出现刚体位移及转动.建立的模型如图1所示.

值模拟分析方法对黑石岭隧道左线LK73+468断面施工过程中穿越断层时围岩支护方案进行稳定性分析.

2　隧道工程概况

黑石岭隧道净宽13.25m,净高7.80m,建筑限界高度5.00m,均按新奥法原理设计和施工,设计采用柔性支护体系结构的复合式衬砌,即以锚杆、喷射混凝土、钢拱架等为初期支护,二次衬砌采用添加抗裂防水膨胀剂的模筑混凝土或钢筋混凝土,并在两次衬砌之间敷设土工布及防水板.

左线LK73+468断面拱顶距地表约为23m,所处围岩为V级围岩,微-未风化白云岩,粉晶结构,层状构造,岩体较破碎,小裂隙发育,大多呈闭合状.该处途经F1断层:断层面上可见擦痕,断层面产状:倾向225°、倾角75°,与路线斜交,岩体在该处呈强风化碎块状,受此影响,隧道围岩较为破碎,稳定性较差.

图1　模拟模型

Fig.1　Analogmodel

3.2　计算模型和计算参数

3　隧道数值模拟建模

随着计算机技术的迅速发展,数值模拟仿真分析方法已经广泛应用于岩土及地下工程的研究和

针对黑石岭隧道围岩及断层的结构特点,采用了Drucker-Prager准则进行三维有限元计算.通过工程类比法选取支护参数进行模拟,并结合后期施

134交通运输系统工程与信息2008年8月

工中进行洞周收敛量测,取得一个断面以上的完整可信的数据后,进行位移反分析,从而得出接近工程实际的综合弹性模量E和初始地应力侧压系数λ.在此基础上,采用反分析所得E和λ对原估算值进行二次修正,最后得出接近实际的分析结果.

模型各级围岩物理力学参数和隧道支护参数如表1、表2所示.初期喷射混凝土支护中的钢拱架,根据力学指标将其折算到混凝土中,以简化计算.二次衬砌,在计算模拟中作为安全储备不予考虑.

表1　各级围岩物理力学参数

Table1　Alllevelsgradewallrockphysicalandmechanicalparameter

围岩级别

ⅣⅤ断层断层影响区

变形模量E(GPa)

1.20.7～0.80.50.75～1

泊松比μ

0.330.43～0.440.450.34～0.44)内摩擦角φ(°

2815～20318～22

粘聚力(MPa)

0.20.1～0.150.020.1～0.15

容重γ(kNΠm3)

23191620～23

表2　隧道支护参数Table2　Tunnelsupportparameter

支护结构喷射砼初期支护锚杆超前锚杆支护

变形模量E(GPa)

282002.8

泊松比μ

0.20.30.2

厚度(cm)

28

材料

C25早强砼

中空注浆

0.4

<25<50

3.3　模拟方案及结果

(1)F1断层模型全断面开挖、无支护模拟计算.

施工工序详情参见表3、图2和图3.

表3　无支护施工工序

Table3　Nonesupportconstructionprocess

组类型边界荷载单元单元单元单元

组名前缀

CommonSupportSelfWeight

I.S

S1

S2

S3

S4

S5

S6

S7～S16

激活激活激活激活激活激活(1to71)

1

2

3

4

5

6

7～16

断层上层岩体下层岩体隧道全断面开挖

图3　钝化第21个施工阶段

Fig.3　Inactiontwentieth2firstconstructionstage

图2　钝化第1个施工阶段

Fig.2　Inactionfirstconstructionstage

施工工序详情参见表4、图4和图5.

3.4　计算结果分析

计算模型单元采用四面体实体自动划分,全断面无支护条件下模型共有195666单元,46387个节点;有支护模型为211950单元,66958个节点.

　　(2)F1断层模型全断面开挖、有支护(无超前

锚杆加固)模拟计算.

第4期黑石岭公路隧道不良地质施工稳定性分析

表4　有支护施工工序

Table4　Supportconstructionprocess

组类型边界荷载单元单元单元单元单元单元

组名前缀

CommonSupportSelfWeight

I.S

S1

S2

S3

S4

S5

S6

S7～S71

S72

135

激活激活激活激活激活激活(1to71)

1

211

322433544

6557～716～706～70

7171

断层上层岩体下层岩体隧道全断面开挖隧道初支喷射混凝土隧道初支锚杆支护

了及时支护,原位移区域降至0.3～0.6厘米,仰拱中点仍为最大沉降点.

(3)针对隧道易破坏变形区域,对开挖临空面

进行关键点布设监控.从支护前后数据(参见图6～7)分析可知,因前期开挖影响,施工段各监控点受到小幅整体扰动,随着掌子面的临近,位移量逐渐加大,并于当前开挖段达至峰值.当施工开挖过

图4　开挖单元初期支护

Fig.4　Excavationelementpreliminarybracing

后,各监控点在未支护情况下,整体趋于平缓,受施工扰动甚微;而支护后的各监控点有一明显回弹趋势,支护有效.

　　DX(V)位移主要研究隧道开挖掌子面地质情况,揭露在断层影响下,开挖围岩易发生较大位移区域,据此对隧道可能产生的破坏形态以及围岩的力学动态加以初步判定.

4　研究结论

本文采用三维数值模拟方法,对张石高速黑石岭分离式隧道施工过程中穿越断层时支护方案进行了优化分析研究,得出如下结论:

(1)GTS数值模拟用于黑石岭隧道不良地质

稳定性分析是非常有效的,且为隧道支护设计合理性提供了数据依据.

(2)通过隧道围岩施工模拟分析,拱顶点的位移

是洞周最大点也是最不稳定点,施工时应给予重视.

(3)建议施工时辅助于监控量测手段,以判断

围岩是否稳定,同时进一步验证GTS数值模拟隧

图5　钝化第50个施工阶段

Fig.5　Inactionfiftiethconstructionstage

道稳定性分析的可靠性.

(4)支护的施加与否,直接影响隧道整体发展

　　(1)隧道毛洞开挖后,在没有进行及时支护条件下,当前掌子面最大位移量为4.52厘米,前期开挖段仰拱处中部出现0.5～1厘米的位移.该区域

因尚远离断层带,所受影响不大,整体位移呈轴对称形态分布.

(2)支护后的隧道当前掌子面最大位移量为1.28厘米,降幅71.2%,前期开挖段仰拱段因进行

趋势.通过支护有效控制及约束了掌子面产生的位移和塑性影响区域,提高了前方未开挖围岩段自稳能力,从而达到改善围岩性质的目的,提高了施工安全度.

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