典型膨胀岩区铁路隧道基底上拱致害机理及治理措施的仿真分析
2022-05-07侯彬,王越,杜林
侯 彬,王 越,杜 林
(1.石家庄铁道大学交通运输学院,河北省石家庄市北二环东路17号 050043;2.中国铁路青藏集团有限公司,青海省西宁市建国路22号 810007)
我国幅员辽阔,西部地区多山岭,多数铁路的建设须穿越山岭修建隧道,以克服高山峡谷等地形障碍,改善线路运行质量。隧道建成后,其结构受力变化情况较为复杂,未采取相关工程措施的条件下,复杂的受力将有可能导致隧道基底上拱病害的产生。已有研究表明,造成隧道基底上拱病害的主要因素为围岩强度[1-6]、隧道结构[7-9]和围岩地质条件[10]等。其中围岩强度的变化是由多方面的条件引起的,例如高地应力软弱围岩强度变化[2-4,6]及隧道下方地下水突增或周期性变化对影响区围岩的强度影响[11-13]。隧道仰拱矢跨比和仰拱厚度是影响基底病害的主要结构参数,膨胀岩土是影响基底病害的主要围岩地质条件。
目前,公路隧道工程领域对隧道基底上拱病害问题的研究较多,在铁路隧道工程领域的研究成果较少。
文中拟针对某运营期铁路隧道开展多因素影响条件下结构受力特性变化和隧道变形进行预测仿真分析,对不同隧道结构和围岩强度条件下铁路隧道的仰拱结构受力特性、仰拱变形预测等问题开展仿真研究,旨在明确外部作用力对隧道的影响,阐明相关的治理措施对基底上拱病害的防治效果,为运营期铁路隧道的安全提供一定的理论参考。
1 模型的建立
1.1 工程概况
该隧道选取西北地区某运行期铁路隧道为研究对象,最大埋深126m,隧道结构采用带仰拱的复合式衬砌结构,洞内为3.5‰的单面上坡,洞内轨道结构为CRTS-1型双块式无砟双线轨道。
该隧道工程范围内地表多出露泥岩,局部夹砂岩或石膏岩,且多为零星出露。隧道洞身上部发育有较大的冲沟,沟内多为洪积碎石土,且有潜水赋存,水量不大。全隧道按照膨胀岩衬砌支护参数设计,采用钢筋混凝土结构,并对出口岩堆体基础采用φ89钢花管注水泥浆加固地层。
1.2 数值仿真模型
根据该隧道的设计参数,建立如图1所示的三维平面数值仿真模型。隧道轴线方向(y方向)取40m厚度,在隧道宽度方向(x方向)和高度方向(z方向)的边界距轴线均为50m。
(a)模型概况 (b)隧道附近网格细化情况
围岩采用Mohr-Coulomb屈服准则进行模拟,仰拱、初支、二衬结构选用弹性模型,其中围岩、隧道仰拱和二次衬砌均为实体单元,初支为板单元。材料参数按照《铁路隧道设计规范》确定,如表1所示。
表1 模型材料参数
2 致害因素的正交试验分析
假设三个因素之间相互独立,按照L9(34)正交表开展三因素三水平正交试验。文中选定围岩强度衰减、仰拱矢跨比、仰拱厚度三个因素进行分析。选取围岩强度衰减程度为5%,10%,15%,仰拱矢跨比选用1/8,1/10,1/12三种类型,仰拱厚度选取40cm,60cm,80cm三种,数值仿真试验方案如表2所示。
表2 正交试验方案
经过数值仿真模拟运算,得到各种试验方案下隧道仰拱中部的竖向位移、水平位移和最大主应力变化数据和变化云图,部分云图如图2-图4所示,变化数据分析如表3-表5所示。
(a)方案1
(d)方案4
(g)方案7
表3 竖向位移极差分析表
表4 水平位移极差分析表
表5 最大主应力极差分析表
经由极差分析可得,围岩强度衰减变化和仰拱厚度分别是隧道产生竖向、水平变形位移的主、次要因素,隧道仰拱矢跨比是影响隧道基底最大主应力的主要因素,围岩强度衰减是影响隧道基底最大主应力的次要因素。
经由单因素分析可得以下结论:
(1)随着围岩强度的不断减弱,会对隧道产生的作用力逐渐增强,使得隧道结构竖向位移、水平位移和最大主应力不断增加。
(2)通过数值模型试验结果可以得出,仰拱矢跨比的变化会对隧道基底的最大主应力变化情况产生较大的影响,且增加仰拱矢跨比有助于更好地抵抗来自于围岩的作用力,所以在修建隧道时应在符合规范的条件下尽可能选择较大的仰拱矢跨比。
(3)根据现场工程状况和数值模拟试验结果可以得出,仰拱厚度的增加可以有效地减少隧道由于各种原因产生的竖向位移变化情况,但是并不能有效减少隧道基底承受的最大主应力。仰拱厚度的增加可以有效的抵消来自围岩的压力,但同时当围岩产生的作用力超过仰拱可以承受的作用力时,仰拱将会被破坏,依旧会产生上拱现象。
经过正交试验总体结果分析可以得知,在围岩强度衰减程度不超过10%,仰拱矢跨比在1/8,仰拱厚度在80cm时,产生的轨道上拱量较小,即此隧道结构应对围岩强度衰减程度较小的隧道可以起到较好的病害治理效果。
3 典型治理方案的改善效果
隧道基底锚杆治理是通过在隧道底部钻孔内布置锚杆以保持围岩稳定的一种加固方法。锚杆实质上加强了围岩影响区岩土的整体性,以防围岩产生变形后应力突然释放。同时,它还能充分调动围岩的潜力,依靠锚杆周围岩体的抗剪强度传递结构物的作用力,以保持结构的稳定。
为较直观地观察仰拱加厚和锚杆注浆治理方案的效果,考虑仰拱厚度和锚杆长度2个因素,设计如表6的数值方案,材料参数如表7所示。
表6 治理措施方案
表7 混凝土衬砌及锚杆参数
经过数值仿真模拟运算,得到各种试验方案下隧道中部的竖向位移、水平位移和最大主应力变化数据和变化云图,部分云图如图5所示,变化数据分析如表8、表9所示。
(a)方案1竖向
(d)方案3水平
(g)方案5竖向
表8 加厚仰拱治理方案模拟结果Tab.8 Simulation results of thickened invert treatment plan
表9 不同锚杆长度治理方案模拟结果Tab.9 Simulation results of treatment schemes with different anchor rod lengths
根据模拟结果可以得到加厚仰拱治理方案是可行的,仰拱厚度的增加对病害的体现产生了积极的抑制作用,但加厚仰拱的治理措施只能用于抵抗来自围岩向上的作用力,但并不能对病害的产生造成直接的影响。如需彻底解决上拱病害问题仍需从改善围岩环境、加强围岩强度等方面考虑。
根据模拟结果可得如下规律:
(1)在隧道基底施加锚杆的作用力后,铁路隧道基底的上拱现象得到了明显的改善,但由于未曾在衬砌周围围岩增加作用力,因此导致隧道结构水平位移明显增加;
(2)随着锚杆长度的增加,隧道基底竖向位移变化逐渐减小,说明在适合的条件下,较长的锚杆可以提供较大的锚固力,起到更好的锚固作用;
(3)由表9可知,方案4与方案5竖向位移与水平位移变化较小,结合经济性成本考虑,选择6m锚杆能在成本较小的情况下稳固围岩强度,对上拱病害有良好的治理效果。
4 结论
结合我国目前的工程实际情况和隧道基底上拱病害现象治理方案,使用正交试验分析和数值模拟分析对产生上拱病害的主要因素、次要因素和病害治理结果进行了模拟,取得的主要进展和认识如下:
(1)通过正交试验和极差分析法对围岩强度衰减程度、仰拱矢跨比和仰拱厚度3个影响因素的分析,确定了影响隧道基底产生上拱现象的主要因素;由单因素分析得随围岩强度衰减程度的增加,仰拱竖向位移和水平位移均增加,随仰拱矢跨比的减小,仰拱竖向位移增加,水平位移减小;正交试验总体结果分析得围岩强度衰减程度不超过10%,仰拱矢跨比在1/8及以上,仰拱厚度在80cm时,产生的轨道上拱量最小。
(2)仰拱厚度作为一个较为重要的影响因素,在仰拱厚度增加时竖向位移和水平位移都有明显减小的趋势,同时仰拱厚度的增加也会抵消部分来自围岩的压力,减缓隧道基底上拱的趋势,但是当围岩产生的作用力大于或超过仰拱可以承受的作用力时,仰拱将会被破坏,依旧会产生上拱现象。
(3)隧道基底上拱在锚杆支护作用下有明显的改善,证明采用锚杆注浆的治理措施是有效的,选择6m锚杆能在成本较小的情况下稳固围岩强度,对上拱病害有良好的治理效果。