隧道泄水洞与连接通道交叉段不同工法施工力学效应分析

杜嘉轩,严松宏,2,孙纬宇,2,曹明星,杨 康

(1. 兰州交通大学 土木工程学院,兰州 730070;2. 兰州交通大学 甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室,兰州 730070)

近数年来,运营中的大量隧道出现了各种程度不同的病害问题,其中由于地下水引排不合理所引起的突涌水、翻浆冒泥等病害占到了70%[1-2]。泄水洞具有排水降压功能[3-5],可以从根源上解决这一问题。连接通道与泄水洞交叉段是整个泄水洞施工体系中最为复杂的区段,其稳定性将直接影响到整体的施工安全性以及泄水洞与连接通道所构成的排水体系寿命,但国内对此的研究少之又少,故充分剖析交叉段的稳定性亟待解决。

周宗青等[6]对隧道突涌水机理进行了研究,提出了动力、卸荷、高压水耦合作用下的破裂机制与充填体“变强度-变渗透性-变粘度”的渗透破坏机制;柏庆宝[7]针对泄水洞的交叉段施工提出了四种对比方案,最终确定了一种行之有效的施工方法;许怀[8]以龙凤隧道泄水洞下穿既有隧道为背景,设计出一种“倒人字坡”构造,通过增加两隧间净岩柱厚度,保障了运营安全;针对交叉隧道安全评估问题已有学者展开研究[9],贾宝新等[10]利用FLAC3D软件剖析了不同交叉角度下,交叉隧道的力学行为。雷万雄等[11]提出了一种运营隧道泄水洞施工横洞分区分段爆破开挖的施工工艺,解决了高强度围岩中泄水洞开挖时扰动大、效率低以及高风险的问题。陈钰[12]以小断面暗挖泄水洞硬岩地层近接运营高速隧道为实例,对隧洞“周边取芯+中部劈裂”技术在硬岩中的非爆破施工效果进行了深入研究。余安亮[13]以理论分析、现场监控和有限元模拟为研究手段,分析了泄水洞不同方向爆破开挖时对主隧道衬砌的振动影响。宋伟超等[14]提出隧道合理间距以相近隧道塑性应变区发生贯穿时的间距为准, 并借助有限元软件加以辅证其可行性;赵志辉[15]建立计算模型结合机械效能确定泄水洞和隧道正洞的位置分布。

本文以陇海线下行1 588+836松树湾隧道大修为背景,提出泄水洞与连接通道之间采用直角形过渡与圆弧形过渡两种施工工法,结合数值模拟与现场监测,探讨研究了不同工法施工过程中围岩与结构的力学行为。最后基于分析,提出交叉段的施工采用圆弧平滑连接这一工法,为泄水洞的施工提供参考意义。

1 研究背景

1.1 工程概况

陇海线下行松树湾隧道,属于单线隧道,始建于1960年,隧道总长为2 224.3 m,泄水洞位于隧道外墙7 m处,纵向方向与松树湾隧道纵向一致。目标区段正洞隧道埋深50 m,围岩主要为黄土质砂黏土、黏土及粉质页岩,隧道该区段地下水丰富,地表有黄土陷穴。由于隧道建成时间久远,防排水设施已经出现破损,隧道发生了严重的渗漏水、在冬季会出现衬砌挂冰、隧道两侧形成冰柱的现象,现场隧道病害照片如图1～2所示。

图1 隧道渗漏水

图2 衬砌挂冰

1.2 方案提出

在连续延伸的渗漏水病害严重区段的避车洞内向外开窗口,施作连接通道,在距隧道边墙一定距离处,修建与正洞纵向方向一致的泄水洞,且沿纵向在泄水洞上方与下方均设置一定数量的斜向引水潜孔,将隧道正洞上部以及基床下部的水引流至泄水洞中,并在蓄水池中汇集,当蓄水池中的水蓄积到一定高度后,自动触发自吸泵,将水吸到正洞的排水沟中,从而将隧道上方与下方的水全部由正洞的排水系统排出。

本研究提出泄水洞与连接通道之间采用直角形过渡与圆弧形过渡两种施工工法,两种工法交叉段钢拱架布置示意图如图3所示。

图3 两种工法交叉段钢架支护示意图

2 有限元数值模型

2.1 模型建立

泄水洞断面尺寸为3.0 m×3.5 m,连接通道断面尺寸为3.0 m×3.0 m,支护方式采用钢架混凝土支护,泄水洞端头墙为厚30 cm钢拱架混凝土。正洞断面为马蹄形,尺寸为5.20 m×8.40 m(宽×高),采用MIDAS GTS NX建立泄水洞与连接通道的三维有限元模型。土体单元采用实体单元,钢拱架采用梁单元,衬砌结构采用板单元,模型尺寸选取50 m×40 m×70 m,上部土体自重采用等效荷载代替,圆弧形过渡施工模型共有20 540个单元,11 218个节点,直角形过渡施工模型共有27 026个单元,14 395个节点。圆弧形施工工法的三维有限元模型如图4所示,围岩参数与衬砌支护参数如表1所列。

表1 围岩参数及支护参数表

图4 三维有限元模型

2.2 现场监测

现场修建泄水洞时,交叉段采用圆弧平滑连接。连接通道与泄水洞施工的工程量较小,且现场施工注重对既有隧道正洞衬砌的影响,故现场监测点安装在距离凿岩窗口向大里程方向5.5 m、离地1.5 m处,监测内容为正洞衬砌的环向应变。

为了验证有限元模型的有效性,采用本文中方法建立数值模型,将监测时间与数值模拟施工步对应后,测点的现场监测数据与数值计算对比如图5所示。

图5 测点现场数据与数值计算对比

该点的环形应变值,数值计算整体略大于现场监测数据,从图中可以看出,现场监测数据具有一定的离散性,在泄水洞初建时有较大的波动,这是因为连接通道与泄水洞开挖时需要架立竖向支撑和拱架等工作,交叉段的各榀钢架施作时间与开挖工作量存在差异;现场监测数据的回归曲线与数值模拟曲线,随着施工进度的推进,两者趋于吻合,其中曲线拐点是因为施工方向的改变和泄水洞施工掌子面与测点所在断面重合。监测点环向应变稳定时,监测数据为6.226 36E-05,数值计算为6.489 97E-05,略高于监测数据,误差在5%以内。通过以上分析,验证了本文数值模型方法的有效性。

3 两种工法数值模拟结果对比

3.1 交叉段混凝土衬砌变形分析

衬砌变形图如图6所示。

图6 衬砌竖向沉降图

由衬砌竖向变形分析可知,衬砌具有向中心收缩变形的趋势,两种施工工法所引起的变形均不大,均控制在毫米级。对于圆弧形衬砌,最不利位置是交叉段起始断面与结束断面中的整个拱顶与地板部分;对于直角形衬砌,过渡段的整个顶面衬砌和整个底板均属于最不利位置,这是由于衬砌在空间中具有棱角与棱边的构造,易出现应力集中。

两种工法下交叉段起始断面和结束断面处拱顶与底板中心处衬砌变形曲线如图7～8所示,变形量如表2～3所列。

表2 交叉段起始断面中拱顶与底板中心变形量表

图7 交叉段起始断面中拱顶与底板中心变形图

综合图7、表2可知,对于交叉段起始断面处拱顶、底板中心位置,在掌子面开挖至交叉段起始断面与结束断面瞬时,会发生较大的变形,之后趋于稳定。开挖至交叉段起始、结束断面时,圆弧形过渡拱顶沉降为6.16E-02 mm、1.89E-01 mm占总体沉降2.01E-01 mm的30.65%,94.03%,底板隆起为9.30E-02 mm、2.23E-01 mm占底板隆起总量2.45E-01 mm的37.96%、91.02%;直角形过渡拱顶沉降为4.68E-02 mm、2.12E-01 mm占总体沉降2.59E-01 mm的18.07%、81.85%,底板隆起为8.49E-02 mm、2.91E-01 mm占底板隆起总量3.30E-01 mm的25.73%、88.18%。两种工法下,交叉段起始断面处拱顶与底板中心的衬砌变形均在泄水洞开挖3～5 m后趋于稳定,可知采用直角连接下的交叉段施工衬砌的变形总量更大,且交叉段施工变形占总变形的比例小于采用圆弧平滑连接时的占比,说明采用圆弧过渡的衬砌变形范围更小,而直角连接时衬砌的变形范围更大,故采用直角连接时交叉段产生的施工扰动较大。

综合图8、表3可知,对于交叉段结束断面处的拱顶、底板中心位置,当开挖至交叉段起始断面时,衬砌变形不大,开挖至结束断面时,变形大幅度增加,之后趋于稳定。对于圆弧平滑连接,拱顶沉降分别为8.04E-03 mm、9.05E-02 mm占总体沉降1.78E-01 mm的4.52%、50.84%,底板隆起为1.08E-02 mm、8.84E-02 mm占底板隆起总量2.11E-01 mm的5.12%、41.90%;对于直角形连接,拱顶沉降分别为1.52E-02 mm、1.27E-01 mm占总体沉降2.99E-01 mm的5.08%、42.47%,底板隆起为5.67E-03 mm、1.13E-01 mm占底板隆起总量3.35E-01 mm的1.69%、33.73%。两种工法下交叉段结束断面处拱顶与底板中心衬砌,均是在交叉段开始施工时发生扰动,当泄水洞开挖5～7 m后,变形趋于稳定。

表3 交叉段结束断面中拱顶与底板中心变形量表

图8 交叉段结束断面中拱顶与底板中心变形图

交叉段拱顶中心与底板中心处的位移变形如图9所示。

图9 交叉段拱顶、底板中心处的位移变形图

圆弧平滑连接的衬砌中心处的竖向收敛为2.60E-1 mm,直角形连接的衬砌中心处的竖向收敛为5.27E-1 mm,故采用直角形连接时相对容易出现竖向支撑的压弯失稳现象,采用圆弧平滑连接时稳定性较好。

3.2 交叉段钢拱架内力分析

两种工法下,交叉段钢拱架内力如图10～12所示。

图10 交叉段钢拱架轴力图

图11 交叉段钢拱架水平剪力图

图12 交叉段钢拱架弯矩图

对钢拱架内力进行分析可知:两种工法下交叉段的钢拱架均处于受压状态,直角连接时所受的轴力略大于圆弧平滑连接,故在水平方向发生相同的位移时,直角连接的交叉段钢拱架平面内稳定性较低;剪力方面,采用直角连接是采用圆弧平滑连接的3.5～6倍;弯矩方面,两者在第一榀拱架的右拱脚相差较大,直角连接是圆弧平滑连接的2～3倍,其余拱架所承受的弯矩相当。另外在两种工法下,钢拱架最不利位置均为共用钢段的脚部位置。

钢架在交叉段起始断面右拱脚、共用钢段脚部位置以及交叉段结束断面右拱脚的弯曲应力变化曲线如图13～15所示。

图13 交叉段起始断面右拱脚弯曲应力图

图14 共用钢段脚部位置弯曲应力图

图15 交叉段结束断面右拱脚弯曲应力图

交叉段起始断面右拱脚的弯曲应力,两种工法在拱架架立完成时,均会产生大于最终稳定时的弯曲应力,其中圆弧平滑连接为1.50 MPa,直角连接为1.20 MPa,交叉段施工时,采用圆弧平滑连接,拱脚所受的弯曲应力变化不大,略有波动,当结束断面的拱架施作完成后趋于稳定,最终所受的弯曲应力为1.51 MPa,而采用直角连接时,交叉段施工会使拱脚的弯曲应力产生较大的变化,出现了先线性减小后增加的现象,最终稳定时的弯曲应力为0.935 MPa。两种工法下的共用钢段脚部位置的弯曲应力,在交叉段起始断面的拱架施作后与结束断面的拱架施作后均产生了较大的突变,说明这两断面的施工会影响该拱脚的稳定性,该拱脚最终稳定时的弯曲应力,当采用圆弧平滑连接时为11.40 MPa,采用直角连接时为2.79 MPa。交叉段结束断面右拱脚点的弯曲应力,两种工法均是在泄水洞施工推进4～6 m后趋于稳定,采用圆弧平滑连接的弯曲应力为3.0 MPa左右,采用直角连接的弯曲应力为4.5 MPa左右。从以上分析可知,交叉段起始断面右拱脚、共用钢段拱脚的弯曲应力,采用圆弧平滑连接略大于直角连接,故钢材的利用率较大。

通过对交叉段不同工法施工中围岩与结构的力学响应的对比分析,可知,在连接通道与泄水洞处采用圆弧平滑连接优于直角连接,故认为现场泄水洞与连接通道的交叉段施工应采用圆弧平滑连接。

4 结论

本文以松树湾隧道大修为工程研究背景,研究分析交叉段的不同工法对支护与围岩变形的影响,得出了以下结论:

1) 监测点环向应变的现场数据与数值计算结果随着施工进度的推进趋于吻合,误差在5%以内,验证了数值模型的可靠性。

2) 两种施工工法下,衬砌在交叉段的起始断面与结束断面均会发生较大的变形,对于直角式过渡的最不利位置是整个交叉段衬砌的拱顶与底板,而圆弧平滑过渡的最不利位置是交叉段起始断面与结束断面的拱顶和底板。

3) 采用直角连接时,衬砌构造在空间上存在棱角和棱边,因此会出现多处应力集中现象;而采用圆弧平滑连接,应力集中现象会减弱,且交叉段钢拱架的竖向支撑稳定性优于直角连接。

4) 直角连接的水平剪力是圆弧平滑连接的3.5～6倍,第一榀拱架的右拱脚处的弯矩,两者相差2～3倍,故建议现场施工时采用圆弧平滑过渡。