鐵路隧道穿越煤系地層圍巖變形規律研究

臧世華,劉曉鳳,何丹,孫修展

(1.合肥城市學院土木工程學院,安徽 合肥 230071; 2.中鐵建設集團有限公司,北京 100043)

0 引言

當前,我國西北地區經濟正處于高速健康發展的時期,隧道施工在鐵路建設領域所涵蓋的范圍不斷增多。西北地區地下礦藏豐富,地質條件復雜,開挖隧道時常遭遇煤層,而且煤系地層深埋地下。穿越煤層施工對圍巖的擾動將會打破現有的平衡狀態,導致煤層內腔變形,煤與瓦斯外泄。尤其是采用臺階法開挖隧道的斷面整體處于煤層時,巖體松散而破碎,圍巖承載力低可能會造成隧道支護結構的變形和開裂,甚至隧道塌方[1-4],如何在臺階法開挖時保證圍巖系統穿越煤層段的結構穩定性成為新的難點。

國內學者對穿越煤層的隧道開展了大量研究。冉楗等[5]以城開高速雞鳴隧道為研究對象,基于數值模擬方法,研究了瓦斯隧道開挖過程中通風設備布置對通風效果的影響機制。吳波等[6]針對含瓦斯地層隧道施工難度大、安全風險高等特點,提出了采用熵值法和模糊理論相結合的方法進行鐵路瓦斯隧道施工安全風險評估。王棟[7]以渝黔鐵路天坪隧道為研究對象,通過在施工過程中實施非防爆無軌運輸技術,有效降低了高瓦斯隧道的瓦斯含量和涌出量。王海洋等[8]采用灰色關聯法分析了多個隧道里發生的不同等級事故產生的影響因素,得出影響隧道事故的主要原因包括圍巖瓦斯含量、地質構造、隧道埋深等。黎俊麟等[9]以成都軌道交通19號線新紅區段為例,重點論述了盾構始發前和掘進過程中兩個階段的盾構施工工藝流程,為非煤高瓦斯隧道盾構施工提供重要借鑒。肖喬等[10]以成都地鐵11號線暗挖段高瓦斯隧道為切入點,通過建立人工監測和電腦系統監測相結合的隧道瓦斯監測體系,分析隧道瓦斯防控效果,并給出了瓦斯超限處理措施。

前人的研究促進了瓦斯隧道施工安全與技術的發展,但是主要針對的是施工工藝流程和安全風險評估,關于單線鐵路隧道穿越煤系地層圍巖穩定性的研究相對較少。本文在前人研究的基礎上,以重慶市涪陵區新涪陵隧道為工程背景,通過選取處于煤系地層不同高度的典型斷面,采用現場監測、數值模擬等方法對隧道穿越煤系地層圍巖進行變形分析,得出處于煤層中隧道不同斷面圍巖變形位移受力規律,以期為類似工程條件下隧道穿越煤系地層掘進提供借鑒。

1 工程概況

新涪陵隧道位于重慶市涪陵區白濤鎮境內,中心里程ZDK123+516.5,全長4 545 m,最大埋深352 m。分進、出口兩個作業面組織施工,其中,進口工區承擔1 605 m施工任務,出口工區承擔2 940 m施工任務。隧道穿越二迭系上統須家河組為含煤地層,砂巖、頁巖中夾劣質煤。受影響線路里程為YDK122+160～YDK122+500。隧道施工現場圖如圖1、2所示。

圖1 新涪陵隧道出口

圖2 隧道三臺階現場圖

2 監測方案與設計

根據左右兩煤系地層穿越隧道距離的不同和距離出(入)口的距離不同,選取右邊進口工區Ⅳ級圍巖段斷層進行研究,處于該斷層的整個隧道截面都穿越煤系地層。圍巖支護采用的錨桿形式為拱墻砂漿錨桿(3.2 m),間距為1.35 m×1.35 m(環×縱),鋼筋網為直徑6 mm的鋼筋網(20 mm×20 mm),鋼拱架形式為I18型鋼(1 m/榀)。監測內容具體包括隧道開挖對兩個典型斷面DK122+200與DK122+400處的隧道拱頂沉降以及收斂變形造成的影響。隧道監測點布置如圖3所示。在隧道斷面處選取4個監測點,分別為拱頂、拱肩、拱腰、拱底,編號分別為SL-1、SL-2、SL-3、SL-4,測量頻率為1次/d,監測周期為60 d。

圖3 圍巖監測點布置示意圖

3 監測結果與分析

采用臺階法開挖隧道后圍巖的變形主要發生在拱頂上方和開挖臺階平面的下方,每一開挖步呈現的圍巖變形規律整體基本一致,在隧道施工的過程中圍巖最大變形位置出現在拱頂。通過觀察隧道斷面的監測數據發現,開挖產生的圍巖變形不是均勻的,出現這一現象的原因是隧道采用臺階法穿過含煤地層,開挖過程中影響了土體的均勻性,對圍巖土體造成了應力偏心效果。因此,隧道施工過程中應考慮掌子面開挖對圍巖初始應力造成的破壞,以及對隧道內部穩定性的影響。隧道拱頂處土體呈沉降狀態,隧道開挖臺階面土體隆起,這表明若沒有對隧道采取任何具體的支護手段就貿然施工開挖,會直接導致該隧道在拱頂處產生塌陷,隧道施工的臺階面底部土體凸起。對斷面拱頂、拱肩、拱腰、拱底監測點的數據進行整理分析,可得到隧道采用臺階法開挖過程中對圍巖土體造成累計變形量的一般規律。DK122+200、DK122+400兩處斷面的圍巖位移情況如圖4、5所示。

圖4 DK122+200斷面圍巖位移情況

結合圖4和圖5所示的監測數據與實際現場情況進行研究分析可知:

圖5 DK122+400斷面圍巖位移情況

1)穿越煤系地層臺階法開挖隧道斷面選取的4個典型監測點處的拱頂下沉和水平收斂變化趨勢基本一致,各斷面拱頂的累計變形量均大于水平收斂量,由于煤系地層分布的不均勻產生的偏心擠壓使隧道斷面拱頂受到最大的剪切力,隧道斷面兩側拱腰處承受著最大彎矩,上臺階開挖和中臺階開挖時拱頂到拱腰范圍的圍巖穩定性影響著整個隧道施工的進展,因此,在臺階法施工過程中應增加對拱頂到拱腰部位的土體位移變化和水平收斂情況的監測頻率,并通過仰拱底部加設錨桿和臨時仰拱等措施來預防事故的發生。

2)對進口不遠處的整個隧道處于煤系地層的典型斷面土體位移數據進行分析,隨著隧道斷面穿越煤系地層占比變多,相比處于其他地層的隧道斷面圍巖變形較大,由于煤系地層土體松散,圍巖條件差,因此隧道斷面在施工過程中產生的圍巖變形大小受到所處煤系地層的影響。DK122+400處整個隧道斷面位于煤系地層中。結合圖5,分析臺階法開挖斷面DK122+400處的圍巖土體累計變形數據:隧道頂部土體沉降量最大,其中上臺階開挖時拱頂沉降量達到10.8 mm,中臺階開挖時拱頂沉降量達到13.9 mm,下臺階開挖時拱頂沉降量達到17.8 mm;拱肩累計沉降量為13.8 mm,其中中臺階開挖時拱肩沉降量達到7.6 mm,下臺階開挖后拱肩沉降量達到12.9 mm;拱腰處的土體累計沉降量為7.6 mm,其中上臺階開挖時未對拱腰處土體造成影響,中臺階開挖后周圍圍巖土體開始發生變形,下臺階開挖后拱腰沉降量達到6.7 mm;拱底處的土體累計沉降量為4.1 mm,其中上臺階與中臺階開挖時未對拱底處土體造成影響,直至下臺階開挖后周圍圍巖土體才開始發生變形。因此可以看出,隧道處于煤系地層中,圍巖土體受到臺階法開挖和煤層土體擾動影響越大,隧道周圍圍巖土體累計變形相對越大,臺階法的施工順序會對隧道周邊圍巖土體造成不同時段不同程度的影響。

3)通過對現場監測數據的分析,隧道穿越煤系地層施工時,上臺階開挖對隧道頂部土體變形擾動較明顯。在實際工程中,上臺階開挖造成的土體累計變形占比超過50%,變化區間為50.9%～62.4%。結合圖4,以DK122+200處隧道斷面監測數據為例,上臺階開挖完成后隧道頂部土體累計變形量約占隧道斷面施工完成后頂部土體最終變形量的53.9%,說明造成隧道斷面頂部土體累計變形量的主要階段存在于上臺階開挖。

4 數值模擬

4.1 模型建立

模型中圍巖體為3D實體單元,本構模型為莫爾-庫倫模型,本次運用MIDAS/GTX NS有限差分法分析穿越煤系地層段圍巖結構的穩定性。根據新涪陵隧道新建隧道數值模型,為減少模型邊界效應的影響,在模型中心設置隧道的開挖面。選取新涪陵隧道模型的主要材料計算參數如表1所示,以設計院提供的設計斷面和支護設計為依據,建立圍巖體數值模型。

表1 材料力學參數

為了節約計算資源,提高效率,模型單元不宜過多,經綜合考慮后,所建模型如圖6所示。

圖6 模型中圍巖結構類型

模型尺寸大小寬度為90 m(坐標軸x軸,隧道橫截面方向),高度為30 m(坐標軸y軸,隧道豎直方向),長度(坐標軸z軸,隧道開挖方向)為100 m。最終的模型尺寸為(長×寬×高)100 m×90 m×30 m,模型共劃分162 898個單元。該模型邊界條件為:將模型側面的4個邊界設置為水平位移約束,并將下邊界設置為模型的三向位移約束;上邊界設為自由邊界,模型簡化后留取一定范圍土體進行分析。

4.2 參數取值

根據地質勘探結果,在隧道開挖面下方存在大量淤泥質土,需要用級配碎石換填,在回土時,上方用灰土回填。初期支護采取錨桿和噴射混凝土相結合的支護方式,其中,錨桿直徑為0.03 m、長5 m,橫截面設置錨桿數量為15根,錨桿的布置弧長為2 m,噴射混凝土厚度為0.25 m,噴射混凝土為2D板單元,錨桿為1D植入式桁架,本構模型均為彈性模型。為了便于三維模型的建立,假設圍巖體模擬參數取值如表1所示。根據隧道實際施工方案,隧道施工時開挖斷面長度為30 m,其中1個開挖斷面的長度為3 m,每個開挖斷面分為3個開挖步驟,每個開挖步驟按照臺階法施工的上中下順序進行開挖,并且每個開挖步后需要插入錨桿和噴射混凝土。

4.3 數值計算分析

為研究臺階法開挖隧道對圍巖土體穩定性的影響,模擬隧道始發開挖到30 m時的工況,取其Z=0截面處隧道周邊圍巖變形圖。模型開挖到中間斷面處的監測數據如圖7所示。

圖7 模型開挖到中間斷面圍巖位移

由圖7可知:當隧道模型開挖至30 m處拱頂沉降最大值為4.20 mm,該監測斷面圍巖變形規律整體與現場監測情況保持一致,同時驗證了數值分析結果的合理性。隨著預加固土體強度黏聚力的提升,隧道在開挖過程中對拱頂土體沉降槽深度的影響逐漸減小,對圍巖土體的應力擾動也在減弱。因此,在實際施工中,要充分保障混凝土澆筑的質量,在考慮不影響圍巖穩定性的前提下,可以在一定安全范圍內降低支護結構強度以及預加固圍巖土體。

5 結論

本文研究了隧道穿越煤層對圍巖土體的影響,并總結了圍巖變形的一般規律,主要得出以下結論:

1)隧道在煤層土體中開挖采用三臺階加仰拱施工方法時,上臺階開挖引起的變形量是總變形量的主要組成部分,隧道圍巖變形最大部位在拱頂位置,占總變形量的50%以上,屬于重點監控部位。因此,在隧道開挖前應空出一定的預留變形位置,必要時預加固土體,提高圍巖強度和穩定性。

2)隧道開挖期間,拱腰處也受到很大的作用力,尤其是混凝土澆筑前這期間,隧道的狀態較不穩定,因此有必要在臺階法開挖后盡快澆筑混凝土,用閉合斷面襯砌。