含孤石级围岩单线铁路隧道初期支护的稳定性分析

含孤石级围岩单线铁路隧道初期支护的稳定性分析

在花岗岩分布地区修建了一条山地隧道，隧道和出口段主要位于花岗岩残积层。花岗岩的不均匀风化特别明显,残积土中往往夹杂较大的孤石,孤石的存在严重加剧了围岩的不均匀性。在花岗岩残积土地层中进行隧道开挖,孤石常因开挖卸载和临空面的形成向洞室周边移动,引起初期支护局部应力集中并加剧初期支护的变形和破坏,给隧道施工带来诸多困难。本文以某单线铁路隧道为例,在分析孤石对初期支护影响规律的基础上对此类地层的隧道施工技术进行介绍。1隧道围岩地层本文所述含孤石软弱围岩地段位于某特长单线铁路隧道的出口端,围岩为花岗岩残积土,其间夹杂大量孤石(如图1所示),隧道埋深10～20m。围岩级别为Ⅵ级。2有孤石断面的围岩压力图2为隧道出口段有孤石、无孤石断面实测围岩压力分布图。由图2可看出:有孤石断面的围岩压力明显比无孤石断面的大,有孤石断面的围岩压力是无孤石断面的7.6倍;有孤石断面的围岩压力分布极不均匀。过大的围岩压力及严重的不均匀分布必将使初期支护的内力增大、稳定性降低。3初期支护内力计算方法上述分析表明,孤石影响下初期支护所受围岩压力明显增大且分布不均匀,受其影响,初期支护的受力也会发生相应变化。施工方法的选择必须针对受力特点的变化,采取相应的措施。为此,必须就孤石对初期支护的影响规律进行研究。地层结构法是隧道初期支护内力计算的常用方法。本文按照该隧道孤石分布段的地层、断面及支护条件采用地层结构法对拱顶、拱腰单个孤石对初期支护内力的影响规律进行计算分析,计算条件如下:隧道埋深15m,初期支护为I20钢拱架,间距0.5m/榀,25cm厚C25喷射混凝土。围岩为Ⅵ级,力学参数按《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)的选取,容重γ=16kN/m3、泊松比μ=0.45、变形模量E=0.8GPa、内摩擦角φ=16°、粘聚力c=0.1MPa。计算时仅考虑单个孤石,孤石呈圆形,力学参数为:容重γ=27kN/m3、泊松比μ=0.20、变形模量E=32GPa、内摩擦角φ=60°、粘聚力c=2.1MPa。3.1孤石对拱顶的弯矩比和剪力比图3、图4分别为初期支护成环工况下无孤石、半径0.5m孤石在拱顶上方0.7m处条件下初期支护的内力分布。对比图3、图4可看出:与无孤石条件下相比,孤石位于拱顶上方时,初期支护除拱顶及其附近的弯矩、剪力明显增加大外,其余部位的弯矩、剪力、轴力均无明显变化。采用地层结构法对半径0.5m孤石在拱顶上方不同距离及拱顶上方1.0m处有不同大小孤石条件下初期支护的内力进行计算,并与无孤石条件下的进行对比,得出初期支护拱顶处的弯矩比和剪力比(有孤石与无孤石条件下的弯矩、剪力之比)随孤石距拱顶的距离、孤石半径变化的曲线,如图5、图6所示。由图5可看出:(1)随着孤石至拱顶距离的增大,其对初期支护弯矩、剪力的影响逐渐减小;当孤石距拱顶4.2m时,弯矩比、剪力比分别为1.01、1.1,趋于无孤石条件下的内力状态。(2)当孤石距拱顶距离小于1.5m时,曲线较陡,大于1.5m时曲线较平缓。这说明半径0.5m的孤石在距拱顶1.5m以内时,孤石对初期支护拱顶附近的不利影响较大。由图6可看出:随着孤石半径的增大,其对初期支护拱顶处弯矩及剪力的影响逐渐变大;当孤石半径小于0.3m时曲线较平缓,大于0.3m时曲线较陡。这说明在孤石距拱顶的距离小于1.0m的条件下,当孤石半径大于0.3m时,孤石对初期支护拱顶附近的不利影响较大。3.2孤石对右拱腰弯矩及剪力比的影响图7为初期支护成环工况下右拱腰外侧0.7m处有半径0.5m孤石时初期支护的内力图。对比图3、图7可看出:与无孤石条件下相比,孤石位于右拱腰外侧时,初期支护除右拱腰及其附近的弯矩、剪力明显增加外,其余部位的弯矩、剪力、轴力均无明显变化。采用地层结构法对半径0.5m孤石位于右拱腰外侧不同距离及右拱腰外侧1.0m处有不同大小孤石条件下初期支护的内力进行计算,并与无孤石条件下的进行对比,得出初期支护右拱腰处的弯矩比、剪力比随孤石距右拱腰的距离、孤石半径变化的曲线,如图8、图9所示。由图8可看出:(1)随着孤石距右拱腰距离的增加,孤石对右拱腰弯矩及剪力的影响逐渐减小;当半径0.5m孤石距右拱腰的距离大于4.8m时,弯矩比、剪力比分别为1.00、1.04,趋于无孤石条件下的内力状态。(2)当孤石距右拱腰距离小于1.5m时曲线较陡,大于1.5m时曲线较平缓。这说明半径0.5m的孤石距右拱腰小于1.5m时,孤石对初期支护右拱腰的不利影响较大。由图9可看出:当孤石半径小于0.5m时曲线较平缓,大于0.5m时曲线较陡。这说明在孤石距拱腰的距离小于1.0m的条件下,半径大于0.5m的孤石将使拱腰处弯矩、剪力明显增大。3.3拱腰处弯矩比、剪力比由图5、图8可看出:在孤石大小相同(半径0.5m),在明显影响距离内(均为1.5m以内),当距离由1.5m减小至0.7m时,拱顶处弯矩比、剪力比分别由1.43、19.09增至1.83、66.38;拱腰处弯矩比、剪力比分别由1.15、1.15增至1.65、1.30。3.1、3.2的研究还表明:在孤石距初期支护距离相同的条件下(均为1.0m),对初期支护拱顶弯矩、剪力影响较大的孤石(半径大于0.3m)对拱腰的影响(半径大于0.5m)小。上述结果表明:大小相同、距初期支护距离相同的孤石,拱顶上方的孤石对初期支护的危害比拱腰外侧的大。4期支护施工方法本文第2、第3部分的研究表明,软弱围岩中距隧道较近的孤石对初期支护受力状态的影响主要表现为:孤石因开挖卸载和临空面的形成随软弱围岩向洞室周边移动,引起初期支护局部应力集中和围岩压力分布不均;距隧道较近的孤石使孤石临近部位的初期支护的弯矩、剪力增大。在上述孤石对初期支护受力影响分析的基础上可得出含孤石软弱围岩隧道施工的下列基本原则:(1)严格控制因初期支护变形引起的孤石向洞室周边移动。(2)采取措施提高初期支护未成环前支护结构的抗弯、抗剪承载力,提高其稳定性。交叉中隔壁工法可有效地控制初期支护未成环前的洞室变形,临时仰拱和竖向支撑还为初期支护增加了支点,提高了初期支护的承载能力。因此,孤石软弱地层中宜选用交叉中隔壁等水平、竖向支撑较强的工法施工。此外,还应根据工程条件采取下列工程措施:(1)采用超前管棚、围岩注浆等超前预加固措施,控制围岩变形和孤石位移。(2)加强排水,防止围岩在水的作用下软化和随水流失诱发孤石位移。(3)短进尺、快支护、弱爆破,减少围岩变形和孤石位移。该隧道软弱围岩孤石分布段采用如图10所示的交叉中隔壁法自上而下交叉施工。上部、中部采用人工开挖,下部采用挖掘机配合人工开挖,开挖过程中尽量避免爆破或采用弱爆破,为减弱开挖引起的初期支护变形,隧道中、下部还分两个台阶进行开挖。台阶长度控制在3m左右。每开挖一步及时施作锚网喷支护、安设钢架、施作中隔壁,底部设置临时仰拱,步步成环。采用上述方法,隧道施工过程中围岩变形较小(拱顶下沉、边墙收敛最大值分别为43mm,61mm)。图2(b)所示围岩压力分布不均匀断面施工期间钢拱架各测点实测最大应力分布如图11所示。由该图可看出:各测点的最大应力均小于钢拱架的容许应力,钢拱架拱顶、拱腰的最大应力分布也较均匀。这说明,采用上述施工方法在含孤石软弱围岩段可取得很好的施工效果。图12为图2(b)断面钢拱架左拱腰测点应力的历时曲线。图中第55天为断面左侧Ⅰ部临时仰拱拆除对应的时间。由该图可看出:左侧Ⅰ部临时仰拱拆除后,钢拱架左拱腰处的应力明显增长。这也说明,在含孤石软弱围岩条件下,临时仰拱对控制初期支护变形、提高初期支护稳定性有十分重要的作用。图13为图2(b)断面临时支撑实测最大应力分布图。由该图可看出:(1)临时仰拱承受了较大的轴力,特别是第2层临时仰拱。这也说明临时仰拱在控制围岩及初期支护水平位移中起到了非常重要的作用。(2)与临时仰拱相比,竖向临时支撑所受轴力相对较小。这说明,就含孤石软弱围岩的单线铁路隧道而言,临时仰拱在控制围岩及初期支护变形方面的作用比竖向支撑还大。5围岩压力分布(1)软弱围岩中距隧道较近的孤石对初期支护的影响主要表现为:开挖卸载和临空面的形成使孤石随软弱地层向洞室周边移动,引起初期支护局部应力集中和围岩压力分布不均;使初期支护与孤石临近部位的弯矩、剪力增大