泥石流堆积体隧道支护体系优化效果模拟分析

昝文博; 钟宇健; 王恩波; 钱若霖

doi:10.3969/j.issn.1007-2993.2023.01.009

泥石流堆积体隧道支护体系优化效果模拟分析

doi: 10.3969/j.issn.1007-2993.2023.01.009

1.
陕西工业职业技术学院土木工程学院，陕西咸阳　712000
2.
长安大学公路学院，陕西西安　710064

基金项目: 陕西省教育厅科技项目（21JK0502）；陕西省重点研发计划项目（2020SF-428）；陕西工业职业技术学院科研基金资助项目（2022YKZD-007）

详细信息

作者简介:
昝文博，男，1994年生，汉族，陕西宝鸡人，博士研究生，主要从事特殊不良地质隧道工程方面的研究。E-mail：zanwb@chd.edu.cn

中图分类号: U 45
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出版历程
- 收稿日期: 2021-09-24
- 刊出日期: 2023-02-08

Numerical Simulation on Optimization of Support System for a Tunnel through Debris Flow Deposits

1.
School of Civil Engineering, Shaanxi Polytechnic Institute, Xianyang 712000, Shaanxi, China
2.
School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China

摘要

摘要: 以国道318线林芝—拉萨段娘盖村隧道为工程背景，针对钢架锚喷网支护在泥石流堆积体隧道施工中存在的不足，提出了三条优化措施并建立完全对应的数值模型，对比分析各项优化措施的作用效果。结果表明：（1）三条优化措施对于控制拱顶沉降和周边收敛均是有效的，其作用效果由大到小依次为壁后注浆、锚杆优化和加密双层钢筋网；（2）壁后注浆容易导致仰拱部位隆起变形，应严格控制注浆量和注浆压力；（3）取消系统锚杆后锁脚锚杆轴力增大为原设计的110.3%，初期支护正、负弯矩分布更加均匀，结构受力更加有利；（4）采取双层加密钢筋网后支护弯矩增大为原设计的1.63倍；（5）壁后注浆使得洞室周边更大范围的围岩参与共同承载，支护弯矩和锚杆轴力减小为原设计的67.6%和79%。研究结果可为隧道穿越泥石流堆积区支护方法的选择提供借鉴。
- 隧道工程 /
- 泥石流堆积体 /
- 支护方法 /
- 数值模拟 /
- 优化措施
Abstract: Based on Nianggai village tunnel in Nyingchi-Lhasa section of national highway 318, three optimized measures proposed were aimed at deficiencies of steel frame and shotcrete net support for a tunnel through debris flow deposits. The numerical models with complete consistence were established to analyze the effects of each optimized measure comparatively. The results show that three optimized measures are of effective benefit for controlling vault settlement and peripheral convergence, and the effect of grouting behind initial support, optimized bolt and double-layer densifying reinforcement mesh are in descending order. The backfilling grouting is prone to cause the uplift of inverts, therefore, the grouting amount and pressure must be strictly controlled. The axial force of feet-lock bolt is increased to 110.3% compared to the original one after removing the systematic bolts. The distribution of positive and negative bending moment for the initial support is more uniform, and then it is more advantageous to the structure stress. The bending moment of the support is increased to 1.63 times of the original one when double-layer densifying reinforcement mesh is adopted. A larger range of surrounding rock around the cavern is mobilized to participate in bearing capacity together. Furthermore, the bending moment of supporting structures and axial force of the bolts are reduced to 67.6% and 79% compared to the original one. It is indicated that the proposed optimized measures are significantly effective to control tunnel deformation and reduce the stress of supporting structure. The research conclusions are supposed to provide reference for the selection of tunnel support method in debris flow accumulation.
- tunnel engineering /
- debris flow deposits /
- support method /
- numerical simulation /
- optimized measures

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图 1 隧道与泥石流堆积区相对位置

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图 2 隧道支护结构设计图

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图 3 泥石流冲沟和掌子面围岩

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图 4 锚杆打入前后围岩状况

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图 5 初期支护壁后注浆示意图

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图 6 支护体系优化模型

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图 7 各计算工况隧道变形比较

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图 8 各计算工况隧道支护弯矩和锚杆轴力

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图 9 现场监测拱顶沉降比较

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表 1 数值模型计算参数

材料名称	本构类型	材料重度/（kN·m⁻³）	弹性模量/MPa	泊松比	黏聚力c/kPa	内摩擦角φ/（°）
稍密堆积层（Q₄^al+pl）	莫尔–库伦	21.1	28.6	0.36	10.02	36
中密堆积层（Q₄^set）	莫尔–库伦	23.8	32.2	0.35	21.2	36
密实堆积层（Q₃^set）	莫尔–库伦	24.9	41.6	0.33	36.5	36
初支喷射混凝土	弹性	24.8	28700	0.23
锁脚锚杆	弹性	78.5	180000	0.23
二次衬砌混凝土	弹性	23.8	30900	0.27
系统锚杆	弹性	52.5	120000	0.24
超前锚杆加固区	莫尔–库伦	26.5	184	0.30	50.8	49.2
路基及仰拱	弹性	29.2	423	0.26
注浆等效加固区	莫尔–库伦	24.9	41.6	0.33	47.5	46.8

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参考文献(20)

[1]	李天斌,刘梁,陈国庆. 隧道穿越泥石流堆积体的数值模拟及优化处治[J]. 工程地质学报,2015,23(4):712-718.
[2]	谢亦朋,杨秀竹,阳军生,等. 松散堆积体隧道围岩变形破坏细观特征研究[J]. 岩土力学,2019,40(12):4925-4934.
[3]	杨建周. 穿越松散堆积体围岩加固与隧道施工技术[J]. 铁道科学与工程学报,2019,16(5):1266-1273.
[4]	JTG 3370.1—2018　公路隧道设计规范第一册土建工程[S]. 北京: 人民交通出版社, 2018.
[5]	廖峻,肖博,王道良,等. 隧道穿越泥石流沟防治设计的几个问题探讨[J]. 隧道建设,2020,40(1):75-82.
[6]	贺晓宁,邢军,董小波. 泥石流地质调绘在拉林公路穿越山区选线中的作用[J]. 甘肃水利水电技术,2018,54(7):34-37.
[7]	朱正国,朱永全,吴广明,等. 泥石流堆积体隧道基底加固方法及稳定性分析[J]. 岩土工程学报,2013,35(S2):617-621.
[8]	朱正国,朱永全,吴广明,等. 泥石流堆积体隧道围岩加固及施工方案优化研究[J]. 铁道工程学报,2013,182(11):75-81. doi: 10.3969/j.issn.1006-2106.2013.11.014
[9]	崔向阳,丁浩. 乌树头隧道施工方案优化选择[J]. 华东交通大学学报,2019,36(2):22-28.
[10]	蔡邦国,蔡键,李杨,等. 渔寮隧道围岩内部位移与支护结构受力分析[J]. 华东交通大学学报,2019,36(3):32-38.
[11]	XIAO J Z,DAI F C,WEI Y Q,et al. Cracking mechanism of secondary lining for a shallow and asymmetrically-loaded tunnel in loose deposits[J]. Tunnelling and Underground Space Technology,2014,(43):232-240.
[12]	XIAO J Z,XING C Y,WEI Q Y,et al. Comparative analysis of excavation schemes for a tunnel constructed through loose deposits[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities,2016,30(4):04015061. doi: 10.1061/(ASCE)CF.1943-5509.0000813
[13]	昝文博,赖金星,张玉伟,等. 松散堆积体隧道围岩空间位移特征分析[J]. 解放军理工大学学报(自然科学版),2017,18(3):270-276.
[14]	昝文博,赖金星,张玉伟,等. 堆积体隧道围岩及支衬体系空间力学特性[J]. 公路,2017,62(2):244-250.
[15]	昝文博,赖金星,曹校勇,等. 漂卵石隧道围岩力学响应与失稳破坏机制[J]. 岩石力学与工程学报,2021,40(8):1643-1653.
[16]	昝文博,赖金星,邱军领,等. 松散堆积体隧道压力拱效应试验与数值模拟[J]. 岩土工程学报,2021,43(9):1666-1674.
[17]	王建宇. 锚杆是一种优化的隧道围岩支护形式[J]. 现代隧道技术,2014,51(3):1-6.
[18]	曹校勇,冯志华,史彦文,等. 漂卵石隧道自进式中空注浆锚杆力学性能测试分析[J]. 现代隧道技术,2019,(3):125-132.
[19]	LIU T,ZHONG Y J,FENG Z H,et al. New Construction Technology of a Shallow Tunnel in Boulder-Cobble Mixed Grounds[J]. Advances in Civil Engineering,2020,(4):1-20.
[20]	张志恩. 富水断层破碎带隧道施工方案及参数优化研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2018.