张家山隧道检算Word格式文档下载.docx

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2010年11月25日0:

30分现场安全员值班时发现在距掌子面后方64m处DK135+525左侧边拱墙初支发现变形，5：

40分变形明显，迅速将人员机械全部撤出，06:

10分DK135+525拱顶处发生坍塌。

当日塌方地段DK135+520～+550，塌方长度约30m，塌方量约3000方，外拱顶塌高约5～7m，将隧道开挖断面2/3堵住；

12月26～27日，塌体继续向洞口方向扩大，塌体将DK135+508～+589段隧道全部封堵（本段地表埋深26～35～70m），至11月29日塌方基本停止。

本次塌方特点是来的突然，持续时间长，坍塌段长、塌方量大。

DK135+508～+589（掌子面）长81m塌体已将隧道全部封堵，塌方长度约60m，塌腔高度约15m左右，塌方量在1万方以上。

塌体后方DK135+468～DK135+508段左侧拱墙初支经山体挤压变形，个别局部侵限，右侧初支喷砼表面脱皮掉块、钢格栅扭曲变形。

地表高柱硬质岩堆下面村水泥路面有多道裂纹，宽度在3cm左右，柱体岩堆大块状岩体滑落，将村路封堵（见塌方段示意图）。

为了更准确的了解洞内塌体情况，请山西省第三地质工程勘察院做物探来确认塌腔形状、高度，外拱顶上方堆积厚度，为处理塌方提供相关参数（见张家山1号隧道K135+480～K135+580段空洞物探报告）。

2010年12月～2011年1月，按塌方处理方案要求，对DK135+468～+498长30m受塌方影响初期支护变形段更换初支钢架，扩大了拱墙初支断面，并进行了二衬。

在DK135+498～+500处施作大管棚导向墙。

为增加导向墙抗压强度，按初支断面对导向墙进行了全断面设置，内配4榀全环Ⅰ20a钢架，导向墙内拱顶上部按双层管棚2m高设置，保证了双层管棚施工作业高度，增大了作业空间。

按管棚施工设计方案，大管棚总长度103m，第一、二环各施作40m，第三环施作23m，每环搭接长度10m。

从DK135+498～DK135+599（掌子面+589，大管棚伸入未开挖段10m做为搭接长度）采用双层φ108大管棚超前支护，每根钢管长度为123m（与上一环搭接10m），40m一环，内层环向间距为每米3根，外层环向间距为每2米3根，在拱部140°

范围内共设置52根，钢管壁厚6mm、每根长6m、采用丝扣连接（或焊接），钢管总长6396m。

管棚布置见图1。

2011年1月29日，我们采用四川成都ZSY-80型钻神全液压锚固水平钻机，在DK135+498起施工开始施作大管棚。

钻机钻头采用φ146mm偏心钻头，钻杆3m一根，内接。

为保证管棚在塌体内伸入长度，施作到位，管棚施工采用跟管。

跟管直径φ146mm，每1.5m一根，接头采用内丝扣正反接头。

施钻中根管随钻头同时跟进接长，管棚打到设计位置后，退出偏心钻头及钻杆，安装完管棚钢管后，用ZSB-80T液压拨管机逐节退出跟管。

2011年3月5日大管棚施工完毕，现已进入坍体开挖。

为加强大管棚刚度，大管棚打入后内加钢筋笼，按水：

水泥1：

1比例注入水泥浆，注浆压力2Mpa以上。

图1管棚布置图

2计算模型

2.1设计及计算参数

初期支护采用30cm厚C25喷射混凝土，工20钢架，间距0.5m/榀。

计算所采用的物理力学参数具体见表2-1。

表2-1围岩及支护材料物理力学参数

地层

E/GPa

μ

φ/°

C//kPa

γ/kN/m3

厚度/m

级围岩

1.5

0.4

45

100

18.5

-

加固区

4

0.3

55

450

21.5

0.48/0.24

初期支护

28.53

0.2

2500

2.2计算模型

分析采用ANSYS二维平面应变弹塑性非线性方法进行计算，隧道埋深D=80m。

计算模型选取两侧边界至隧道中心线距离为30m，底部边界至隧道距离约为25m，上部取至地面。

侧面边界为水平位移约束，底面边界为竖向位移约束。

模型上部边界为自由边界，不受任何约束。

有限元分析计算模型如图2-1所示。

计算只考虑隧道开挖及初期支护阶段。

计算中隧道的预支护考虑对围岩的整体加固作用，从而认为预支护的加固作用使加固区域内的物理力学参数指标得以提高。

加固区域可简化为实体单元。

隧道采用台阶法开挖。

计算中荷载释放率为40％，即支护承担60％的围岩压力。

共有53624个4节点四边形单元，共有节点数53575个，模型网格划分具体见图2-1，三台阶法施工工序如图2-2所示。

计算中模拟分析了隧道在开挖过程中，围岩变形、支护弯矩、支护轴力以及支护应力等。

从而判断支护结构的安全性。

3计算结果及分析

3.1围岩变形

隧道周边围岩变形如图3-1~图3-6所示。

图3-6开挖完成后隧道周边水平位移云图

图3-5开挖完成后隧道周边竖向位移云图

从图3-1~图3-6可以看出，在开挖支护完成以后，隧道的变形不大，最大水平收敛仅有3.356mm，最大拱顶沉降为27.816mm。

3.2围岩应力

隧道周边围岩应力如图3-7~图1-12所示。

从图3-7~图3-12可以看出，在开挖支护完成以后，隧道周边围岩的最大拉应力为0.12MPa，最大压应力为8.4MPa，小于围岩的承载能力。

3.3支护内力及应力

支护结构在支护弯矩及轴力图如图3-13~图3-18所示。

从图3-13~图3-18可以看出，在开挖支护完成以后，支护结构的弯矩和轴力都较小，只是在墙脚处出现了应力集中，最大弯矩为287.708kN.m，最大轴力值为2380kN。

3.4支护结构安全度计算

支护结构关键截面的安全系数见表3-1所示。

表3-1支护结构关键截面的安全系数

位置

单元号

轴力/N

弯矩/N.m

安全系数

拱顶

53341

-2.38E+06

-60452

2.227

拱腰

53351

-2.16E+06

29904

2.623

拱脚

53393

-1.68E+06

8798.8

3.816

墙中

53421

-5.65E+05

1.51E+05

2.499

墙脚

53465

-9.88E+05

2.88E+05

1.282

由表3-1可知，初期支护最不利截面为墙脚处，安全度为1.282，整个支护结构的安全系数除墙脚外均在2.0以上，说明支护结构是稳定的，墙脚部位需要加强。

4结论

由计算结果可看出：

（1）在设计参数条件下，隧道的变形不大，最大水平收敛仅有3.356mm，最大拱顶沉降为27.816mm。

（2）在设计参数条件下，隧道周边围岩的最大压应力为8.4MPa。

支护结构的弯矩和轴力都较小，最大弯矩为12.95kN.m，最大轴力值为495.2kN。

（3）在设计参数条件下，初期支护截面安全度除墙脚为1.282，其余均在2.0以上。

从上面的计算可以看出，在设计参数条件下，隧道及支护结构在开挖过程中是稳定的，墙脚部位需要加强。

附：

φ108大管棚承载力计算

1、塌方体积计算：

以DK135+525为坍体中心，按物探图及现场情况分析，坍体范围从DK135+500～+550，隧道外拱顶上部坍体范围为DK135+514～+537（第一次塌方可见），塌体为一椭圆形自然塌落堆体，按塌体45°

坡脚、隧道开挖宽度11m、塌方高度为25m计算，塌体总方量约6875m3；

其中隧道顶部塌体厚度约15m，按23m长，隧道外拱顶上部覆盖约1898m3。

本段埋深40～60m，取50m，塌体中心地表覆盖层厚度还约有25m。

2、外拱顶上部塌体总重量：

按松散体1.4系数计算，1898m3÷

1.4=1355m3×

2200kg/m3=2981000kg。