管道隧道Ⅵ級圍巖試驗段支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析

摘 要

管道隧道Ⅵ級圍巖試驗段支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析——以“西氣東輸"二線東江水下隧道為例中國石油集團工程設(shè)計有限公司西南分公司摘要 由于缺乏相關(guān)技術(shù)標準
管道隧道Ⅵ級圍巖試驗段支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析
——以“西氣東輸"二線東江水下隧道為例
中國石油集團工程設(shè)計有限公司西南分公司
摘要    由于缺乏相關(guān)技術(shù)標準，目前油氣管道工程隧道Ⅵ級圍巖的支護參數(shù)通常需要通過工程類比法來確定，存在一定的盲目性。為了檢驗及評價隧道Ⅵ級圍巖支護結(jié)構(gòu)的支護效果，選取“西氣東輸”二線東江水下隧道Ⅵ級圍巖中的K0～Ko+68.00 iTl段作為試驗段，通過現(xiàn)場巡檢、觀測、有限元計算、結(jié)構(gòu)力學分析等方法，對試驗段支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行了分析評價。計算結(jié)果表明，試驗段選取的初期支護結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿足相關(guān)隧道設(shè)計規(guī)范的穩(wěn)定性要求；現(xiàn)場檢測結(jié)果表明，試驗段噴射混凝土層無開裂、空鼓現(xiàn)象，鋼格柵也無明顯變形，隧道的拱頂下沉量和周邊收斂值均為毫米量級；巡檢結(jié)果表明，試驗段隧道初期支護結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量滿足規(guī)范要求，圍巖整體穩(wěn)定性良好。結(jié)論認為：該試驗段Ⅵ級圍巖初期支護參數(shù)的選取可以指導(dǎo)其他石油天然氣長輸管道工程同級別圍巖隧道的設(shè)計-0施工，可為修訂GB 504232007{油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞    “西氣東輸”二線  油氣管道隧道 Ⅵ級圍巖 初期支護 穩(wěn)定性分析 國家標準修訂
 
    隨著中國能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，石油天然氣長輸管道事業(yè)蓬勃發(fā)展，作為其咽喉工程，隧道工程的穩(wěn)定性與諸多因素有關(guān)，如地層巖性、圍巖的巖體結(jié)構(gòu)、巖土體的物理力學特性、地下水狀況、開挖方式、支護類型、支護時機、支護參數(shù)等[1]。目前石油天然氣行業(yè)的隧道工程一般按照新奧法原理進行設(shè)計和施工，因地質(zhì)勘查的局限性，此方法不能完全揭露隧址區(qū)的地質(zhì)情況，常通過工程類比法及參考相關(guān)文獻來確定支護參數(shù)[2]，尤其在預(yù)設(shè)計Ⅵ級圍巖的支護參數(shù)方面存在一定的盲目性，因此，需要在Ⅵ級圍巖試驗段信息化施工中實施對圍巖的實時監(jiān)控，通過對現(xiàn)場Ⅵ級同巖段的監(jiān)測分析，評價預(yù)設(shè)計支護參數(shù)的合理性，進一步完善和優(yōu)化隧道工程的設(shè)計與施工[3]。
    東江水下隧道是國家重點工程“西氣東輸”二線的控制性工程之一，總長1 774.83 m，采用斜巷(310.20m)+平巷(1061.20m)+斜巷(403.43m)的穿越形式，隧道襯砌凈斷面為3.00m×3.00 m。隧道北岸洞口端斜巷0～68.00m段隧道的埋深較淺，根據(jù)本文參考文獻[4]，該段圍巖級別為Ⅵ級，設(shè)計施工圖時把該段圍巖作為試驗段，施工時根據(jù)現(xiàn)場的實時監(jiān)測情況合理地調(diào)整支護參數(shù)。
1 試驗方案
1.1試驗段地質(zhì)情況
    試驗段穿越的地層主要為第四系全新統(tǒng)坡殘積褐黃色、黃灰色粉質(zhì)黏土層(稍濕-濕，可塑-硬塑，無搖振反應(yīng)，稍有光滑，干強度中等，韌性中等，層厚約1.50 m)和侏羅系中統(tǒng)漳平組上段砂巖(強風化，褐紅棕紅色，巖心呈碎屑-碎塊狀，部分巖石礦物已土化，強度較低，手捏可碎，細粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，裂隙極發(fā)育，巖體破碎)，巖層從地表往下漸變?yōu)榛野茁詭\紫紅色砂巖，淺變質(zhì)，裂隙發(fā)育，裂隙傾角為84°左右，裂隙內(nèi)充填泥質(zhì)，局部有石英脈充填并見有錯動現(xiàn)象，角礫被硅質(zhì)重新膠結(jié)。巖體完整性差，巖石的質(zhì)量指標為0～38%，巖石質(zhì)量極差-差，洞室自穩(wěn)能力極差，極易出現(xiàn)剝落、塌方。
1.2原設(shè)計初期支護方案
    原設(shè)計初期支護方案為[5]：初噴混凝土采用C25素混凝土，厚度為0.15m；系統(tǒng)錨桿采用公稱直徑為22 mm、長2.50m的鋼筋，其間距為l.00m×1.O0m，呈梅花形布置；掛公稱直徑為6mm的鋼筋網(wǎng)，其間距為0.20m×0.20m；鋼架采用I 0.126m工字鋼，其間距為0.50～1.00m。
1.3試驗段初期支護方案
    試驗段的初期支護方案為：初噴混凝土采用C25素混凝土，厚度為0.10m；系統(tǒng)錨桿采用公稱直徑為22 mm、長2.50m的鋼筋，其間距為l.20m×1.20m，呈梅花形布置；掛公稱直徑為6mm的鋼筋網(wǎng)，其間距為0.20m×0.20m；鋼架采用鋼格柵，其間距為0.60～1.20m。
2試驗段有限元分析
2.1 三維有限元模型的建立
2.1.1計算區(qū)域
    根據(jù)隧道工程地質(zhì)條件和初期支護方案，沿隧道軸線選取斜長48.O0～58.00m段進行有限元分析，初期支護模擬參數(shù)根據(jù)試驗段初期支護方案選取。
2.1.2 工程地質(zhì)條件及計算參數(shù)
有限元計算參數(shù)彈性模量(Es)為0.8 GPa，泊松比 為0.4，內(nèi)聚力(C)為0.10 MPa，內(nèi)摩擦角為18°，抗拉強度 為0.30 MPa，彈性抗力系數(shù)為80MPa/m，容重 為17.00 kN/m3。隧道初期支護結(jié)構(gòu)力學參數(shù)如表1所示
 
 
2.1.3 有限元計算條件
    有限元計算的相關(guān)條件、初始地應(yīng)力、屈服準則及計算步驟參照本文參考文獻[6]執(zhí)行。
2.1.3.1計算范圍
    計算過程中不可取一個無限體來分析，計算模型左右邊界取隧道跨度的3～4倍，計算模型左右水平計算范圍均取15.00 m(大于隧道跨度的3倍)，垂直計算范圍向上取至地表，向下取15.00 m(大于隧道高度的3倍)。
2.1.3.2 邊界條件
    模型上側(cè)為自由邊界，水平向和隧道軸線方向的4個面約束法向位移，底部同時約束x、y、Z方向的位移。
2.1.3.3 單元類型
    圍巖采用solid64實體單元模擬，噴射混凝土采用shelll81殼單元模擬，鋼格柵采用beaml88梁單元模擬，錨桿采用link8桿單元模擬。
2.1.4 網(wǎng)格劃分
    巖體有限元網(wǎng)格見圖1，隧道錨桿與鋼支撐有限元網(wǎng)格見圖2。

 
 
 2.2計算結(jié)果與分析
2.2.1 隧道位移
提取有限元計算結(jié)果，隧道洞壁水平方向最大位移量為0.75mm，發(fā)生于隧道邊墻中部；隧道洞壁豎直方向最大位移量為1.40mm，發(fā)生在隧道拱頂。
2.2.2 隧道圍巖主應(yīng)力與塑性區(qū)
有限元計算結(jié)果顯示：隧道腳部直角部位出現(xiàn)剪應(yīng)力集中，第一主應(yīng)力最大值為l.04 MPa，圍巖塑性區(qū)主要分布在底板直角處、邊墻和拱頂部位，初期支護中的錨桿、鋼拱架、噴射混凝土未發(fā)生屈服破壞。
2.2.3 隧道整體穩(wěn)定性
通過計算分析得知，隧道圍巖僅在洞壁表層出現(xiàn)屈服松動，支護結(jié)構(gòu)完好無屈服，因此，隧道整體穩(wěn)定。以支護結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服為隧道失穩(wěn)標準，根據(jù)本文參考文獻[7]，C25噴射混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值為12.50 MPa，軸心抗拉強度設(shè)計值為1.30 MPa，而最危險斷面上初期支護結(jié)構(gòu)安全系數(shù)(Fs)為：
    根據(jù)本文參考文獻T-83中的相關(guān)判斷標準，支護結(jié)構(gòu)是安全的。
3試驗段結(jié)構(gòu)力學分析
3.1計算模型
    采用結(jié)構(gòu)力學方法對隧道初期支護結(jié)構(gòu)進行計算，其對應(yīng)的計算模式為荷載結(jié)構(gòu)模式。計算中采用直梁單元對初期支護結(jié)構(gòu)進行模擬，支護結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用通過彈性支承對支護結(jié)構(gòu)施加約束來模擬。由于結(jié)構(gòu)力學方法不考慮錨桿的作用，計算結(jié)果應(yīng)該偏于安全。荷載一結(jié)構(gòu)計算簡圖如圖3所示。

3.2斜長48.00 m處斷面荷載計算
3.2.1 荷載等效高度及深埋/淺埋隧道分界深度
    荷載等效高度及深埋/淺埋隧道分界深度按照本文參考文獻[7]推薦的公式計算。通過計算，試驗段Ⅵ級圍巖荷載等效高度為l0.30m；深埋/淺埋隧道分界深度為25.70m。
 
3.2.2 斷面荷載計算
根據(jù)本文參考文獻[7]的相關(guān)規(guī)定對斜長48.00m處斷面的圍巖荷載進行計算，初期支護和二次襯砌的荷載可按一定比例分擔，為安全起見，對Ⅵ級圍巖初期支護承擔荷載比例取20%，二次襯砌承擔荷載比例取80%，計算得知豎直向荷載為(195.00×20%)kN/m，水平向荷載為(58.50×20%)kN/m。
3.3斷面計算結(jié)果分析
斜長48.00 m處斷面初期支護各斷面內(nèi)力與應(yīng)力計算結(jié)果如表2所示。

根據(jù)本文參考文獻[7]，C25噴射混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值為l2.50 MPa，軸心抗拉強度設(shè)計值為1.30 MPa，最危險斷面上初期支護結(jié)構(gòu)安全系數(shù)(F。)為：
根據(jù)本文參考文獻[8]中的相關(guān)判斷標準，支護結(jié)構(gòu)是安全的。
4試驗段支護結(jié)構(gòu)變形觀測
4.1 變形觀測的內(nèi)容
變形觀測的內(nèi)容主要包括：對支護結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量進行觀測；對支護結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進行觀測；對支護結(jié)構(gòu)是否開裂脫皮掉塊等進行觀測并做好記錄；測試隧道拱頂下沉及隧道凈空收斂量等。經(jīng)現(xiàn)場觀測，試驗段初期支護結(jié)構(gòu)成型良好，噴射混凝土密實飽滿、完整堅硬，噴射混凝土層與圍巖黏結(jié)強度高，未發(fā)現(xiàn)噴射混凝土層開裂和空鼓部位，未發(fā)現(xiàn)鋼格柵有明顯變形。
 
4.2拱頂下沉觀測
    在K0+28.00m、K0+38.00m、K0+48.00m、K0+58.00m這4個斷面進行了拱頂下沉觀測，測點布置在隧道拱頂，數(shù)據(jù)顯示4個斷面處的最大下沉量為5.00 mm，為跨度的0.16%，滿足本文參考文獻[6]規(guī)定的變形控制標準，且變形量都呈現(xiàn)前期大，后期逐漸趨緩，最后穩(wěn)定不變的趨勢，其中K0+48.00m處斷面的拱頂下沉曲線如圖4所示。
4.3周邊收斂觀測
在K0+21.00m、K0+31.00m、K0+41.00 m、KO+51.00m這4個斷面進行了隧道周邊收斂觀測，每斷面布置3個(A、B、C)測點，測點布置見圖5。數(shù)據(jù)顯示4個斷面處的最大收斂值為2.80mm，為跨度的0.15%，滿足規(guī)范規(guī)定的變形控制標準，且變形量都呈現(xiàn)前期大，后期逐漸趨緩，最后穩(wěn)定不變的趨勢，其中KO+41.00 m處斷面的周邊收斂曲線如圖6所示。

5 結(jié)論
經(jīng)現(xiàn)場巡檢、觀測、采用有限元及結(jié)構(gòu)力學分析等方法，對東江水下隧道Ⅵ級圍巖支護結(jié)構(gòu)試驗方案的穩(wěn)定性進行了分析，得出以下結(jié)論：
1)在Ⅵ級圍巖試驗段初期支護結(jié)構(gòu)的支護下，圍巖整體穩(wěn)定性良好，初期支護結(jié)構(gòu)安全性系數(shù)均滿足相關(guān)隧道設(shè)計規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)定性要求。
2)經(jīng)現(xiàn)場檢測，Vl級圍巖試驗段隧道整體未發(fā)現(xiàn)噴射混凝土層開裂、空鼓部位，未發(fā)現(xiàn)鋼拱架有明顯變形；試驗段的拱頂下沉和周邊收斂觀測數(shù)據(jù)表明，隧道總變形量為毫米量級，相對較小，可認為Ⅵ級圍巖試驗段初期支護參數(shù)的選擇是合理，支護結(jié)構(gòu)的施工滿足隧道穩(wěn)定性要求。
3)所研究的Ⅵ級圍巖試驗段初期支護參數(shù)的選取可以指導(dǎo)其他石油天然氣長輸管道工程同級別圍巖隧道的設(shè)計與施工，可為修訂GB 50423--2007{油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》提供依據(jù)。
 
參考文獻
[1]秦小華，付成華，魏斌，等.地下洞室施工監(jiān)測預(yù)報信息系統(tǒng)研究[J].武漢大學學報：工學版，2006，39(1)：30—34.
[2]中華人民共和國建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50423 2007油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范[s].北京：中國計劃出版社，2008.
[3]王進香，喬蓓.隧道施工危險性分析及安全對策措施初探[J].石油與天然氣化工，2008，37(2)：1 74一l76.
[4]卿春和.兩氣東輸二線管道工程廣州 深圳支干線東江水下隧道穿越巖土工程勘察JR].成都：中國石油集團T-程設(shè)計有限責任公司西南分公司，2009.
[5]胡文君，胡道華，董君，等.西氣東輸二線管道工程廣州深圳支干線第2施工標段東江水下隧道穿越施工圖[R].廊坊：中國石油天然氣管道工程有限公司，2010.
[6]胡文君，馬紅.管道隧道開挖過程數(shù)值模擬分析[J].天然氣與石油，2010，28(1)：49—53.
[7]中華人民共和國交通部.JTGD 70 2004公路隧道設(shè)計規(guī)范Es].北京：人民交通出版社，2004.
[8]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 5001 0 2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[s].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.