管道隧道Ⅵ级围岩试验段支护结构的稳定性分析

摘 要

管道隧道Ⅵ级围岩试验段支护结构的稳定性分析——以“西气东输"二线东江水下隧道为例中国石油集团工程设计有限公司西南分公司摘要 由于缺乏相关技术标准
管道隧道Ⅵ级围岩试验段支护结构的稳定性分析
——以“西气东输"二线东江水下隧道为例
中国石油集团工程设计有限公司西南分公司
摘要    由于缺乏相关技术标准，目前油气管道工程隧道Ⅵ级围岩的支护参数通常需要通过工程类比法来确定，存在一定的盲目性。为了检验及评价隧道Ⅵ级围岩支护结构的支护效果，选取“西气东输”二线东江水下隧道Ⅵ级围岩中的K0～Ko+68.00 iTl段作为试验段，通过现场巡检、观测、有限元计算、结构力学分析等方法，对试验段支护结构的稳定性进行了分析评价。计算结果表明，试验段选取的初期支护结构安全系数满足相关隧道设计规范的稳定性要求；现场检测结果表明，试验段喷射混凝土层无开裂、空鼓现象，钢格栅也无明显变形，隧道的拱顶下沉量和周边收敛值均为毫米量级；巡检结果表明，试验段隧道初期支护结构的施工质量满足规范要求，围岩整体稳定性良好。结论认为：该试验段Ⅵ级围岩初期支护参数的选取可以指导其他石油天然气长输管道工程同级别围岩隧道的设计-0施工，可为修订GB 504232007{油气输送管道穿越工程设计规范》提供依据。
关键词    “西气东输”二线  油气管道隧道 Ⅵ级围岩 初期支护 稳定性分析 国家标准修订
 
    随着中国能源结构的不断调整，石油天然气长输管道事业蓬勃发展，作为其咽喉工程，隧道工程的稳定性与诸多因素有关，如地层岩性、围岩的岩体结构、岩土体的物理力学特性、地下水状况、开挖方式、支护类型、支护时机、支护参数等[1]。目前石油天然气行业的隧道工程一般按照新奥法原理进行设计和施工，因地质勘查的局限性，此方法不能完全揭露隧址区的地质情况，常通过工程类比法及参考相关文献来确定支护参数[2]，尤其在预设计Ⅵ级围岩的支护参数方面存在一定的盲目性，因此，需要在Ⅵ级围岩试验段信息化施工中实施对围岩的实时监控，通过对现场Ⅵ级同岩段的监测分析，评价预设计支护参数的合理性，进一步完善和优化隧道工程的设计与施工[3]。
    东江水下隧道是国家重点工程“西气东输”二线的控制性工程之一，总长1 774.83 m，采用斜巷(310.20m)+平巷(1061.20m)+斜巷(403.43m)的穿越形式，隧道衬砌净断面为3.00m×3.00 m。隧道北岸洞口端斜巷0～68.00m段隧道的埋深较浅，根据本文参考文献[4]，该段围岩级别为Ⅵ级，设计施工图时把该段围岩作为试验段，施工时根据现场的实时监测情况合理地调整支护参数。
1 试验方案
1.1试验段地质情况
    试验段穿越的地层主要为第四系全新统坡残积褐黄色、黄灰色粉质黏土层(稍湿-湿，可塑-硬塑，无摇振反应，稍有光滑，干强度中等，韧性中等，层厚约1.50 m)和侏罗系中统漳平组上段砂岩(强风化，褐红棕红色，岩心呈碎屑-碎块状，部分岩石矿物已土化，强度较低，手捏可碎，细粒结构，块状构造，裂隙极发育，岩体破碎)，岩层从地表往下渐变为灰白略带浅紫红色砂岩，浅变质，裂隙发育，裂隙倾角为84°左右，裂隙内充填泥质，局部有石英脉充填并见有错动现象，角砾被硅质重新胶结。岩体完整性差，岩石的质量指标为0～38%，岩石质量极差-差，洞室自稳能力极差，极易出现剥落、塌方。
1.2原设计初期支护方案
    原设计初期支护方案为[5]：初喷混凝土采用C25素混凝土，厚度为0.15m；系统锚杆采用公称直径为22 mm、长2.50m的钢筋，其间距为l.00m×1.O0m，呈梅花形布置；挂公称直径为6mm的钢筋网，其间距为0.20m×0.20m；钢架采用I 0.126m工字钢，其间距为0.50～1.00m。
1.3试验段初期支护方案
    试验段的初期支护方案为：初喷混凝土采用C25素混凝土，厚度为0.10m；系统锚杆采用公称直径为22 mm、长2.50m的钢筋，其间距为l.20m×1.20m，呈梅花形布置；挂公称直径为6mm的钢筋网，其间距为0.20m×0.20m；钢架采用钢格栅，其间距为0.60～1.20m。
2试验段有限元分析
2.1 三维有限元模型的建立
2.1.1计算区域
    根据隧道工程地质条件和初期支护方案，沿隧道轴线选取斜长48.O0～58.00m段进行有限元分析，初期支护模拟参数根据试验段初期支护方案选取。
2.1.2 工程地质条件及计算参数
有限元计算参数弹性模量(Es)为0.8 GPa，泊松比 为0.4，内聚力(C)为0.10 MPa，内摩擦角为18°，抗拉强度 为0.30 MPa，弹性抗力系数为80MPa/m，容重 为17.00 kN/m3。隧道初期支护结构力学参数如表1所示
 
 
2.1.3 有限元计算条件
    有限元计算的相关条件、初始地应力、屈服准则及计算步骤参照本文参考文献[6]执行。
2.1.3.1计算范围
    计算过程中不可取一个无限体来分析，计算模型左右边界取隧道跨度的3～4倍，计算模型左右水平计算范围均取15.00 m(大于隧道跨度的3倍)，垂直计算范围向上取至地表，向下取15.00 m(大于隧道高度的3倍)。
2.1.3.2 边界条件
    模型上侧为自由边界，水平向和隧道轴线方向的4个面约束法向位移，底部同时约束x、y、Z方向的位移。
2.1.3.3 单元类型
    围岩采用solid64实体单元模拟，喷射混凝土采用shelll81壳单元模拟，钢格栅采用beaml88梁单元模拟，锚杆采用link8杆单元模拟。
2.1.4 网格划分
    岩体有限元网格见图1，隧道锚杆与钢支撑有限元网格见图2。

 
 
 2.2计算结果与分析
2.2.1 隧道位移
提取有限元计算结果，隧道洞壁水平方向最大位移量为0.75mm，发生于隧道边墙中部；隧道洞壁竖直方向最大位移量为1.40mm，发生在隧道拱顶。
2.2.2 隧道围岩主应力与塑性区
有限元计算结果显示：隧道脚部直角部位出现剪应力集中，第一主应力最大值为l.04 MPa，围岩塑性区主要分布在底板直角处、边墙和拱顶部位，初期支护中的锚杆、钢拱架、喷射混凝土未发生屈服破坏。
2.2.3 隧道整体稳定性
通过计算分析得知，隧道围岩仅在洞壁表层出现屈服松动，支护结构完好无屈服，因此，隧道整体稳定。以支护结构发生屈服为隧道失稳标准，根据本文参考文献[7]，C25喷射混凝土轴心抗压强度设计值为12.50 MPa，轴心抗拉强度设计值为1.30 MPa，而最危险断面上初期支护结构安全系数(Fs)为：
    根据本文参考文献T-83中的相关判断标准，支护结构是安全的。
3试验段结构力学分析
3.1计算模型
    采用结构力学方法对隧道初期支护结构进行计算，其对应的计算模式为荷载结构模式。计算中采用直梁单元对初期支护结构进行模拟，支护结构与围岩的相互作用通过弹性支承对支护结构施加约束来模拟。由于结构力学方法不考虑锚杆的作用，计算结果应该偏于安全。荷载一结构计算简图如图3所示。

3.2斜长48.00 m处断面荷载计算
3.2.1 荷载等效高度及深埋/浅埋隧道分界深度
    荷载等效高度及深埋/浅埋隧道分界深度按照本文参考文献[7]推荐的公式计算。通过计算，试验段Ⅵ级围岩荷载等效高度为l0.30m；深埋/浅埋隧道分界深度为25.70m。
 
3.2.2 断面荷载计算
根据本文参考文献[7]的相关规定对斜长48.00m处断面的围岩荷载进行计算，初期支护和二次衬砌的荷载可按一定比例分担，为安全起见，对Ⅵ级围岩初期支护承担荷载比例取20%，二次衬砌承担荷载比例取80%，计算得知竖直向荷载为(195.00×20%)kN/m，水平向荷载为(58.50×20%)kN/m。
3.3断面计算结果分析
斜长48.00 m处断面初期支护各断面内力与应力计算结果如表2所示。

根据本文参考文献[7]，C25喷射混凝土轴心抗压强度设计值为l2.50 MPa，轴心抗拉强度设计值为1.30 MPa，最危险断面上初期支护结构安全系数(F。)为：
根据本文参考文献[8]中的相关判断标准，支护结构是安全的。
4试验段支护结构变形观测
4.1 变形观测的内容
变形观测的内容主要包括：对支护结构的施工质量进行观测；对支护结构的状态进行观测；对支护结构是否开裂脱皮掉块等进行观测并做好记录；测试隧道拱顶下沉及隧道净空收敛量等。经现场观测，试验段初期支护结构成型良好，喷射混凝土密实饱满、完整坚硬，喷射混凝土层与围岩黏结强度高，未发现喷射混凝土层开裂和空鼓部位，未发现钢格栅有明显变形。
 
4.2拱顶下沉观测
    在K0+28.00m、K0+38.00m、K0+48.00m、K0+58.00m这4个断面进行了拱顶下沉观测，测点布置在隧道拱顶，数据显示4个断面处的最大下沉量为5.00 mm，为跨度的0.16%，满足本文参考文献[6]规定的变形控制标准，且变形量都呈现前期大，后期逐渐趋缓，最后稳定不变的趋势，其中K0+48.00m处断面的拱顶下沉曲线如图4所示。
4.3周边收敛观测
在K0+21.00m、K0+31.00m、K0+41.00 m、KO+51.00m这4个断面进行了隧道周边收敛观测，每断面布置3个(A、B、C)测点，测点布置见图5。数据显示4个断面处的最大收敛值为2.80mm，为跨度的0.15%，满足规范规定的变形控制标准，且变形量都呈现前期大，后期逐渐趋缓，最后稳定不变的趋势，其中KO+41.00 m处断面的周边收敛曲线如图6所示。

5 结论
经现场巡检、观测、采用有限元及结构力学分析等方法，对东江水下隧道Ⅵ级围岩支护结构试验方案的稳定性进行了分析，得出以下结论：
1)在Ⅵ级围岩试验段初期支护结构的支护下，围岩整体稳定性良好，初期支护结构安全性系数均满足相关隧道设计规范规定的稳定性要求。
2)经现场检测，Vl级围岩试验段隧道整体未发现喷射混凝土层开裂、空鼓部位，未发现钢拱架有明显变形；试验段的拱顶下沉和周边收敛观测数据表明，隧道总变形量为毫米量级，相对较小，可认为Ⅵ级围岩试验段初期支护参数的选择是合理，支护结构的施工满足隧道稳定性要求。
3)所研究的Ⅵ级围岩试验段初期支护参数的选取可以指导其他石油天然气长输管道工程同级别围岩隧道的设计与施工，可为修订GB 50423--2007{油气输送管道穿越工程设计规范》提供依据。
 
参考文献
[1]秦小华，付成华，魏斌，等.地下洞室施工监测预报信息系统研究[J].武汉大学学报：工学版，2006，39(1)：30—34.
[2]中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50423 2007油气输送管道穿越工程设计规范[s].北京：中国计划出版社，2008.
[3]王进香，乔蓓.隧道施工危险性分析及安全对策措施初探[J].石油与天然气化工，2008，37(2)：1 74一l76.
[4]卿春和.两气东输二线管道工程广州 深圳支干线东江水下隧道穿越岩土工程勘察JR].成都：中国石油集团T-程设计有限责任公司西南分公司，2009.
[5]胡文君，胡道华，董君，等.西气东输二线管道工程广州深圳支干线第2施工标段东江水下隧道穿越施工图[R].廊坊：中国石油天然气管道工程有限公司，2010.
[6]胡文君，马红.管道隧道开挖过程数值模拟分析[J].天然气与石油，2010，28(1)：49—53.
[7]中华人民共和国交通部.JTGD 70 2004公路隧道设计规范Es].北京：人民交通出版社，2004.
[8]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 5001 0 2010混凝土结构设计规范[s].北京：中国建筑工业出版社，2010.