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隧道穿越软弱煤系地层施工关键技术与数值模拟

时间:2022-03-01 22:47:24

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隧道穿越软弱煤系地层施工关键技术与数值模拟

随着我国基础设施建设的不断发展,铁路、公路隧道建设已然成为人们关注的焦点。我国是一个矿产资源十分丰富的国家,在修建公路隧道的时候势必要穿越煤系地层,这增加了隧道施工技术的难度,而且可能引发安全事故。

在煤系地层段修建隧道存在两个难点:一是煤系地层中含有有毒和易燃的瓦斯气体,瓦斯压力过大的地层有瓦斯爆炸的危险;二是煤系地层一般都是软弱围岩,对隧道施工中的支护要求较高,因此必须要有可靠的施工工艺保证施工安全[1]。

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本文根据官庄隧道的具体工程地质概况,将数值模拟等分析手段与超前地质预报、监控量测信息反馈手段相结合,系统地研究了穿越煤系地层段隧道的施工关键技术,确保施工过程的安全,保证工程质量,为将来的穿越煤系地层隧道提供示范意义和积累施工经验。

河道疏浚后,相关建筑物配套工作未能及时跟上,建筑物老化、破损,加上原设计标准低,阻水、束水现象突出,减弱了整体河道引排水功能,影响农业增收、农民增效。部分通湖河道河堤,经多年湖风及船行波影响,冲刷严重,堤身薄弱,防洪圩堤标准不足,影响受益群众的生命财产安全。

1 工程概况

官庄隧道位于石阡县甘溪乡,起讫桩号ZK65+205~ZK65+790,长585m,属中隧道,最大埋深约220m。拟建隧道呈曲线形展布,隧道总体轴线方向约250 °,隧道平面线形为R-∞,R=3700,隧道纵坡均为0.7%,单向坡。隧道采用复合式衬砌结构。

监控器接受当前的系统观测,更新信念状态并计算在已知整个有穷观测序列下的系统安全性概率.基于监控器模型,本节提出一种增量迭代安全性验证算法(Incremental Iterative Verification,IIV)算法以及系统违背安全性需求时的反例生成算法.

2 工程地质条件

根据野外地质调查及钻探、物探成果,隧道区上覆第四系更新统坡积成因粉质黏土、块石,隧址区下伏基岩为寒武系下统清虚洞组灰岩及牛蹄塘组、下统明心寺组、下统金顶山组组合灰质页岩、二叠系上统龙潭组等。其从上到下可分为第四系覆盖层,下伏基岩和风化层。

2.1 第四系覆盖层

粉质黏土(含砂岩):褐黄色,可塑,含约5%碎石,表层0.3 含植物根系。块石:灰色,密实,粒径大于200mm的颗粒含量约80%,粒径一般200mm~1500m,多层棱角状,母岩成分主要为灰岩,泥质充填,颗粒级配一般。

综上所述,“从政经验型”的官箴书是宋元以来的主流模式,也是传统意义上的官箴内容,或称“狭义的官箴”,即官德阐述与行政经验,它代表了晚明官箴对宋元及明中前期的继承。“公犊辑录”“知识融合”“丛书汇编”三种类型,则是晚明官箴书的创新与变革,极大地丰富了官箴的题材形式与内容领域,也对清代官箴书的结构与内容产生了巨大的影响。

2.2 下伏基岩和风化层

强风化灰岩:浅灰色,隐晶质结构,中厚层状构造。节理裂隙发育,裂隙方解石脉充填,岩芯多呈块状,岩体破碎。

强~中风化炭质页岩:褐灰黑色,原岩结构大部分破坏,泥质结构,页理状构造,节理裂隙发育,岩芯多呈碎块状,岩质软,岩体破碎,瓦斯赋存在炭质岩中。

煤系瓦斯地层段为二叠系上统龙潭组(P31):粉质粘土含砂岩、炭质页岩、炭质灰岩,分布于隧道洞身段。隧道洞身ZK65+225~ZK65+305 段,地表发现采煤探坑。

3 隧道穿越煤系地层施工工艺

3.1 超前地质预报

采取地质法为基础、以物探为主要手段,结合超前钻探,采用地质雷达对掌子面前方地质情况进行勘察[2]。

本文选取典型区段进行超前地质预报(即ZK65+275~K65+295 区段),雷达波反射均较强烈,围岩稳定性差,瓦斯等有害气体可通过裂隙向掌子面溢出,开挖后拱顶无支护时容易发生掉块或者坍塌等不良地质现象。

3.2 煤系地层施工关键技术

3.2.1 超前支护

(二)有效的评价手段和方法。明确了评价的目的,就要对评价的手段和方法多动些脑筋了。对学生的数学学习评价应该是多种评价形式形结合,比如纸笔测验、课堂观察、课后谈话、作业分析等多种形式对学生在知识与技能方面进行客观的评价,过程与方法上予以鼓励与批评相结合的方式,在情感态度价值观方面进行积极的鼓励多于批评的方式,当然,评价有法,但无定法。

(1)在软弱围岩煤系地层段,采取R51 自进式锚杆,使用SP50 型锚固工程钻机安装,钻杆的锚杆体具有无需拔除的特点。锚杆减小了施工过程中对围岩扰动的影响,而且锚杆空孔可以成为注浆通道,让其具有双重功能,既节约了成本,又增加了围岩开挖后的稳定性。

(2)隧道侧导洞支护采用Ф50 小导管,L=5m,环向间距40cm,外插角10 °,Ф8 钢筋网,15 ×15cm,临时支撑采用I18 钢拱架,纵向间距100cm,喷射C20 混凝土20cm。Ф50 锁脚注浆小导管隧道拱脚每处两根,长5m。

支护参数:Ф50 热轧无缝钢管沿拱部120 °范围内布设,每环长4.7m,每环35 根,环向间距40cm,外插角10 °,搭接长度1m,压注水泥浆液。

3.2.2 交叉中隔墙法(CRD)施工工艺

穿越煤系地层官庄隧道围岩为强风化炭质页岩,节理裂隙发育,岩质破碎,整体性较差。隧道所穿围岩级别分别为Ⅳ级、Ⅴ级。结合实际情况,采用一种适用于较软弱地层的隧道施工方法-交叉中隔墙法(CRD)开挖方法(见图1)。

图1 分布开挖示意图

3.2.3 初期支护

初期支护施工程序:测量定位→钻孔→支护锚杆→喷射混凝土→安设拱架→挂设钢筋网→喷射混凝土。

隧道施工时,喷射标号为C25 的混凝土,喷射厚度达到30cm。水灰比准确控制、充分拌合及水化作用以及按比例计量添加速凝剂等方面充分保证了采用湿喷工艺喷射混凝土的强度。在钢拱架安装加固完毕后,在拱架背后和岩面空隙之间打进木楔,环向每米1 个,使围岩应力及时传到支护上,可有效控制早期围岩收敛变形。

4 数值模拟分析

4.1 计算模型

本文选取典型剖面ZK65+285,采用FLAC3D 有限差分软件对隧道建立模型,对隧道开挖围岩变形进行分析。该段为 V 级围岩,采用复合式衬砌的支护形式。因为二次衬砌通常起着隧道的安全储备和美观的作用,因此本文不考虑二次衬砌的作用[3]。模型采用实体单元建模,围岩土体采用摩尔库伦模型,初期支护采用衬砌单元模拟。模拟使用的模型尺寸为隧道设计路面的高度到拱顶距离8.15m,模型大小长为100m,宽为60m,系统锚杆、超前小导管注浆支护的效果采用提高加固圈物理参数的办法来模拟其作用效果[4],初期支护采用衬砌单元模拟。位移边界条件:上表面即地表为自由边界,其余各外表均约束法线方向的位移。

采用CRD 法对煤系段地层段进行开挖支护,表1是模拟CRD 开挖法的具体参数。

表1 围岩和支护的参数

材料参数重度γ/(KN/m3)粘聚力c/KPa摩擦角φ/。弹性模量E/MPa泊松比uⅣ级 22 0.5 35 6 0.3Ⅴ级 20 0.2 25 3 0.35初期支护 25 22 0.25

4.2 模拟值与实测值对比分析

限于篇幅,只列出CRD 法施工方法各开挖及初期支护关键步骤施工完成后的位移云图。本文选取典型断面ZK65+285处的模拟值和实测值进行对比分析。

第一次开挖支护后,拱顶部位产生的最大位移3mm 左右。随着开挖继续,拱顶位移不断增大,到第三次开挖支护完成后达17mm 之多。这是因为,由于隧道开挖致使围岩竖向应力主要集中分布在隧道拱顶范围内造成的。可知隧道开挖采用CRD 施工工艺,前三次施工拱顶沉降速率较大,对隧道稳定的稳定性存在一定程度的影响,因此施工时有必要采取一定的支护措施,防止隧道位移沉降过大。第四次开挖支护完成后,拱顶的最大竖向位移达20mm 左右,沉降速率减缓,位移可控。且拱底有起鼓现象,位移为2mm 左右,说明CRD施工工艺能有效抑制拱底上移。由图可知,隧道开挖竖向位移影响范围内大约为3 倍洞室高度,这与文献[5]结论有所差别,原因是地层岩性、施工工艺等有所不同。

近年来,中国瑞林一直在践行新环保理念,并把此理念深植在项目中。中国瑞林的技术具有危废原料适应性强、分解和脱除二噁英能力强、能耗低、炉渣全部玻璃化等特点,符合国家提倡和鼓励采用的短流程富氧熔炼工艺的清洁生产要求。在经济亟需迅速转型发展的大背景下,大力开展再生资源回收利用,是提高资源利用效益,保护环境,建立资源节约型社会的重要途径之一。

断面ZK65+285 最大沉降值为22.3mm,最大下沉速度2.4mm/d,可以看出断面ZK65+285 拱顶下沉共有三个阶段:①前四天沉降速率最快,此时围岩刚得到支护,支护结构和围岩还没有形成共同作用的整体;②5~20 天沉降量跟时间近似成直线状,说明围岩与支护结构共同作用形成受力整体,沉降速度稳定;③22 天以后沉降量趋于稳定,此时拱顶沉降速率为0.2mm/d,满足规范中的规定,拱顶趋于稳定。

(1) 微网运行控制技术 与传统的电力系统控制技术不同,微网侧重并、离网控制技术(分布式电源控制技术有下垂控制技术、v/f控制技术、p/v控制技术)。此外,微网整体运行控制也是微网领域的热点和趋势。

对比分析模拟值和实测值,可知拱顶的沉降实测值大于模拟值,相差2mm,这是由于数值模拟不能完全反映实际施工的滞后效应和施工质量情况,导致实测值较大。但两者反映围岩的变化趋势一致,量值接近。另一方面,数值模拟结果也说明,在围岩破碎严重的地段,采用交叉中隔墙法(CRD)施工工艺,能有效抑制围岩变形,保证隧道施工稳定和安全。

隧道开挖之后,应力释放,围岩逐渐向隧道内部偏移,左右边墙水平随隧道开挖不断增大,开挖完成之后最大值为6mm。

左右边墙最大收敛值是14.3mm,最大收敛速率是2.6mm/d,其收敛最终值在相关规范规定的范围内。在断面ZK65+285 处左右边墙收敛值在趋于稳定前其值几乎跟时间成直线关系,说明其收敛速率稳定地维持在1.54mm/d 左右,待到量测第25 天的时候收敛速率0.1mm/d,左右边墙趋于稳定,变化幅度非常小。

左右边墙实测最大位移值14.3mm 大于模拟值6mm。由位移云图可知,水平位移影响范围为1 倍的洞室高度。这是因为此模型中默认最大天然应力为竖向应力,隧道模型近似于椭圆形,短轴方向与最大天然应力的作用方向垂直,一定程度上抑制了左右边墙向隧道内侧发展,致使模拟值偏小于实际值,也一定程度减小了水平位移的影响范围,致使水平收敛位移值大于模拟值,但此变化值在合理范围内理操作。

5 结论

(1)采用地质雷达可对掌子面前方20m 范围内的地质状况做出较好的判断,对隧道施工方案提供指导性建议。

乡村学校硬件设施比起中心城市学校或县城重点学校来说明显不足,特别是现代化教学设施。在互联网+的教育时代背景下,K12现代教育在许多城市已经非常流行。而对于许多乡村学校,一些起码的条件如完备的课桌椅、明亮整洁的教室、宽敞平整的操场等等都无法具备,更不用说现代化的多媒体设施。许多城市学校已经开设网课、远程教学等多形式教学方式,而在许多乡村甚至连保障传统教学的条件都很难,有的连体育器材,音乐室,英语语音室都无法保障。现代化教学设备不足,不仅仅影响教学效果,更是切断了乡村学生接受新观念新思想新方法的媒介。教育资源缺乏,教学条件和教学硬件落后,是桎梏乡村教育发展的重要因素之一。

(2)详细介绍隧道穿越煤系地层的施工工艺,将FLAC3D数值模拟结果与实测结果进行对比,两者变化趋势一致,数值相接近,表明模拟具有可靠性,可以反映出CRD 开挖方式围岩变形情况,在煤系地层破碎带采用CRD 施工方法和超前小导管注浆是可行的,CRD 工法能够保证在不良地质条件下施工的安全性,有效控制围岩位移,对相似地质条件下隧道施工具有一定的指导意义。

(3)利用FLAC3D 进行数值模拟,采用加固圈物理参数的办法来模拟系统锚杆、超前小导管注浆支护的效果可以较真实地反映实际情况,从而为支护设计和施工提供可靠的参考数据,

(4)由数值模拟结果可知,隧道开挖后,由于应力释放,围岩收敛变形,竖向位移主要集中在拱顶和拱底处,且拱顶位移大于顶底位移,由于上半部开挖引起拱顶沉降所占比例较大,因此在开挖之后要及时施加初期支护。水平位移主要集中在左右边墙处,位移相对较小,且影响范围较竖向位移小。

凡音乐材料来自级音的单节型过腔,即为单节型级音性过腔。如“昆南”阳去声字“恁”的唱调(《烂柯山·痴梦》【渔灯儿】“忒恁唓嗻”,722),该单字唱调的过腔是。该过腔的音乐材料来自级音,故谓单节型级音性过腔。

(5)由现场实测数据可知,隧道开挖初期拱顶下降速度较大,位移-时间曲线斜率教大,处于不稳定状态,随着时间速率减小,逐渐稳定。而左右边墙收敛值在趋于稳定前其值几乎跟时间成直线关系,但两者最终趋于稳定,说明支护参数合理。

参考文献:

[1]方勇,符亚鹏,杨志浩,杨斌.公路隧道下穿煤层采空区开挖过程相似模型试验[J].土木工程.

[2]薛翊国,李术才,苏茂鑫,李树忱,张庆松,赵岩,李为腾.隧道施工期超前地质预报实施方法研究[J].岩土力学,,08:2416-2422.

[3]邓洪亮,陈鸽,郭洋,王思淼,武胜林.浅埋隧道围岩位移及应力变化规律研究[J].施工技术,,07:113-117.

[4]段宝福,朱应磊,吴圣智.隧道穿越富水破碎带施工工艺与数值分析[J].施工技术,,17:84-88.

[5]任建喜,党超.马鞍子梁软岩隧道围岩变形规律及支护技术模拟分析[J].施工技术,,01:87-91.

[6]汪成兵,丁文其,由广明.隧道超前地质预报技术及应用[J].水文地质工程地质,,01:120-122.

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