大斷面淺埋土質隧道施工工法優化分析

李亞翠，楊新安，郭 樂

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海200092）

新建南京至安慶鐵路鐘鳴1號隧道位于安徽省銅陵市銅陵縣鐘鳴鎮境內，隧道斷面積為152.4 m2，全隧道埋深10～25m，且地質條件較差，圍巖軟弱、強度極低，屬大斷面淺埋土質隧道［1］。隧道洞身位于地下水水位以下，受地下水的影響，粗圓粒土（夾有漂石）組成的圍巖穩定性差，易滲漏，易造成圍巖內細顆粒流失，極易突然發生坍塌，引起洞壁失穩、冒頂和地表沉陷［2］。

引理 5 當9-點v關聯4個三角形,且它的鄰點均為3-點,則這4個三角形中如果有3個為窮的,第4個三角形一定為富的。

關寶樹等［3-4］研究表明，隧道施工過程中圍巖-支護結構的穩定與隧道圍巖特性、水文地質、支護參數及施工工法工序等關系密切。同時，大量實踐表明，合理的施工工法是大斷面淺埋土質隧道順利掘進與否的關鍵科學問題。

針對上述問題，國內外學者采用數值模擬等手段進行了相關研究工作［5-10］，但由于圍巖類型與工程條件不同，這些研究成果尚不足以指導鐘鳴1號隧道這種大斷面淺埋土質隧道施工。為此，針對該種地層，探索適宜的施工工法具有一定的學術意義和實用價值。

直接燃燒法。直接燃燒法需要高溫、濃氧，溫度高達1100℃，因此高濃度VOCs可燃氣體可采用直接燃燒法。

本文依托鐘鳴1號隧道工程和現場監測資料，結合數值模擬分析，對大斷面淺埋土質隧道在不同工法掘進中的圍巖-結構變形及力學特征進行分析，以指導隧道施工與同類隧道工法選擇。

串聯PHEV通常稱為增程式混合動力汽車。串聯PHEV結構原理如圖4所示。其結構特點為：純電動＋增程器，汽車車輪僅由電動機獨立驅動，增程器可以是發動機—發電機組，發動機—發電機組發電直接供給電動機驅動汽車，同時發出的多余電量給蓄電池包充電，增程器還可以是燃料電池等。

1 工程概況與施工中存在的問題

1.1 工程概況

鐘鳴1號隧道DK140+520～DK140+598段典型地質分層從上至下依次為：

①粉質粘土，埋深為0～-6m；

②含礫粉質粘土，埋深為-6～-12m；

2.3.5 飲食護理 術后6 h可進少量流食，避免豆漿、牛奶等產氣食物的攝入。有資料顯示，與傳統手術比較，無氣腹腹腔鏡術后肛門首次排氣時間縮短［3］。所有患者均在12～24 h內排氣，次日改半流質飲食，同時觀察有無腹脹和腸蠕動情況，如惡心嘔吐明顯可給予止吐劑。術后2 d予普通飲食，多食蔬菜、水果，補充維生素，避免刺激、高糖和高油食物，少量多餐。

③粗圓礫土（夾有漂石），埋深為-12～-24m；

④全風化粉砂巖，埋深為-24～-30 m；

⑤強風化粉砂巖，埋深為-30～-34 m；

⑥弱風化粉砂巖，埋深為-34～-50 m。

Application research on disaster weather warning based on improved TITAN algorithm of Doppler weather radar

隧道埋深12 m，且全斷面處在粗圓礫土（夾有漂石）中，地質條件差，為高風險等級隧道［11］，風險項目為塌方冒頂、大變形等［11］。

隧道在該段采用三臺階臨時仰拱法施工，開挖方向為小里程方向，開挖循環進尺為1.2 m（2榀鋼拱架）。

1.2 施工中存在的問題

大斷面淺埋土質隧道圍巖穩定性較差，強度很低，極易在隧道開挖后發生較大變形甚至塌方失穩，而鐘鳴1號隧道該類地層段實際施工時部分斷面隧道拱頂沉降與地表沉降監測值非常大，其中DK140+580斷面現場實測結果如圖1所示，由于變形過大而引起塌方。

2017年12月，廣東發改委就曾開展港珠澳大橋車輛通行收費標準聽證會，對比當時的兩個聽證方案，最終正式公布的收費方案主要是降低了穿梭巴士的通行費，由原來的450元/車次降至300元/車次，這也大大降低了來往游客的消費標準。

模型上取至地表，左右以及向下取2～3倍洞徑，其中豎向取50 m，拱頂埋深12 m，水平方向取80 m，左右邊界水平約束，地表面取自由表面，底部設豎直約束，分別約束左右邊界的水平位移，約束下邊界的豎向位移，上邊界為自由邊界，不考慮地下水滲流作用。

由圖可知：該斷面隧道拱頂累積下沉量最大達202 mm，曲線表現為明顯的臺階性，上、中臺階開挖對拱頂下沉影響非常明顯，引起的拱頂下沉量分別占到最終下沉值的41%和55%。這主要是因為：①隧道洞身全部處在粗圓礫土（夾有漂石）層中，而粗圓礫土（夾有漂石）顆粒間黏聚力較小，組成的圍巖結構不穩定，易滲漏，造成圍巖內細顆粒的流失，易發生突然坍塌，引起洞壁失穩、冒頂和地表沉陷，且施工期間有降雨，因此變形大；②施工因素，如支護不及時，或者支護強度不足。

因此，施工過程中必須尋求適宜該種地層的工法，以更好地控制圍巖變形，保證圍巖穩定與施工安全。

圖1 DK140+580斷面現場實測結果Fig.1 Results of site measurement in the section DK140+580

2 不同工法數值模擬分析

實際工程中限于資金和施工進度的制約，不能對多種工法進行逐一試驗，為了對采用不同工法施工時圍巖變形控制效果進行比較，尋求最適宜的工法與參數，采用FLAC3D軟件對隧道采用三臺階臨時仰拱法（S1）、中隔壁法六步CD（S2）、交叉中隔壁法CRD（S3）共3種工法進行數值模擬，通過各工況開挖后隧道變形、支護受力及其特征進行比較，得出優選工法。

2.1 計算假定與參數選取

2）IHS變換，IHS融合算法是多源影像融合中的經典算法，首先通過正變換將多光譜影像從RGB彩色空間變換到IHS彩色空間，同時對高分辨率的全色影像進行線性拉伸，即與分離出來的I（亮度）分量進行直方圖匹配，使拉伸后影像的均值和方差與I分量一致；然后將經過直方圖匹配的高分辨率全色影像代替IHS空間的I分量與分離出來的H（色度）、S（飽和度）分量一起進行IHS逆變換，重新變換到RGB彩色空間。

江蘇師范大學科文學院校園網于2002年投入運行,隨著科文學院建筑面積及招生規模的不斷擴大,校園網也進行了分階段升級,目前的校園網已覆蓋整個校園的多棟樓宇,整體拓撲如圖1所示．

計算中，圍巖、初期支護和二次襯砌采用Mohr-Coulomb模型進行模擬，隧道臨時中隔壁鋼架支護和臨時仰拱均采用shell單元，鋼拱架和鋼筋網通過提高噴射混凝土的彈性模量來模擬，錨桿通過cable單元進行模擬。

馬刺叫士兵揭下一張，給秀容月明看。秀容月明看了，半天，才說：“寫這文字的叫賀三，與我同鄉，還是我小時候的朋友。他說我降了胡人，名節盡毀，寧國上下，都盼著我早點死。”

模擬工法類型如表1所示，其中三臺階臨時仰拱法模擬條件與現場相同，初期支護和二襯根據V級圍巖復合式襯砌設計模擬，圍巖物理力學參數和支護結構參數根據地質勘察資料確定，見表2、表3。初期支護與二次襯砌監測點布置如圖2所示。

2.2 不同工法下圍巖變形特性分析

隧道開挖引起圍巖應力重分布，開挖面附近圍巖變形表現出顯著的空間效應，開挖面前方地層發生明的預收斂變形［6，12-14］，開挖面縱向發生擠出變形，以施工循環段為時序，提取圍巖縱向距開挖面不同距離處的拱頂豎向位移及地表變形數據，分析不同施工工法下大斷面淺埋土質隧道的圍巖變形規律，分別如圖3、4及表4所示。

表2 模型物理力學參數Tab.2 Physico-mechanical parameters of model

表3 支護參數Tab.3 Parameters of support

圖2 監測點布置圖Fig.2 Arrangement of measuring points in model

表5給出了不同工法掌子面到達Y=13.2 m時的初期支護壓應力監測值。由于支護結構中的鋼筋通過提高混凝土的彈性模量方法模擬，所以監測的應力為襯砌的平均應力。從表5中可以看出，3種工法初期支護壓應力最大值均位于隧道拱腰附近，拱肩處次之，拱腳處壓應力最小。

圖3 不同工法下拱頂沉降曲線Fig.3 Settlement curves of arch crown under different schemes

圖4 不同工法下地表沉降曲線Fig.4 Settlement curves of groundunder different schemes

表4 各特征點位移最終計算值Tab.4 Final calculated values of different feature points mm

除此之外，拱頂下沉最不利狀態：工法S1在上、中臺階開挖階段，拱頂沉降快速增長階段為上臺階開挖前5 m至中臺階開挖后5 m；工法S2和S3左拱頂沉降快速增長階段為左上臺階①開挖前3 m至開挖后3 m，右拱頂為右上臺階④開挖前3 m至開挖后3 m。

3種工法下隧道圍巖塑性區分布情況如圖5所示。

因此，工法S1對掌子面前方圍巖擾動較大，加之開挖后變形收斂緩慢，掌子面穩定性相對另兩種工法要差。這是由于工法S2與S3采用剛性分隔，易于保證掌子面穩定，開挖后圍巖變形收斂較快。因此，工法S2和S3對圍巖變形的約束效果優于工法S1，拱頂累計下沉可以減少20%～30%。

有研究指出，植物葉片的N、P含量在不同時期往往展現出較大的差異[31]。胡耀升等[32]對長白山森林植物功能性狀的研究表明，LNC與LPC呈極顯著正相關，而趙光偉[33]則發現烤煙葉片總氮含量隨葉齡的增大逐漸降低，本研究結果與之一致。長柄雙花木的LNC和LPC在植株的不同發育階段表現出顯著的差異，LNC和LPC均隨著植株的發育而下降。這可能是由于在幼苗時期葉片代謝頻繁，需要較多的蛋白質和核酸來滿足葉片生長的需求，提升了N、P濃度；而到了幼樹和成樹時期，植物獲取的大部分養分被輸送到其他器官用于開花等，相應地植物葉片中的N、P含量有所下降[32]。

對比分析現場監測（圖1）與數值模擬結果（圖3與表4）可知，工法S1的實測值與模擬計算值變化規律基本一致，拱頂下沉的計算結果偏小，這是因為模擬計算中初期支護與臨時支護施做更為及時，并且沒有考慮地下水對施工的影響。因此，工法S2與S3雖然對圍巖變形的約束效果較好，但圍巖變形仍然較大，應增加支護強度。

3.3 不同工法下圍巖塑性區發展情況

在花序長至 7～10 cm（新梢 20～25 cm，5 片真葉完全展開）時按1∶55 000～60 000倍對水稀釋處理為宜，處理濃度還應根據新梢前期長勢及花序分離早晚來確定。新梢前期長勢，花前處理藥劑濃度可以低一點，確定為1∶60 000倍，因為新梢前期長勢強，花序自然生長的長度也就長，一般能達到18～20 cm。若新梢前期長勢弱，花序小，花穗也就短，處理濃度需適當提高，可確定為1∶55 000倍，這樣可以起到適當拉長、增加產量的作用。

由圖可知：

從量值看，3種工法初期支護最大壓應力分別為2.79，2.33與2.28 MPa，相差不大，以C25混凝土抗壓強度16.7 MPa作為評判標準可知，3種工法都具有較大的安全儲備。

2）工法S1圍巖塑性區分布基本對稱，在隧道拱腰處圍巖的塑性區已經延伸至地表，左右兩側貫通；而工法S2與S3，圍巖塑性區分布規律相差不大，塑性區拱腰處圍巖塑性區有所發展但分布范圍比S1要小，邊墻與拱腳處塑性區分布范圍比S1大，工法S3塑性區分布范圍小于S2。

3）工法S2與S3相比，拱肩拱腰處塑性區范圍左側小于右側，主要是左上臺階開挖對右上臺階有一定影響，左上方圍巖應力釋放的范圍較小，且右上方圍巖處受擾動時間長。

圖5 不同工法下圍巖塑性區分布情況Fig.5 Distribution of plastic zone for surrounding rock under different schemes

2.4 不同工法下初期支護受力分析

各工法變形量值表現為S1＞S2＞S3，地表沉降基本對稱于線路中線，對于S2和S3，左拱頂沉降值與右拱頂沉降值基本相等。同時，在隧道開挖面尚未達到目標斷面前，拱頂與地表已發生明顯的預收斂變形，3種工法條件下，拱頂和地表預收斂變形分別占到其累計沉降變形的50.2%，45.0%，45.4%和36.0%，39.8%，38.9%，因而，大斷面淺埋土質隧道預收斂變形率在拱頂向地表漸進的過程中逐漸減小。

1）隧道開挖后，圍巖塑性區主要分布在隧道拱腰、邊墻及拱腳范圍的巖層內，且塑性屈服類型主要為剪切破壞。

而3種工法初期支護只有在局部出現極小拉應力，約為0.03 MPa。

3種工法相比，工法S2，S3施工可有效抑制圍巖位移，且初期支護受力較小，圍巖自身較穩定，其將圍巖作為支護結構的組成部分，因此，工法S2、S3優于工法S1。

2.5 優選工法下二襯受力分析

工法S2、S3二次襯砌壓應力監測值見表6。

表5 初期支護壓應力監測值Tab.5 Compressive stress of primary support under different schemes MPa

表6 二次襯砌最小主應力監測值Tab.6 Compressive stress of secondary lining under optimal schemes MPa

由表6 可知，兩種工法的結構受力分布基本一致，量值上工法S2 與S3 的最大壓應力值分別為5.07 MPa，5.04 MPa，均位于拱腳內側，但因整個結構受力在混凝土允許應力范圍內，結構滿足強度要求，而二次襯砌也只在局部出現極小拉應力，約為0.045 MPa。采用這兩種工法施工隧道是安全穩定的。

2.6 最優工法合理性分析

由上述分析可知，大斷面淺埋土質隧道采用工法S1開挖后，因圍巖變形與塑性區范圍過大而較易導致隧道失穩；工法S2和S3較適用于該類地層隧道開挖，都采取較強的臨時支護措施，保障了開挖面的安全和穩定，而工法S3較工法S2施工工期稍長、造價稍高，所以工法S2為優選工法。

3 最優工法適用性分析

由于鐘鳴1 號隧道淺埋土質段采用工法S1 施工時洞周及地表變形過大，故從DK140+560斷面開始現場施工變更為工法S2施工。工法變更后DK140+540斷面現場實測結果如圖6所示。

由圖可知，施工工法變更后，圍巖變形量明顯減小，拱頂下沉值從原來的202 mm減小到99 mm，圍巖變形得到了有效控制。由于現場監測有一定的滯后性，拱頂預收斂變形沒有監測，由圖3可知，左上臺階開挖前的預收斂變形小于右上臺階開挖前，因此現場監測沉降值左拱頂大于右拱頂。因此，工法S2 為大斷面淺埋土質隧道施工的優選工法。

口頭表達能力的鍛煉，是語文學科的重要實用價值之一。我們的社會生活離不開與他人的交流和合作。與他人交流時，離不開語言表達。因此，我們在教學時一定要注重培養學生這方面的能力。

圖6 DK140+540斷面現場實測結果Fig.6 Results of site measurement in the section DK140+540

4 結論

通過鐘鳴1號大斷面淺埋土質隧道現場監測及數值模擬，研究不同工法下支護結構的力學響應及變形特征，探究適用于大斷面淺埋土質隧道的施工工法，主要結論如下：

1）大斷面淺埋土質隧道圍巖變形具有顯著的空間效應，預收斂變形顯著，占最終收斂變形的比例較大，開挖面處預收斂變形比例為40%～50%。

2）各工法下變形量值表現為三臺階臨時仰拱法＞六步CD＞CRD，對于S2和S3，左拱頂沉降值與右拱頂沉降值基本相等。三臺階臨時仰拱法下數值模擬計算值與實測值變化規律基本一致，拱頂累計下沉具有明顯的臺階性，隧道開挖后圍巖變形太大，拱頂累計下沉與水平收斂計算值分別為99.72 mm和43.88 mm。

3）隧道開挖后，圍巖塑性區主要分布在隧道拱腰、邊墻及拱腳范圍的巖層內，且塑性屈服類型主要為剪切破壞。總的來說，3種工法下圍巖塑性區分布范圍為三臺階臨時仰拱法＞六步CD＞CRD，六步CD與CRD拱腰處圍巖塑性區分布范圍比三臺階臨時仰拱法要小，邊墻與拱腳處塑性區分布范圍比三臺階臨時仰拱法要大。

4）數值模擬結果表明，六步CD、CRD 兩種工法的結構受力分布基本一致，二襯最大壓應力值分別為5.07 MPa，5.04 MPa，位于拱腳內側，整個結構受力在混凝土允許應力范圍內，結構不會產生強度問題。

5）通過現場監測可知，六步CD法能有效控制圍巖變形，保持圍巖穩定，為大斷面淺埋土質隧道施工的優選工法。

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