大斷面黃土隧道淺埋段開挖工法比選研究

李巖楓

(中鐵十八局集團(tuán)第六工程有限公司，天津 300222)

大斷面黃土隧道淺埋段開挖工法比選研究

李巖楓

(中鐵十八局集團(tuán)第六工程有限公司，天津 300222)

由于大斷面黃土隧道修建時(shí)，存在變形量大和自穩(wěn)能力差等問題，傳統(tǒng)的開挖工法已經(jīng)無法滿足隧道施工快速和安全的要求。文章結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，采用FLAC 3D三維數(shù)值模擬手段分析了在淺埋黃土條件下不同開挖方法(CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、預(yù)留核心土三臺階法+超前大管棚)的隧道受力機(jī)理，對大斷面黃土隧道淺埋段施工工法進(jìn)行了比選。從安全及經(jīng)濟(jì)角度提出采用預(yù)留核心土三臺階法+超前大管棚的組合工法較利于淺埋黃土條件下的大斷面隧道施工。

隧道； 大斷面； 淺埋； 黃土； 施工； 工法比選

隨著公路鐵路交通運(yùn)輸能力的增加，隧道建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入了“大斷面”時(shí)代，傳統(tǒng)的開挖工法已經(jīng)無法滿足隧道施工快速和安全的要求。而黃土隧道具有強(qiáng)度低、變形量大和自穩(wěn)能力差等等問題，施工過程中極易造成隧道坍塌事故，導(dǎo)致人員傷亡，拖延工期。

隧道開挖工法的選擇通常被認(rèn)為是影響隧道穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素，隧道開挖是一個(gè)時(shí)間與空間變換的交互過程，不同的開挖工法中圍巖和支護(hù)的受力情況都不盡相同，傳統(tǒng)的開挖工法已經(jīng)無法滿足較差圍巖下的大斷面隧道施工，取而代之的是安全、快速且更有利于保證圍巖及掌子面穩(wěn)定的施工工法。故針對上述問題，本文結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，采用FLAC 3D分析了在淺埋黃土條件下的不同工法(CD法-工法Ⅰ、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法-工法Ⅱ、預(yù)留核心土三臺階法+超前大管棚-工法Ⅲ)受力機(jī)理，對大斷面黃土隧道淺埋段開挖工法進(jìn)行了比選，提出了較為合理的開挖方法。

1 計(jì)算模型及參數(shù)

為消除邊界效應(yīng)的影響，計(jì)算范圍左右各取100 m，仰拱下取為60 m，拱頂以上為覆土厚度取20 m，考慮到單元數(shù)量太多影響計(jì)算速度，縱向取了40 m。邊界約束為前后左右邊界施加相應(yīng)方向的水平約束，下邊界豎向約束，上邊界為自由面。地層采用摩爾—庫侖模型，噴混凝土采用實(shí)體單元，鋼支撐暫沒單獨(dú)予以考慮，而將其剛度等效轉(zhuǎn)換到相鄰噴混凝土中，暫不考慮錨桿作用，超前大管棚用shell單元等效代替。為了消除三維邊界影響效應(yīng)對計(jì)算結(jié)果的影響，取整個(gè)模型的中間斷面進(jìn)行分析，各工法及支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型如圖1所示。計(jì)算時(shí)物理力學(xué)參數(shù)參照某隧道地質(zhì)勘測報(bào)告對Ⅳ級黃土圍巖物性指標(biāo)的建議取值，同時(shí)參考《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和《隧道工程巖體分級》選定參數(shù)，如表1所示。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)及地表位移對比分析

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)位移可以最直觀的反應(yīng)出每種工法的優(yōu)劣，也可直接反映出分部開挖時(shí)，每部開挖對支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的影響量，找出施工過程中的最薄弱環(huán)節(jié)，以便采取有針對性的施工措施。通過數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，繪制隧道采用不同開挖工法下拱頂沉降(絕對位移)隨施工步曲線(圖2、表2)。

從圖2可以看出，在隧道開挖時(shí)，三種方法均能夠較好的控制拱頂沉降。在圖2(a)中可以看出：CD法在開挖過程中拱頂沉降較小的原因?yàn)樵O(shè)置了臨時(shí)豎撐，其對拱頂沉降的抑制作用較為明顯，但是其最大沉降從拱頂處轉(zhuǎn)移至了拱腰處，最大沉降多達(dá)30 mm，且在拆撐時(shí)拱頂位移突然增大，將會嚴(yán)重威脅施工安全。在圖2(b)中可以看出運(yùn)用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)，拱頂位移增加平緩且最終位移僅為-9.5 mm，但是在拆撐時(shí)拱頂位移依舊會有較小的突變趨勢，這有可能會危及支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。在圖2(c)中出運(yùn)用預(yù)留核心土三臺階法施工時(shí)，拱頂位移增加趨勢在整個(gè)施工過程中都相對平緩且最終位移僅為-14.8 mm。

(a)工法Ⅰ計(jì)算模型

(b)分部開挖示意

(c)工法Ⅱ計(jì)算模型

(d)分部開挖示意

(e)工法Ⅲ計(jì)算模型

(f)分部開挖示意

(g)隧道三維模型整體示意圖圖1 計(jì)算模型

材料重度/(kN·m-3)內(nèi)摩擦角/°彈性模量/GPa粘聚力/kPa泊松比μ粉質(zhì)黏土1．67200．18260．40初期支護(hù)2．2———30———0．20

(a)CD法

(b)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

(c)預(yù)留核心土三臺階法圖2 拱頂位移隨施工步變化曲線

從表2可以看出：采用不同開挖方法時(shí)，隧道拱頂最終位移值最小為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拱頂位移-9.5 mm，其次為預(yù)留核心土三臺階法拱頂位移-14.8 mm，最大為CD法拱頂位移-24.7 mm。而在仰拱及邊墻處最終位移值，預(yù)留核心土三臺階法最小，CD法最大，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法居中，但三者相差較小。

表2 開挖完成后位移計(jì)算結(jié)果比較

施工完成后各施工工法引起的地表位移如圖3所示。

圖3 地表沉降曲線

由圖3可以看出，三種工法引起地表沉降縱向影響距離大體相同，縱向距離大約在80 m范圍內(nèi)。但是CD法引起的地表沉降最大，最大值為23.82 mm；其次為預(yù)留核心土三臺階法，最大值為15.22 mm；最小的為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，其最大值為11.80 mm。其中預(yù)留核心土三臺階法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相差較小，僅差3.42 mm。

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力對比分析

采用不同開挖方法時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力及其發(fā)生部位見表3。

表3 支護(hù)最大應(yīng)力及其發(fā)生部位

由表3可以看出：三種工法施工后，預(yù)留核心土三臺階法應(yīng)力最小，其次為CD法，預(yù)留核心土三臺階法最大，其最大應(yīng)力發(fā)生位置大體為先支護(hù)部分，預(yù)留核心土三臺階法的支護(hù)受力狀態(tài)最為合理，拉壓應(yīng)力均在支護(hù)極限應(yīng)力范圍之內(nèi)。

2.3 圍巖塑性區(qū)發(fā)展對比分析

采用三種工法時(shí)，隧道圍巖塑性區(qū)最終形成范圍如圖4～圖6所示。

圖4 CD法圍巖塑形區(qū)形成范圍

圖5 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法圍巖塑性區(qū)形成范圍

圖6 預(yù)留核心土三臺階法圍巖塑性區(qū)形成范圍

由圖4～圖6可知，塑性區(qū)的形成范圍與不同的開挖工法密切相關(guān)，不同的施工工法對應(yīng)最終的塑性區(qū)分布形態(tài)大不相同。由圖4可以看出，CD法施工后圍巖塑性區(qū)發(fā)展范圍較大，且塑性區(qū)已經(jīng)發(fā)展至地表；由圖5可以看出，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法塑性區(qū)主要分布在兩側(cè)導(dǎo)坑區(qū)域，且塑性區(qū)主要產(chǎn)生在兩側(cè)導(dǎo)坑施工時(shí)，呈橫向發(fā)展趨勢，未向地表發(fā)展，塑性區(qū)分布面積較?。挥蓤D6可以看出，預(yù)留核心土三臺階法塑性區(qū)的發(fā)展趨勢及最終形態(tài)與CD法相似，但是比CD法所產(chǎn)生的塑性區(qū)小，塑性區(qū)未發(fā)展至地表。

對上述三種工法塑性區(qū)面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 不同開挖工法下圍巖塑性區(qū)面積 m2

3 結(jié) 論

(1)僅從位移來看，預(yù)留核心土三臺階法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法均適用于此種地層。從拱頂沉降隨施工步變化曲線來看，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在拆撐過程中拱頂沉降有輕微的突變趨勢，故拆撐時(shí)可能會對施工安全造成危險(xiǎn)；而預(yù)留核心土三臺階法拱頂沉降變化趨勢平緩，整個(gè)過程無位移突變現(xiàn)象，雖然位移稍大于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，但是也位于可控范圍內(nèi)，較利于施工安全。

(2)從支護(hù)應(yīng)力來看，預(yù)留核心土三臺階法支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布較為均勻。故從支護(hù)應(yīng)力角度來說，預(yù)留核心土三臺階法更適合于黃土淺埋隧道的施工。

(3)從塑性區(qū)形成范圍來說，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最適合此種地層，而預(yù)留核心土三臺階法較適合此種地層。

(4)從施工復(fù)雜度及施工進(jìn)度來講，預(yù)留核心土三臺階法遠(yuǎn)優(yōu)于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，不僅可以大大提高施工進(jìn)度，合理的利用機(jī)械設(shè)備，還可以大大提高工程效益；而雙側(cè)壁導(dǎo)坑法工序復(fù)雜、造價(jià)高、施工速度慢，特別是限制了大型機(jī)械的使用，施工條件很差，施工進(jìn)度緩慢，無法保證施工工期。

綜上所述，在此淺埋黃土條件下，預(yù)留核心土三臺階法較優(yōu)于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。但是需要強(qiáng)調(diào)的是：預(yù)留核心土三臺階法中的大管棚超前支護(hù)對支撐上部圍巖壓力、保證隧道上部開挖安全起著關(guān)鍵作用，所以在施工過程中，必須保證超前大管棚的施工質(zhì)量，保證施工安全。

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李巖楓(1974～)，男，高級工程師，主要從事施工技術(shù)及施工管理工作。

U452. 1+2; U455.4

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[定稿日期]2014-09-09