大斷面黃土隧道進洞段施工技術及其數值模擬

竇 世 學

(中鐵二十五局集團第五工程有限公司,山東 青島　266000)

?

大斷面黃土隧道進洞段施工技術及其數值模擬

竇 世 學

(中鐵二十五局集團第五工程有限公司,山東 青島266000)

針對大西客運專線忻州隧道進洞段埋深淺、斷面大、圍巖穩定性差的情況，提出采用短臺階七步開挖法和輔助工法施工，并采用Plaxis-3D有限元程序，對隧道開挖施工進行了數值模擬，同時結合施工現場實測結果作了對比分析，結果顯示：短臺階七步開挖法能有效控制圍巖及地表沉降，但在施工過程中要施作超前大管棚、超前小導管等輔助工法，且要嚴格控制進尺。

黃土隧道，大斷面，進洞開挖方案，數值模擬

1　工程概況

2　施工方法

2.1總體方案

忻州隧道進口段為黃土圍巖地表埋深較淺，土方挖到開挖輪廓線以外時根據設計修筑鋼筋混凝土導向墻、施工大管棚、超前小導管。在管棚、小導管施作結束后，依次分層開挖至起拱線標高。通過現場試驗，并考慮施工進度，隧道進洞淺埋段采用短臺階七步開挖法施工。具體施工工藝流程如圖1所示。

2.2導向墻施工

隧道進口處通過模筑施作寬2 m、厚1 m的C35混凝土導向墻。采用環形開挖預留核心土至導向墻基底，架設定位型鋼，埋設導向管(φ150×6 mm的熱軋無縫鋼管，長2 m，環向間距為30 cm)，為后續大管棚施作作基準。隧道進洞段導向墻橫斷面如圖2所示。

2.3大管棚超前支護施工

為了減少短臺階七步開挖法施工引起的地層移動，通過導向墻作為基準施作大管棚超前支護，在隧道拱部140°范圍內，通過導向墻，一次性打入一環φ108 mm大管棚進行超前加強支護，大管棚長度40 m，管壁厚5.0 mm，環向間距30 cm,外插角1°～3°，注漿材料為M20水泥漿或水泥砂漿，詳細見圖3。

3.2.2 燥熱便秘證 主癥：①大便干結；②排便困難、甚至便秘不通。兼癥：①面赤身熱；②腹脹或痛；③口干口臭；④口舌生瘡；⑤小便短赤。舌脈指紋：①舌質紅；②苔黃燥；③脈滑實，指紋紫滯。

2.4小導管超前支護施工

為了有效加固隧道進洞段圍巖、增強圍巖自穩能力，在進洞淺埋段隧道拱部施作小導管超前支護；在隧道進洞淺埋段拱部140°范圍內，打入φ42 mm超前小導管進行支護，小導管長6 m，管壁厚為3.5 mm，環向間距30 cm，外插角1°～3°，小導管注M20水泥砂漿，注漿壓力為0.5 MPa～1.0 MPa，漿液初凝時間為1 min～2 min。超前小導管配合型鋼鋼架使用，每1.8 m(3榀)施作一環，其縱向搭接長度不小于1 m，詳細見圖4。

2.5開挖施工方案

忻州隧道進洞段采用短臺階七步開挖法施工，其中施工順序見圖5，圖6。

1)開始在前一循環架立的鋼架基礎之上，施作超前支護。接著開挖頂部的弧形導坑①，同時，將循環進尺控制為2 m～4 m，并向掌子面垂直打入玻璃纖維錨桿、噴5 cm厚混凝土進行封閉。再分步施作第一步開挖的頂部弧形導坑①的初期支護Ⅰ。

2)在滯后于第一步開挖的頂部弧形導坑①施工2 m～4 m后，左右交錯開挖左側的上導坑②、右側的上導坑③。接著向掌子面垂直打入玻璃纖維錨桿、噴5 cm厚混凝土進行封閉。然后施作左側的上導坑②、右側的上導坑③的初期支護Ⅱ和Ⅲ。

3)在滯后于右側上導坑③施工2 m～4 m后，左右交錯開挖左側下導坑④、右側下導坑⑤。接著施作左側的下導坑④、右側的下導坑⑤的初期支護Ⅳ和Ⅴ。

4)依次分上、中、下臺階三步開挖預留的核心土⑥。

5)開挖隧道底部⑦。然后施作隧道底部⑦的初期支護Ⅶ。

6)灌注Ⅷ部仰拱二次襯砌及隧底填充(仰拱與隧底填充分次施作)。

7)根據監控量測結果分析，待初期支護收斂后，利用襯砌模板臺車一次性澆筑拱部和側墻的二次襯砌Ⅸ部襯砌。拱部、側墻及仰拱的二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，拱墻厚度為60 cm，仰拱厚度為70 cm。

3　有限元計算方法及結果

本文采用有限元軟件Plaxis-3D進行短臺階七步開挖法施工過程的數值模擬，土體采用三維實體單元模擬，本構模型采用摩爾—庫侖模型，錨桿采用桿單元模擬，襯砌采用板單元模擬。

3.1計算范圍

為了盡量減小有限元模型中邊界約束條件對計算結果產生的不利影響，在計算時，計算模型在水平方向寬度取80 m，在豎直方向上，下邊界為隧底向下取60 m，進洞段埋深取30 m，計算模型的邊界范圍在各個方向上都大于兩倍的洞跨長度。邊界條件可定義為：除上表面自由外，其他各面都為簡支約束。

3.2計算參數

圍巖參數根據隧道地質勘察資料選取，土層從上到下依次為：全新世黃土、馬蘭黃土1、馬蘭黃土2、離石黃土，表1為圍巖物理指標參數。

初期支護采用噴錨支護。噴射35 cm厚度的混凝土，錨桿的規格為：l=3.5 m，φ=22 mm，計算模型中沒有考慮鋼支架和鋼筋網的支護作用，可以將其看作結構的安全儲備。

3.3計算模型

模型中初支錨桿采用土工格柵單元等效強化，具體三維模型如圖7所示。

表1　圍巖物理指標參數表

3.4數值模擬結果及分析

圖8和圖9為短臺階七步開挖法開挖引起的圍巖豎向和水平向變形云圖，圖10為圍巖塑性點分布圖。

根據上圖分析可知：

1)采用短臺階七步開挖法開挖大斷面黃土隧道過程中，圍巖整體收斂變形較大，拱底隆起效果相對明顯，拱底隆起量一般占圍巖相對收斂量的40%左右。另外，開挖過程中拱部地中位移較大，沉降衰減慢，拱部開挖影響深度可達35 m，因此，建議嚴格控制開挖進尺，考慮建模過程中采用3 m的開挖進尺導致的圍巖變形較大，建議開挖進尺控制在1.5 m～2 m。

2)圍巖塑性分布點向隧道拱腳兩側斜約45°發展，且塑性區分布較大，拱頂部位基本不存在塑性點，說明短臺階七步開挖法開挖大斷面黃土隧道對于控制地表及拱頂沉降起到了良好的作用。

4　工程實測對比分析

忻州隧道施工過程中對拱頂及洞周收斂進行了監控量測，主要采用收斂計和全站儀Leica TCRA1201+，Leica反射片進行量測，現將實測結果和計算結果整理如表2所示。

表2　現場實測值與計算值對比　mm

從表2可以看出，拱頂下沉和拱底隆起的實測值與計算值相比，計算值比實測值稍小，分別小約47%，43%，但基本在同一個量級范圍，且在開挖過程中沒有發生大變形、坍塌等事故。工程實踐表明，大斷面黃土隧道采用短臺階七步開挖法是合理可行的，它可以保持圍巖穩定性、控制隧道變形。

5　結語

采用短臺階七步開挖法施工大斷面黃土隧道，隨著開挖過程地應力的釋放，圍巖變形也逐漸增大。若施工方法設計不當，隧道會發生大變形以及坍塌，影響隧道施工安全。因此，大斷面黃土隧道選擇合理的施工方法顯得很重要。

針對大斷面黃土隧道進洞段，跨度大、淺埋，采用短臺階七步開挖法能有效控制圍巖級地表沉降，但在施工過程中要施作超前大管棚等輔助工法，建議嚴格控制開挖進尺，考慮建模過程中采用3 m的開挖進尺導致的圍巖變形較大，建議開挖進尺控制在1.5 m～2 m。

[1]王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術[M].北京:人民交通出版社，2010.

[2]張英才,胡國偉,辛振省.大斷面黃土隧道開挖工法對比分析與選擇[J].鐵道工程學報,2010(3):87-92.

[3]丁春林,王春河.雙線隧道暗挖施工技術及其數值模擬分析[J].地下空間,2002(4):285-289，305-370.

[4]劉長祥,呂常新.三車道大斷面高速公路隧道穩定性數值模擬[J].地下空間與工程學報,2007(4):688-693.

[5]薛富春,馬建林,顏利平,等.超大斷面黃土隧道CRD法開挖的三維有限元分析[J].鐵道建筑,2010(5):31-33.

[6]鄭俊清,張燕清,林廷松,等.坍塌堆積圍巖小凈距隧道數值模擬研究[J].公路交通科技(應用技術版),2013(3):480-482，489.

[7]陳萬忠.秦嶺終南山特長公路隧道施工技術研究[D].成都：西南交通大學,2006.

[8]李春江.淺談公路隧道大管棚施工技術[J].城市建筑,2014(1):269.

[9]趙翔宇.公路隧道洞口工程施工技術探討[J].科技創新導報,2012(31):98.

[10]康軍.黃土公路隧道設計與施工技術研究[D].西安：長安大學,2006.

Numerical simulation and entrance construction techniques of large-section loess tunnel

Dou Shixue

(ChinaRailway25thBureau5thEngineeringGroupCo.,Ltd,Qingdao266000,China)

The cross section of Xinzhou tunnel of Datong to Xi’an Railway line for passenger traffic is large and the rock is of poor quality. Short-bench seven-step excavation method and auxiliary techniques are proposed. Plaxis-3D finite element method is used to simulate the process in the construction sequences and site measurement is used to analyze comparatively. The result show short-bench seven-step excavation can control the rock deformation and the ground settlement, but leading steel pipeline shed and small pipe are important in excavation and the single-cycle footage is controlled strictly.

loess tunnel, large section, entrance excavation scheme, numerical simulation

1009-6825(2016)23-0161-03

2016-06-08

竇世學(1972- )，男，高級工程師

U455

A