大斷面黃土隧道施工工法優化研究

宋 繼 武

(中鐵十四局集團，山東 濟南 250061)

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大斷面黃土隧道施工工法優化研究

宋 繼 武

(中鐵十四局集團，山東 濟南 250061)

針對某大斷面黃土隧道修建過程中開挖施工引起變形收斂值大、無法保證圍巖穩定的問題，提出了改進的三臺階七步開挖法施工工序，并借助ABAQUS開展數值模擬，分析了開挖過程的力學特性，保證了大斷面黃土隧道圍巖的穩定性。

大斷面黃土隧道，圍巖，三臺階七步法，ABAQUS

0 引言

我國黃土以分布廣、厚度大、地層完整聞名于世，其中在黃河中游地區形成的分布面積達44萬km2的黃土高原地貌為世界所罕見。西部大開發戰略的實施，導致穿越黃土地區公路和鐵路隧道工程越來越多，在大斷面黃土隧道修建過程中，若隧道開挖工法選擇不當常引起隧道圍巖大變形，甚至造成隧道塌方等工程地質災害問題。

目前，國內外學者已對大斷面黃土的各種開挖工法的合理性和變形控制開展了一定的研究[1-5]，但仍然沒有對大斷面黃土隧道的變形規律和施工工法形成共識。因此開展大斷面黃土施工工法的優化研究，具有重要的科學價值與實際意義，能夠為類似工程提供良好的借鑒。

1 工程概況

由于黃土強度低、自承能力小、遇水變形大，在設計之初，將隧道圍巖級別定為Ⅴ級加強圍巖，并采用三臺階七步開挖作為施工工法，實際開挖后發現該施工工法引起的變形收斂值較大，無法保證隧道開挖時圍巖的穩定。

2 改進的三臺階七步法

結合現場黃土的物理力學特性，對原有工法進行了改進。施工流程如圖2所示，詳細開挖步驟如下：

1)采取必要的超前支護措施，然后采用環形開挖方式開挖1處弧形導坑位置，并提前預留2處核心土。開挖之后立即噴射混凝土(厚度約3 cm～5 cm)，并設置上臺階臨時仰拱(鋼架型號：Ⅰ20a)，再次噴射混凝土(采用C25素混凝土，噴射厚度約20 cm)。

2)臺階法開挖左側3和5處：臺階3超前臺階5約2 m～3 m，及時打錨桿和掛網噴混凝土形成聯合支護體系，并設置臨時仰拱和按設計參數復噴混凝土。

3)臺階法開挖右側4和6處：開挖及支護方式參考步驟2)。

4)開挖拱底7：及時施作仰拱及初期支護。

5)開挖2處核心土。

3 改進工法施工過程模擬

3.1 地質力學參數

表1 各土層地質力學參數

3.2 模型范圍

本文選取該大斷面黃土隧道某典型斷面，建立其有限元二維模型，模型范圍為上至地表，左、右、下邊界范圍均大于3D(D為該大斷面黃土隧道的直徑)，二維有限元模型見圖3，計算軟件為ABAQUS。

3.3 支護體系等效剛度的計算

為了使有限元建模及分析過程變得更簡潔方便，本文將噴射混凝土、鋼筋網、鋼拱架以及鋼支撐等聯合支護體系等效為實體單元，該支護體系的等效剛度可按式(1)計算：

EeqIeq=EsIs+EbIb+ErIr

(1)

其中，Eeq和Ieq分別為等效彈模和等效抗彎慣性矩；Es和Is分別為噴射混凝土的彈模和抗彎慣性矩；Eb和Ib分別為鋼筋網彈模和抗彎慣性矩；Er和Ir分別為鋼拱架彈模和抗彎慣性矩。數值模擬中所采用的實體單元等效剛度等參數如表2所示。

表2 實體單元等效剛度等參數

3.4 模擬結果分析

第七步開挖后圍巖豎向位移云圖如圖4所示，其中圖4a)為優化前，圖4b)為優化后。由圖4可見，優化前拱頂沉降約為14 cm，優化后減小為8 cm，這說明工法優化有效地控制了隧道凈空位移，優化后隧道圍巖整體變形較優化前減小，而且模擬過程中觀測到每一分部開挖后，位移變化率減小。

采用優化前和優化后施工工法，開挖完成后隧道洞周塑性區分布如圖5所示。由圖5可見，采用優化后的工法施工對圍巖變形的控制明顯比優化前的效果要好，優化前工法施工時，洞周圍巖塑性區最終擴展到整個隧道輪廓線周圍，而采用優化后的工法施工只是在邊墻與拱腰處存在塑性區。

4 結語

為有效控制大斷面黃土隧道洞周土體變形，防止隧道大變形或者塌方災害的產生，本文提出了改進的三臺階七步開挖工法，并利用數值模擬技術分析了工法施工過程的力學特性，通過對比工法優化前與優化后的拱頂位移和塑性區，結果表明，改進的施工工法能夠有效地控制洞周土體的變形，可以應用到大斷面黃土隧道施工過程中。

[1] 喬春生，管振祥，滕文彥.飽水黃土隧道變形規律研究[J].巖土力學，2003，24(S2):225-230.

[2] 扈世民，張頂立，郭 婷，等.大斷面黃土隧道變形特征分析[J].鐵道學報，2012，34(8)：117-122.

[3] 李樹忱，晏 勤，謝 璨，等.膨脹性黃土隧道鋼拱架—格柵聯合支護力學特性研究[J].巖石力學與工程學報，2017，36(2):446-456.

[4] 趙東平，喻 渝，王明年.大斷面黃土隧道變形規律及預留變形量研究[J].現代隧道技術，2009，46(6):64-69.

[5] 陳建勛，王夢恕，軒俊杰.兩車道公路黃土隧道變形規律[J].交通運輸工程學報，2012，12(3):9-18.

On optimization of large-section loess tunnel construction methods

Song Jiwu

(ChinaRailway14thBureauGroup,Jinan250061,China)

According to the excavation problems in some large-section loess tunnel maintenance including the large convergence deformation value and failure in ensuring the stability of the surround rocks, analyzes the dynamic features of the excavation with ABAQUS development numeric simulation, and points out the improved three-platform and seven-step excavation construction procedure, so as to ensure the surrounding rocks’ stability of the large-section loess tunnel.

large-section loess tunnel, surrounding rock, three-step and seven-step method, ABAQUS

1009-6825(2017)13-0187-02

2017-02-21

宋繼武(1974- )，男，工程師

U455

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