竇 世 學(xué)

(中鐵二十五局集團(tuán)第五工程有限公司,山東 青島　266000)

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大斷面黃土隧道進(jìn)洞段施工技術(shù)及其數(shù)值模擬

竇 世 學(xué)

(中鐵二十五局集團(tuán)第五工程有限公司,山東 青島266000)

針對(duì)大西客運(yùn)專線忻州隧道進(jìn)洞段埋深淺、斷面大、圍巖穩(wěn)定性差的情況，提出采用短臺(tái)階七步開挖法和輔助工法施工，并采用Plaxis-3D有限元程序，對(duì)隧道開挖施工進(jìn)行了數(shù)值模擬，同時(shí)結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果作了對(duì)比分析，結(jié)果顯示：短臺(tái)階七步開挖法能有效控制圍巖及地表沉降，但在施工過(guò)程中要施作超前大管棚、超前小導(dǎo)管等輔助工法，且要嚴(yán)格控制進(jìn)尺。

黃土隧道，大斷面，進(jìn)洞開挖方案，數(shù)值模擬

1　工程概況

2　施工方法

2.1總體方案

忻州隧道進(jìn)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(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)修筑鋼筋混凝土導(dǎo)向墻、施工大管棚、超前小導(dǎo)管。在管棚、小導(dǎo)管施作結(jié)束后，依次分層開挖至起拱線標(biāo)高。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并考慮施工進(jìn)度，隧道進(jìn)洞淺埋段采用短臺(tái)階七步開挖法施工。具體施工工藝流程如圖1所示。

2.2導(dǎo)向墻施工

隧道進(jìn)口處通過(guò)模筑施作寬2 m、厚1 m的C35混凝土導(dǎo)向墻。采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土至導(dǎo)向墻基底，架設(shè)定位型鋼，埋設(shè)導(dǎo)向管(φ150×6 mm的熱軋無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)2 m，環(huán)向間距為30 cm)，為后續(xù)大管棚施作作基準(zhǔn)。隧道進(jìn)洞段導(dǎo)向墻橫斷面如圖2所示。

2.3大管棚超前支護(hù)施工

為了減少短臺(tái)階七步開挖法施工引起的地層移動(dòng)，通過(guò)導(dǎo)向墻作為基準(zhǔn)施作大管棚超前支護(hù)，在隧道拱部140°范圍內(nèi)，通過(guò)導(dǎo)向墻，一次性打入一環(huán)φ108 mm大管棚進(jìn)行超前加強(qiáng)支護(hù)，大管棚長(zhǎng)度40 m，管壁厚5.0 mm，環(huán)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(xì)見(jiàn)圖3。

3.2.2 燥熱便秘證 主癥：①大便干結(jié)；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(zhì)紅；②苔黃燥；③脈滑實(shí)，指紋紫滯。

2.4小導(dǎo)管超前支護(hù)施工

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

2.5開挖施工方案

忻州隧道進(jìn)洞段采用短臺(tái)階七步開挖法施工，其中施工順序見(jiàn)圖5，圖6。

1)開始在前一循環(huán)架立的鋼架基礎(chǔ)之上，施作超前支護(hù)。接著開挖頂部的弧形導(dǎo)坑①，同時(shí)，將循環(huán)進(jìn)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(jìn)行封閉。再分步施作第一步開挖的頂部弧形導(dǎo)坑①的初期支護(hù)Ⅰ。

2)在滯后于第一步開挖的頂部弧形導(dǎo)坑①施工2 m～4 m后，左右交錯(cuò)開挖左側(cè)的上導(dǎo)坑②、右側(cè)的上導(dǎo)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(jìn)行封閉。然后施作左側(cè)的上導(dǎo)坑②、右側(cè)的上導(dǎo)坑③的初期支護(hù)Ⅱ和Ⅲ。

3)在滯后于右側(cè)上導(dǎo)坑③施工2 m～4 m后，左右交錯(cuò)開挖左側(cè)下導(dǎo)坑④、右側(cè)下導(dǎo)坑⑤。接著施作左側(cè)的下導(dǎo)坑④、右側(cè)的下導(dǎo)坑⑤的初期支護(hù)Ⅳ和Ⅴ。

4)依次分上、中、下臺(tái)階三步開挖預(yù)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(hù)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(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果分析，待初期支護(hù)收斂后，利用襯砌模板臺(tái)車一次性澆筑拱部和側(cè)墻的二次襯砌Ⅸ部襯砌。拱部、側(cè)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(jì)算方法及結(jié)果

本文采用有限元軟件Plaxis-3D進(jìn)行短臺(tái)階七步開挖法施工過(guò)程的數(shù)值模擬，土體采用三維實(shí)體單元模擬，本構(gòu)模型采用摩爾—庫(kù)侖模型，錨桿采用桿單元模擬，襯砌采用板單元模擬。

3.1計(jì)算范圍

為了盡量減小有限元模型中邊界約束條件對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的不利影響，在計(jì)算時(shí)，計(jì)算模型在水平方向?qū)挾热?0 m，在豎直方向上，下邊界為隧底向下取60 m，進(jìn)洞段埋深取30 m，計(jì)算模型的邊界范圍在各個(gè)方向上都大于兩倍的洞跨長(zhǎng)度。邊界條件可定義為：除上表面自由外，其他各面都為簡(jiǎn)支約束。

3.2計(jì)算參數(shù)

圍巖參數(shù)根據(jù)隧道地質(zhì)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(biāo)參數(shù)。

初期支護(hù)采用噴錨支護(hù)。噴射35 cm厚度的混凝土，錨桿的規(guī)格為：l=3.5 m，φ=22 mm，計(jì)算模型中沒(méi)有考慮鋼支架和鋼筋網(wǎng)的支護(hù)作用，可以將其看作結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。

3.3計(jì)算模型

模型中初支錨桿采用土工格柵單元等效強(qiáng)化，具體三維模型如圖7所示。

表1　圍巖物理指標(biāo)參數(shù)表

3.4數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖8和圖9為短臺(tái)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(diǎn)分布圖。

根據(jù)上圖分析可知：

1)采用短臺(tái)階七步開挖法開挖大斷面黃土隧道過(guò)程中，圍巖整體收斂變形較大，拱底隆起效果相對(duì)明顯，拱底隆起量一般占圍巖相對(duì)收斂量的40%左右。另外，開挖過(guò)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(dá)35 m，因此，建議嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，考慮建模過(guò)程中采用3 m的開挖進(jìn)尺導(dǎo)致的圍巖變形較大，建議開挖進(jìn)尺控制在1.5 m～2 m。

2)圍巖塑性分布點(diǎn)向隧道拱腳兩側(cè)斜約45°發(fā)展，且塑性區(qū)分布較大，拱頂部位基本不存在塑性點(diǎn)，說(shuō)明短臺(tái)階七步開挖法開挖大斷面黃土隧道對(duì)于控制地表及拱頂沉降起到了良好的作用。

4　工程實(shí)測(cè)對(duì)比分析

忻州隧道施工過(guò)程中對(duì)拱頂及洞周收斂進(jìn)行了監(jiān)控量測(cè)，主要采用收斂計(jì)和全站儀Leica TCRA1201+，Leica反射片進(jìn)行量測(cè)，現(xiàn)將實(shí)測(cè)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果整理如表2所示。

表2　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比　mm

從表2可以看出，拱頂下沉和拱底隆起的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值相比，計(jì)算值比實(shí)測(cè)值稍小，分別小約47%，43%，但基本在同一個(gè)量級(jí)范圍，且在開挖過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生大變形、坍塌等事故。工程實(shí)踐表明，大斷面黃土隧道采用短臺(tái)階七步開挖法是合理可行的，它可以保持圍巖穩(wěn)定性、控制隧道變形。

5　結(jié)語(yǔ)

采用短臺(tái)階七步開挖法施工大斷面黃土隧道，隨著開挖過(guò)程地應(yīng)力的釋放，圍巖變形也逐漸增大。若施工方法設(shè)計(jì)不當(dāng)，隧道會(huì)發(fā)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(duì)大斷面黃土隧道進(jìn)洞段，跨度大、淺埋，采用短臺(tái)階七步開挖法能有效控制圍巖級(jí)地表沉降，但在施工過(guò)程中要施作超前大管棚等輔助工法，建議嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，考慮建模過(guò)程中采用3 m的開挖進(jìn)尺導(dǎo)致的圍巖變形較大，建議開挖進(jìn)尺控制在1.5 m～2 m。

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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(xué)(1972- )，男，高級(jí)工程師

U455

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