宋 繼 武

(中鐵十四局集團(tuán)，山東 濟(jì)南 250061)

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大斷面黃土隧道施工工法優(yōu)化研究

宋 繼 武

(中鐵十四局集團(tuán)，山東 濟(jì)南 250061)

針對(duì)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(wěn)定的問題，提出了改進(jìn)的三臺(tái)階七步開挖法施工工序，并借助ABAQUS開展數(shù)值模擬，分析了開挖過程的力學(xué)特性，保證了大斷面黃土隧道圍巖的穩(wěn)定性。

大斷面黃土隧道，圍巖，三臺(tái)階七步法，ABAQUS

0 引言

我國(guó)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(qū)形成的分布面積達(dá)44萬km2的黃土高原地貌為世界所罕見。西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，導(dǎo)致穿越黃土地區(qū)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(dāng)常引起隧道圍巖大變形，甚至造成隧道塌方等工程地質(zhì)災(zāi)害問題。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)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(duì)大斷面黃土隧道的變形規(guī)律和施工工法形成共識(shí)。因此開展大斷面黃土施工工法的優(yōu)化研究，具有重要的科學(xué)價(jià)值與實(shí)際意義，能夠?yàn)轭愃乒こ烫峁┝己玫慕梃b。

1 工程概況

由于黃土強(qiáng)度低、自承能力小、遇水變形大，在設(shè)計(jì)之初，將隧道圍巖級(jí)別定為Ⅴ級(jí)加強(qiáng)圍巖，并采用三臺(tái)階七步開挖作為施工工法，實(shí)際開挖后發(fā)現(xiàn)該施工工法引起的變形收斂值較大，無法保證隧道開挖時(shí)圍巖的穩(wěn)定。

2 改進(jìn)的三臺(tái)階七步法

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)黃土的物理力學(xué)特性，對(duì)原有工法進(jìn)行了改進(jìn)。施工流程如圖2所示，詳細(xì)開挖步驟如下：

1)采取必要的超前支護(hù)措施，然后采用環(huán)形開挖方式開挖1處弧形導(dǎo)坑位置，并提前預(yù)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(shè)置上臺(tái)階臨時(shí)仰拱(鋼架型號(hào)：Ⅰ20a)，再次噴射混凝土(采用C25素混凝土，噴射厚度約20 cm)。

2)臺(tái)階法開挖左側(cè)3和5處：臺(tái)階3超前臺(tái)階5約2 m～3 m，及時(shí)打錨桿和掛網(wǎng)噴混凝土形成聯(lián)合支護(hù)體系，并設(shè)置臨時(shí)仰拱和按設(shè)計(jì)參數(shù)復(fù)噴混凝土。

3)臺(tái)階法開挖右側(cè)4和6處：開挖及支護(hù)方式參考步驟2)。

4)開挖拱底7：及時(shí)施作仰拱及初期支護(hù)。

5)開挖2處核心土。

3 改進(jìn)工法施工過程模擬

3.1 地質(zhì)力學(xué)參數(shù)

表1 各土層地質(zhì)力學(xué)參數(shù)

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(jì)算軟件為ABAQUS。

3.3 支護(hù)體系等效剛度的計(jì)算

為了使有限元建模及分析過程變得更簡(jiǎn)潔方便，本文將噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架以及鋼支撐等聯(lián)合支護(hù)體系等效為實(shí)體單元，該支護(hù)體系的等效剛度可按式(1)計(jì)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(wǎng)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(shù)值模擬中所采用的實(shí)體單元等效剛度等參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)體單元等效剛度等參數(shù)

3.4 模擬結(jié)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(yōu)化前，圖4b)為優(yōu)化后。由圖4可見，優(yōu)化前拱頂沉降約為14 cm，優(yōu)化后減小為8 cm，這說明工法優(yōu)化有效地控制了隧道凈空位移，優(yōu)化后隧道圍巖整體變形較優(yōu)化前減小，而且模擬過程中觀測(cè)到每一分部開挖后，位移變化率減小。

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

4 結(jié)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(zāi)害的產(chǎn)生，本文提出了改進(jìn)的三臺(tái)階七步開挖工法，并利用數(shù)值模擬技術(shù)分析了工法施工過程的力學(xué)特性，通過對(duì)比工法優(yōu)化前與優(yōu)化后的拱頂位移和塑性區(qū)，結(jié)果表明，改進(jìn)的施工工法能夠有效地控制洞周土體的變形，可以應(yīng)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(guī)律研究[J].巖土力學(xué)，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(xué)報(bào)，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(lián)合支護(hù)力學(xué)特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，36(2):446-456.

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

[5] 陳建勛，王夢(mèng)恕，軒俊杰.兩車道公路黃土隧道變形規(guī)律[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，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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