扁平特大断面隧道三台阶法、CD法开挖对比分析_黄小明.pdf

公路 年月第期 基金项目：科技部重点研发项目，项目编号 收稿日期：文章编号：（）中图分类号：文献标识码：扁平特大断面隧道三台阶法、法开挖对比分析黄小明，包世波，霍文星，高志玉，危志豪（中国交通建设股份有限公司北京市 ；中交一公局集团有限公司北京市 ）摘要：在确保特大断面隧道施工安全可靠的情况下降低施工成本，依托新白石岩隧道工程，对三台阶法和 法两种开挖方法进行非线性施工阶段对比分析，对两种方法开挖过程中的围岩及支护的变形、应力、围岩塑性区等进行对比分析，指出了风险性较大的开挖步。根据分析结果选择开挖过程中围岩塑性区较小的 法施工，并结合现场施工监测得出三台阶法施工便捷性高，但围岩塑性区大，稳定性低；法开挖隧道，围岩整体稳定性较好，围岩塑性区小，但中隔壁承担的围岩压力大，变形大，容易失稳，加设临时仰拱等措施可减小中隔壁水平变形。关键词：隧道工程；施工方法比选；数值计算；三台阶法；法隧道开挖施工中围岩的稳定性至关重要，确保围岩的稳定性需根据围岩等级、渗水情况等选择合适的开挖及支护方法，超大跨度隧道施工时，为了确保隧道施工的安全性，根据工程经验选择开挖方法后，补充数值模拟分析，能进一步分析隧道开挖风险，通过加强施工措施后，提高隧道开挖方法的可靠性，增强施工安全性。国内已建成的多条特大断面铁路隧道多数为车站隧道，车站设置在隧道进出口处，由于进出口处靠近岩土自然表面，围岩破碎，地质情况复杂，为施工带来难度。为了提高隧道施工的安全性，可预先采用数值计算、现场试验等方法研究隧道施工的可靠性，国内对于此类隧道的研究取得了一定的成果。奚家米等对大跨度隧道三台阶开挖法与双侧壁导坑法进行对比研究，认为双侧壁导坑法比台阶法施工产生的地层沉降小，双侧壁导坑法施工安全性高于台阶法施工。张俊儒等对二衬临时支撑的拆除进行研究，指出了拆撑各阶段的安全系数演变，指出双侧壁导坑法一次性拆撑的合理长度是 左右。王维富等对台阶法、法、双侧壁导坑法进行对比分析，提出三台阶临时仰拱竖向支撑的开挖工法，现场施工表明，该方法施工高效快捷。洪军等对新考塘隧道出口扩大段特大跨度隧道进行数值模拟分析，对第次初期支护、临时支护、第次初期支护的受力与隧道开挖深度的关系进行研究，指出了危险性较高的作业部位，同时证明了两次初期支护是有效的。王春河等系统开展了软弱围岩超大断面隧道上下台阶法和 法开挖时的控制机制数值试验，认为开挖方式对拱顶沉降、最大塑性应变、支护构件应力影响显著。国内已建成多座特大断面隧道，最大开挖面积达到 ，主要特大断面隧道见表。从表可以看出，特大断面隧道开挖不局限于某一种方法，各工法在大断面隧道开挖中的适宜性、经济性目前尚不明确，因此，在降低开挖风险，确保围岩稳定的前提下，探索施工经济性好、与隧道地质及断面 相适 宜 的 隧 道 开挖方法 具 有 较 高 的 工 程价值。本文以改建铁路成昆线峨米段新白石岩隧道为依托工程，采取数值模拟与现场监测相结合的方法，对三台阶法和 法两种开挖方法的围岩初支变形及力学特性进行分析，根据新白石岩隧道工程地质条件，使用有限元软件对隧道施工进行施工阶段模拟，比选两者中的最优方案，并与施工期监测情况进行对比分析，进而更加可靠地评估现场施工的安全性，降低施工风险，降低工程成本。表国内已建成的特大断面隧道序号名称开挖面积地质情况埋深开挖方法及支护形式赣龙铁路新考塘隧道出口段最 大 开 挖 宽 度 ，高 度 ，开挖面积 。全风化花岗岩地层。双侧导坑拱部临时支护法开挖。拱部双层支护、侧导洞单层初期支护。港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道最大开挖宽度为，最大高度，开挖面积 。海陆交互相沉积软土地层。曲线管幕水平冻结五台阶十四部工法。贵昆线乌蒙山号隧道四线大跨车站隧道最大开挖跨度达 ，最大断面面积达 。泥岩、页 岩 夹 砂 岩，岩 质 软硬不均，岩体较破碎。双侧壁导坑先墙后拱法。长沙市营盘路隧道最大开挖宽度为 ，最大高度，开挖面积 。上覆软土、粉细砂、圆砾，洞身穿越强、中风化板岩。全断面预加固和双层钢预支撑。红 旗 河 沟 暗 挖 车 站隧道最 大 开 挖 断 面 达 （）上覆填 土、中 风 化 砂，洞 身穿越中风化砂质泥岩。十字岩柱法。工程概况改建铁路成昆线峨米段新白石岩隧道洞身通过白云岩夹白云质灰岩，最大埋深约 ，岩性主要为浅灰、灰白色中厚层块状白云岩夹白云质灰岩，偶遇硅质岩薄层及条带，受断层影响岩层较破碎，整体稳定性差。隧道进口端 共 为三线车站隧道范围，级围岩，岩层走向与线路走向小角度斜交，倾角 ，车站隧道范围纵断面见图所示。车站隧道开挖面积 ，最 大 开 挖 跨 度 ，最 大 开 挖 高 度 ，地下水类型有基岩裂隙水、岩溶水、覆盖层孔隙水，地下水主要赋存于白云岩及断层破碎带中，主要沿岩层层面及断层破碎带向旁边河流排泄，隧道施工时排水量极小，研究断面范围隧道埋深约 。隧道断面见图。图隧道纵断面单位：图隧道断面三台阶法、法简述采用围岩变形控制为目标，刚度设计为核心，强度校核做保障的方法，对初支进行选择，最终确定以下支护参数。三台阶法初支采用 喷射混凝土，厚 ；型钢 拱架，间距 ；中管棚，采用 壁厚钢管，长，间距 ；自钻式锚杆采用 壁厚 钢管，长，按 布 置；二 衬 混 凝 土 厚 。三台阶法施工 如图（）所示，台阶法分部开挖，每台阶长度为，从掌子面到仰拱处距 公路 年第期 年第期黄小明等：扁平特大断面隧道三台阶法、法开挖对比分析单位：图施工断面离为，三台法分为上中下个台阶和仰拱等个部分进行开挖。施工工序为：先打中管棚，再开挖上部台阶部，上部开挖完成后施作上部洞身的初期支护，即初喷混凝土，立钢拱架，打设系统锚杆；上台阶施工至后，开挖中部台阶左侧部及上部核心土部，施作左侧洞身中台阶结构的初期支护，支护结构同部；部施工至 后，开挖中部台阶右侧部，施作右侧洞身中台阶结构的初期支护；部施工至 后，开挖部中台阶核心土；部开挖后，依照、部施工方法施作下台阶、部；然后开挖下台阶核心土部，上中下台阶保留步距，最后开挖仰拱部分，及时进行支护结构封闭，和仰拱开挖、喷射混凝土，为方便计算开挖循环进尺为。法初支同三台阶法，中隔壁采用 厚喷射混凝土与 间距的型钢 组 成，二 衬 同 三 台 阶 法，法 施 工 如图（）所示。施工工序为：先打中管棚；再开挖上部左侧上台阶部，开挖完成后施作上部洞身的初期支护，即初喷混凝土，立钢拱架，中隔壁施工，打设系统锚杆；左侧上台阶施工至 后，开挖左侧下台阶部，施作左侧洞身中台阶结构的初期支护，支护结构同部；部施工至 后，开挖右侧上台阶部，施作初期支护；部开挖 后开挖右侧中台阶部，施作初支；部施工 后，同时开挖下台阶、部，施作初支，并向下延伸中隔壁；、部开挖后，拆除长的中隔壁，进行仰拱初支施工，为方便计算开挖循环进尺为。数值分析 单元类型采用有限元软件建模分析，假定围岩为连续间质，用各向同性莫尔库伦弹塑性六面体单元模拟；喷射混凝土和钢拱架采用等刚度壳单元模拟；中管棚采用植入式梁单元模拟；自钻式锚杆采用植入式桁架单元模拟；注浆层和二衬采用体单元模拟。围岩未考虑与时间相关的蠕变性，支护体系及二衬采用线弹性本构模型。模型建立岩石参数采用 铁路隧道设计规范，级围岩参数同时考虑设计总说明中隧道所处围岩的参数，对范围值进行选择。单元材料属性见表。表计算材料属性材料围岩管棚锚杆支护注浆层二衬容重（）弹性模量 泊松比 摩擦角（）黏聚力 剪胀角（）截面积 计算模型的宽度边界两侧按照隧道跨度的倍选取，高度边界到隧道顶 ，底部边界到隧道底，跨 度 ，故 建 立 的 模 型 边 界 总 长 为 ，总高为 ，隧道深度。计算模型的边界条件：底面为竖向约束，上边界为自由边界，并加载了与上部未建入模型中的土体自重压力等效的 的竖向压力，左右边界为横向约束，前后为纵向约束，有限元模型见图，支护结构见图。为了分析隧道围岩与支护特性随隧道开挖深度的变化趋势关系，模型开挖深度较大，每个开挖步的单元划分 较 粗，三 台 阶 法 共 个 单 元，法 共 个单元。图隧道模型图隧道支护结构 变形分析对模型采用非线性施工阶段分析，分为 个施工阶段，每个阶段进尺。在通过 步开挖之后，隧道支护及开挖面如图所示，隧道在整体坐标系、方向的合位移（相对原始位置）结果如图所示，变形位移方向见图中矢量箭头方向。三台阶法和 法开挖面土体均有挤出变形，三台阶法最大变形发生在第二台阶中部核心土表面，最大变形达到 ，由于跨度较大，隧道上部土体向下变形，下部土体向上变形；法隧道顶部有向下变形趋势，仰拱中部有向上变形趋势，侧墙有向隧道外侧变形趋势，中隔壁变形最大，最大变形达到 。竖向变形隧道在开挖过程中起始开挖面各部位竖向变形如图所示，法隧道各部位最终竖向变形绝对值均比三台阶法小。法隧道拱顶在开挖 之前变形较缓，在右侧上台阶开始施工后变形速率加大，随着右侧上台阶施工面的远离，竖向变形速率减小，到第 步右侧下台阶开挖时，变形速率加大，最后变形趋于稳定，最大变形 ，三台阶法拱顶在隧道开挖长度 之前沉降速度较大，在 公路 年第期 年第期黄小明等：扁平特大断面隧道三台阶法、法开挖对比分析图隧道及开挖面变形 长度开挖中沉降速度变缓，长度开挖中沉降趋于稳定，测点距离开挖面约倍洞径时，变形趋于稳定，最大沉降值为 。仰拱土体 法和三台阶法变形趋势相同；隆起变形速率，先增大后减小，最后趋于稳定；在开挖 步后 法变形为 ，三台阶法变形为 。图隧道各部位随开挖长度沉降隧道拱顶处沿隧道长度每隔 的部位随隧道开挖长度的竖向变形（距离起始开挖面 处开始）如图所示，随着开挖面的逼近，开挖面前方土体的沉降值逐步增大，沉降速度较小；开挖面正上方的拱顶土体随着开挖进尺的增大沉降值迅速增大。随着开挖面的远离，沉降值趋于稳定，各部位逐渐趋于一致的沉降值，见图中 步处，可分为加速变形段、直线变形段、减速变形段、平稳变形段，法变形速率不像三台阶法均匀，在隧道仰拱开挖及中隔壁拆除时发生两次突变，仰拱开挖时中隔壁自由高度加大导致竖向变形大，从而出现拱顶变形加大的现象，同样中隔壁拆除后拱顶失去支撑变形加大。图隧道拱顶部位随开挖长度的竖向变形 水平变形隧道在开挖过程中，起始开挖面各部位随隧道开挖深度的水平变形如图所示，隧道左侧围岩各点向右侧变形为正，向左侧变形为负。三台阶法部位处变形最大，最大变形值随开挖长度增大，到第 步 达 到 最 大 值 ，最 终 变 形 收 敛 为 ；法隧道左侧部位处的岩体向隧道外侧变形，最大变形 ，侧墙两种开挖方法的变形截然相反；中隔壁部位先向隧道左侧变形，随着右侧上台阶、中台阶的开挖向隧道右侧变形。部位、因靠近隧道顶部、底部在三台阶法和 法开挖中变形均较小，但变形趋势相异。法的中隔壁处在左侧上台阶开挖时向左边开挖侧变形，但随着右侧上台阶、中台阶的开挖，迅速向反方向变形，最大变形达到 。三台阶法开挖时部位处在左侧中台阶开挖时变形大，达到 ，属于风险较大的施工步；法施工时，右侧上台阶、中台阶开挖时容易造成中隔壁变形过大、失稳，属于风险较大的施工步。图隧道各部位随开挖长度水平变形 总体变形如图 所示，隧道施工时，三台阶法开挖时隧道变形对称，围岩、初支向隧道内侧变形，随着隧道开挖各部位变形逐步增大，最大变形在拱顶位置，断面全部开挖完成后变形值为 ，仰拱中部向上变 形 为 ，侧 墙 向 隧 道 内 侧 变 形 为 ，拱脚变形为 。法随着隧道开挖各部位变形逐步增大，拱顶断面全面开挖完成后变形为 ，仰拱变形为 ，中隔壁左侧开挖后向左侧开挖，但随着右侧上台阶、中台阶的开挖，迅速向反方向变形，最大变形达到 ，侧墙向隧道外侧变形，变形值为 ，拱脚变形为 。由于围岩初支随开挖进尺产生时空效应，变形不可逆，导致两种开挖方法产生不同的围岩变形，尤其是侧墙变形方向截然相反。单位：图 隧道及开挖面变形 应力分析 围岩应力分析第 开挖步三台阶法、法隧道围岩等效应力分布如图 所示。三台阶法侧墙外侧一定距离处的有效应力最大，最大值约为 ，仰拱两侧的有效应力约 ，开挖面后部土体应力约 ，由于中管棚的作用，开挖面开挖土体的支撑传到后部土体，导致后部土体应力增大；法下台阶中