超大跨隧道分部开挖的压力拱特性分析.pdf

书书书收稿日期：基金项目：广东省重点领域研发计划资助项目（）；中铁大桥局集团第四工程有限公司资助项目（）。作者简介：刘夏冰（），男，江西莲花人，工程师，工学博士，研究方向为隧道与地下工程施工。超大跨隧道分部开挖的压力拱特性分析刘夏冰，麻建飞贾港帅贺家新王文谦（广东华路交通科技有限公司，广州 ；广东省隧道工程安全与应急保障技术及装备企业重点实验室，广州 ；北京交通大学，北京 ；中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 ）摘要：为研究分部开挖下超大跨隧道的压力拱演化规律，通过室内试验方法进行岩块力学试验，结合现场调查获取的岩体质量评分，采用 岩体强度准则确定围岩力学参数，采用数值模拟方法研究四线高铁隧道的压力拱特性。结果表明：分部开挖使超大跨隧道的压力拱逐步形成，初支 厚时四线高铁隧道形成压力拱的临界覆土为 ；合理的初支厚度能促进压力拱的形成，但超出临界范围时对压力拱的影响有限；双侧壁导坑法对压力拱形成的控制效果优于三台阶法。研究成果可为隧道支护设计提供参考。关键词：隧道工程；超大跨隧道；压力拱；分部开挖；围岩稳定中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，；，；，；，）：（），第 卷第 期 年 月 北京工业职业技术学院学报 ，：；引言隧道开挖后围岩应力方向发生偏转，隧道开挖轮廓上方围岩在应力作用下压紧，形成压力拱承担上覆围岩荷载，这一现象是围岩自承载能力的表现，压力拱的范围可以表征开挖对围岩的扰动程度。近年来，随着我国交通建设的开展，隧道开挖跨度不断增大，研究隧道压力拱对隧道设计和施工具有重要意义。许多学者围绕隧道压力拱展开研究：彭祖昭等 借助流固耦合模型分析了岩 土复合地层和全断面岩层的隧道压力拱形成规律；高峰等 采用 有限元软件研究了基坑深度、宽度与隧道净距对邻近隧道压力拱的影响规律；昝文博等 以某堆积体隧道工程为背景，采用模型试验和数值模拟方法研究了松散体隧道的压力拱形成机理；李然等 依托京张高铁对三孔小净距隧道围岩的稳定性和控制方法进行了研究；安永林等 分析了开挖施工方法对于围岩压力拱的影响，提出了隧道三维压力拱边界确定方法；刘金慧等 研究了硬塑状粉质黏土地层深埋马蹄形隧道的压力拱形成和演化规律；黄子平等 提出了压力拱边界的确定方法，认为压力拱的下边界接近隧道顶部，而压力拱的上边界根据围岩应力的偏转程度确定；采用数值模拟研究了无支护时的压力拱效应，讨论了覆土、侧压力系数对压力拱的影响；等 通过数值模拟方法讨论了埋深、岩体质量等因素对压力拱范围的影响。上述研究主要集中在压力拱形成条件及影响因素方面，较少涉及支护结构施作、施工方法等因素对压力拱的影响。目前，大量超大跨隧道应用于交通线路，施工时一般采用分部开挖工法，其压力拱特性需要进一步探究。本文以某四线高铁隧道为工程依托，在确定围岩力学参数的基础上，对分部开挖超大跨隧道的压力拱演化规律进行探究，成果可为类似超大跨隧道的设计和施工提供参考依据。工程概况由于城市地形及车站位置所限，某高铁隧道设计为四线隧道，其支护断面如图 所示，开挖跨度 ，高度约 ，覆土范围仅 。隧道开挖区域以凝灰岩为主，自地表往下依次分布含砾黏土、全风化凝灰岩、强风化凝灰岩、弱风化凝灰岩，存在大量剪节理，局部区段十分破碎。图 隧道支护断面图（单位：）北 京 工 业 职 业 技 术 学 院 学 报第 卷 围岩力学参数 岩石室内试验确定围岩力学参数是开展研究的基础。岩石试样通过现场钻芯，加工成如图 （）所示的标准圆柱体，进行单、三轴压缩试验 。试验结果如图 （）所示，得到凝灰岩材料常数为 ，拟合单轴抗压强度为 ，凝灰岩的平均弹性模量为 。获取上述基质岩石的力学参数后，根据试验结果及岩体质量评分结果，采用 岩体强度准则确定围岩力学参数。（）试样照片（）强度试验结果图 试样及强度试验结果图 基于 系统确定岩体力学参数 岩体强度准则采用地质强度指标（）评判岩体质量。目前国内工程的岩体分级采用国标岩体质量基本指标（）划分，许宏发等 研究表明 值与岩体质量等级（）存在一定关系，拟合得到其下限关系式为 （）值与 值的关系为 （）（）根据式（）和式（），将 值转换为 值，值取下限，得到隧道围岩力学参数如表 所示。表 隧道围岩力学参数围岩等级内摩擦角（）黏聚力 容重（）弹性模量 分部开挖下的压力拱演化规律超大跨隧道采用分部开挖时，压力拱范围随着开挖推进而不断变化。正确认识分部开挖对压力拱的影响，对支护设计及施工方法选择至关重要。压力拱的边界定义压力拱分为内边界和外边界。内边界指开挖导致的松动区范围，围岩产生松动破坏一般出现在拱顶至拱腰的区域范围内，可以通过应力路径方法确定其边界范围。定义拱顶路径上的压力拱高度为，代表隧道拱顶路径上的开挖扰动范围。根据切向应力沿拱顶路径的变化规律，将切向应力与径向应力的交点作为压力拱的外边界，将切向应力第 次恢复到原岩应力水平的位置确定为压力拱高度。拱腰路径的应力状态表示压力拱结构传递的不稳定荷载范围，可以视为压力拱结构的拱基。采用切向应力系数反映其应力集中程度，定义为开挖前后拱腰路径上切向应力的比值。通过研究拱顶路径的应力及拱腰路径切向应力系数的变化规律，分析分部开挖时隧道压力拱的形成规律。数值计算模型采用 建 立 的 数 值 模 型，以 模型模拟围岩力学性态，初期支护采用实体单元，不考虑二衬的作用，支护结构计算参数如表所示。表 支护结构计算参数支护结构容重（）弹性模量 泊松比厚度 初期支护 临时支撑 在模型尺寸上，模型四面边界距隧道边界的距离均大于 倍的隧道开挖半跨。考虑围岩级别为 级、覆土 和 的情形，按有支护和无支护 第 期刘夏冰，等：超大跨隧道分部开挖的压力拱特性分析种工况进行计算。此外，还分析了双侧壁导坑法和三台阶法开挖对压力拱的影响，如图 所示。（）双侧壁导坑法 （）三台阶法图 开挖工法顺序图 计算结果分析 不同覆土时隧道开挖的压力拱规律建立不同隧道覆土的数值计算模型，分析四线隧道压力拱形成的临界覆土值。图 （）为覆土 时拱顶应力路径的计算结果，在覆土 时，能够形成压力拱。对于该四线超大跨隧道而言，计算围岩条件下，形成压力拱的临界覆土值为 ，而根据当前隧道设计规范计算得到的深、浅埋临界覆土值为 （倍的隧道开挖跨度），该范围明显大于数值模拟结果，可能导致根据当前规范经验确定的隧道围岩荷载偏大。基于压力拱理论的研究表明：当隧道覆土小于 ，初期支护 的厚度不足以形成压力拱。当覆土 、采用双侧壁导坑法时，种不同工况的压力拱高度如图 （）所示。（）覆土 时拱顶路径应力曲线（）压力拱高度随开挖步的变化图 隧道覆土对压力拱高度的影响由图 （）可知，无支护工况下，由于 区域的开挖跨度较小，开挖 区域后压力拱的最大高度为 ，且由于中岩柱的临时支撑作用，左、右侧导坑上部形成的压力拱区域未连通。开挖 区域（中岩柱）后，压力拱高度突然增大，表明该区域的开挖对围岩松动区范围有重要影响，压力拱范围明显增加，左、右侧压力拱连通，但整体无法形成有效的压力拱，压力拱的形成受到地表的限制，即隧道覆土和支护结构的施作均对压力拱的形成有决定性影响。施加 初期支护工况下，开挖 区域后，压力拱最大高度为 ，与无支护工况的计算结果接近，但开挖 区域后，压力拱高度依次增加 ，压力拱也得以形成，最终压力拱高度为 。由于及时施作支护结构，支护结构与围岩共同承载，抑制了压力拱继续向地表的发展趋势。图 为隧道覆土 时，支护 和无支护时压力拱高度的变化规律。图 覆土 时压力拱高度变化规律图由图 可知，在 种工况下能有效形成压力拱，但存在一定差异，集中表现在开挖 区域后无支护时压力拱高度增加 ，占最终高度的 ，产生了较大的围岩应力释放；而有支护工况下，开挖 区域后压力拱高度增加约 ，降低了开挖 区域后围岩应力的释放程度，确保了围岩的稳定性。因此，初期支护和临时支撑的施作，北 京 工 业 职 业 技 术 学 院 学 报第 卷不仅产生了减拱作用，还有效避免了施工过程中压力拱高度的突然增大。综上，区域的开挖对压力拱的形成有重要影响，合理开挖中岩柱能降低围岩应力的释放程度，促进压力拱的形成；支护结构的及时施作可以提高围岩稳定性，控制压力拱向地表扩展。定义隧道开挖后竖向应力与未开挖时的原岩应力之比为隧道开挖后围岩的应力增大系数，不同工况下开挖 区域后中岩柱上部围岩竖向应力增大系数分布如图 所示。图 开挖 区域后中岩柱上部围岩竖向应力增大系数分布图由图 可知，无支护工况下靠近中岩柱中心位置有应力集中现象，竖向应力增大系数达到 左右，沿中岩柱中心两侧的应力集中程度逐渐下降，表明该工况下中岩柱两侧产生较多的塑性区，临时承载能力下降。在有支护的工况下，中岩柱的应力集中程度明显减小，竖向应力增大系数范围为 ，靠近开挖区的系数较高，表明及时施作支护结构可提高开挖区域岩体的稳定性。不同初支厚度对压力拱的影响初支厚度对压力拱的形成具有重要影响。计算初支厚度分别为 、时的压力拱高度，结果如图 所示。图 不同初支厚度的压力拱高度图由图 可知，开挖 区域时几种不同初支厚度的压力拱高度差异不大，但随着初支厚度的增大，开挖 区域时的压力拱高度增幅有所变化。相较于无支护计算工况，在 种不同初支厚度的计算工况下，压力拱高度分别减小了 ，。因此，提升初期支护厚度具有减拱作用，但当初支厚度增加到 和 时，二者对压力拱范围的控制差异较小，表明合理的初支厚度可有效促进压力拱的形成，但存在临界点。超出临界厚度范围时，对压力拱范围的控制效果有限，应避免过大的初支厚度而造成设计浪费。开挖工法对压力拱影响图 给出了双侧壁导坑法和三台阶法开挖时的压力拱高度。图 双侧壁导坑法和三台阶法开挖时的压力拱高度图由图 可知，开挖工法对压力拱高度及其形成规律的影响十分明显。当采用三台阶法时，开挖步施工后产生了较大的围岩应力释放，导致隧道的压力拱高度明显向地表方向扩展；开挖步 和 施工后，压力拱高度进一步向地表扩展，最终高度为 。当采用双侧壁导坑法时，及时施作支护结构使压力拱范围得到控制，最终高度为 。施工方法的差异体现为减拱作用，双侧壁导坑法对开挖中岩柱时的压力高度影响更小，对压力拱高度的施工过程控制更好。结论（）采用分部开挖方法使超大跨隧道的压力拱逐步形成，减小了围岩应力的急剧释放程度，避免了压力拱高度的突变。通过合理施作支护结构能有效促使压力拱的形成，控制压力拱向地表急剧扩展。（）及时施作支护结构可提高开挖区域岩体稳（下转第 页）第 期刘夏冰，等：超大跨隧道分部开挖的压力拱特性分析成分 得分和排名可以看出，四川、山东、河南稳居前 ，河北、云南、湖北紧随其后，说明这些地区物流发展较好，与物流供给和第一产业有关。结论本文运用 对全国 个地区的物流产业发展现状进行综合分析评价，通过系统聚类和主成分分析可知，广东和江苏的物流比较发达，而西部一些城市的物流相对落后。因此，在大力发展各地区经济的同时，需要合理调整产业结构，完善物流基础设施，加大对物流产业的投资，从而促进区域经济和物流产业协同发展。参考文献 周晓娟，景志英 基于多元线性回归模型的河北省物流需求预测实证分析 物流技术，（）：李勇 多元回归模型在物流需求分析中的应用 湖南櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞（上接第 页）定，合理的初支厚度可以有效促进压力拱的形成，但超出临界厚度时对压力拱的控制效果有限。（）比较了三台阶法和双侧壁导坑法开挖时压力拱高度的变化规律。不同施工方法对压力拱高度的关键影响步骤存在差别，双侧壁导坑法对开挖中岩柱时的压力高度影响更小，对压力拱高度的施工过程控制更好。通过本文的研究，可为超大跨隧道的支护设计及施工方法选择提供参考依据。参考文献 彭祖昭，封坤，肖明清，等 基于压力拱理论的水下隧道合理覆岩厚度研究 岩土力学，（）：高峰，齐怀远，张捷，等 隧道侧方基坑对隧道上方围岩压力拱的影响 科学技术与工程，（）：昝文博，赖金星，邱军领，等 松散堆积体隧道压力拱效应试验与数值模拟 岩土工程学报，（）：李然，陈平，张顶立，等 大断面三孔小净距隧道围岩稳定性数值研究及工程实践 土木工