无导洞法双连拱隧道施工方案优化研究_尹镖.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022无导洞法双连拱隧道施工方案优化研究 尹镖,许白杨,庞雷(四川省交通建设集团股份有限公司,成都 610047)摘要:目前,传统的连拱隧道施工方法存在施工工序多、临时支护量大、对围岩扰动频繁等问题。为了避免上述问题,以宜金高速黄角坪隧道工程为依托,提出了两种无中导洞法施工方案,通过数值模拟建立地层结构模型,详细分析了不同方案施工过程中围岩的变形特性以及结构的受力特征。研究表明:后行洞开始掘进时,围岩位移和塑性区会明显增大,最终拱顶处形成一个“人字形”塌落拱;初期支护和二次衬砌上的最大压应力都是位于先行洞中墙墙脚位置;二次衬砌的最大拉应力主要位于拱顶内侧或仰拱内侧,而初期支护的最大拉应力很小影响不大;总体来看,方案一施工效率较高,方案二相对保守安全。研究成果可为今后无中导洞双连拱隧道的施工提供参考和借鉴。关键词:双连拱隧道;数值分析;施工方案;施工力学;无中导洞法中图分类号:U455.41文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0777-08Study on Optimization of Construction Scheme of Double-Arch Tunnel without Middle DriftYin Biao,Xu Baiyang,Pang Lei(Sichuan Transportation Construction Group Co.,Ltd.,Chengdu 610047,P.R.China)Abstract:At present,there exist some problems in the traditional double-arch tunnel construction method,such as complicated construction procedures,a large number of temporary supports and the effect of frequent disturbance on surrounding rock.In order to avoid the above problems,based on a double-arch tunnel project of Yijin freeway,this paper puts forward two construction schemes without middle drift,and then uses numerical simulation method to analyze the stability and deformation of surrounding rock and the mechanical characteristics of the structure in the different construction schemes.The results show that the displacement and plastic zone of surrounding rock will increase obviously when the second tunnel is excavated subsequently,and then a herringbone collapsing arch is formed above the crown of the second tunnel.The maximum compressive stress of the preliminary support and the secondary lining is located at the foot of the wall in the first tunnel.The maximum tensile stress of the secondary lining is mainly located at the inner side of the crown or invert,while the maximum tensile stress of the primary support is small.Overall,scheme 1 has higher construction efficiency,and scheme 2 is relatively conservative and safe.The research results have great significance for theory and practice,and also provide a reference for the construction of double-arch tunnel without middle drift in the future.Keywords:double-arch tunnel;numerical analysis;construction scheme;construction mechanics;tunnel construction without middle drift收稿日期:2022-02-21(修改稿)作者简介:尹镖(1987),男,四川绵阳人,工程师,主要从事隧道工程建设管理工作。E-mail:1006174765 基金项目:川交建公路科研项目(2021YJXJ25-007)0引言随着国民经济的发展和西部大开发战略的深入,山区公路隧道的建设规模逐年加大,其中双连拱隧道具有占用地面积少,桥隧衔接顺畅,线路布设方便等优势而被广泛应用。双连拱隧道的传统施工工法是中导洞法和三导洞法1。三导洞法是将连拱隧道开挖面分为 3 个小洞室(1 个中导洞和2 个侧导洞),其中中导洞超前两侧导洞;而中导洞法是指隧道中导洞先施工,再向两侧拓展新洞室的开挖方法2。目前,针对中导洞法和三导洞法,学者们已经在围岩与隧道结构稳定性分析3-5、施工工序优化6-7,中隔墙施工力学行为8-9,现场监控量测分析10-11等方面开展了较为系统的研究。研究和实践表明,无论采用三导洞法还是中导洞法,都存在施工工序多、临时支护量大,对围岩扰动频繁等问题,导致工期冗长且造价较高。近几年来,随着施工水平的提高,双连拱隧道施工发展出一种新工法无中导洞法。该工法按两个独立的隧道先后施工考虑,并取消了中导洞施工工序,可有效缩短工期,降低造价。然而,研究发现12无导洞法施工过程中,两隧道间存在相互影响,其中后行洞开挖对先行洞影响很大。为此,一些学者在无中导洞连拱隧道的结构设计和施工方法等方面开展了研究,但是其主要集中在无中导洞扩挖法和扩大拱脚法13-18,关于对称的无中导洞连拱隧道开挖的研究不多。李龙喜等19针对无导洞连拱隧道后行洞不同开挖方法,从围岩与结构受力特性,施工可操作性以及经济性等方面进行了综合评价;刘昆钰等20采用极限分析有限元法对无中导连拱隧道后行洞施工的各个开挖阶段进行了强度折减分析,得到了不同施工阶段的稳定系数。然而,以上研究仅进行了初步的定性分析,缺乏更深入而细致的数值试验验证。总之,目前关于无中导洞对称开挖工法的实际应用较少,相关研究尚不充分,特别是关于施工方案的优化研究较为欠缺。因此,本文以宜金高速黄角坪隧道为工程背景,结合地质特点和施工条件,提出了两种无中导洞法施工方案,采用数值模拟的方法,分析了不同施工过程中围岩稳定性,位移变形以及结构受力特征,从而确定不同方案的适用性。研究成果可直接指导黄角坪隧道工程建设,具有较强的现实意义和理论价值,并为今后双连拱隧道无导洞法的施工提供参考和借鉴。1依托工程1.1工程背景黄角坪隧道位坐落于金阳县德溪乡至热水河乡,属于 G4216 线屏山新市至金阳段高速公路控制性工程。隧道采用双洞八车道设计,设计速度为80 km/h,最大纵坡为 3%,最小纵坡为 0.3%。该隧道全长约 6.5 km,从进口到出口依次为分离段,小净距段和连拱段,其中隧道出口处的连拱段即为本文研究对象。双连拱段最大埋深约 280 m,穿越地层为震旦系上统灯影组(Zbd)白云岩,岩体较破碎,自稳能力差,局部无自稳能力,地下水不发育,呈点滴状出水,属于 V 级围岩。围岩的物理力学参数如表 1所示。表 1围岩物理力学参数Table 1Physico-mechanical parameters of surrounding rock重度/(kNm-3)变形模量E/GPa泊送比 内摩擦角/()黏聚力c/MPa18.51.50.423.50.125隧道采用钻爆法进行施工,隧道衬砌设计为复合式衬砌。初期支护采用厚度 26 cm 的 C25 喷射混凝土,内设 I20b 型钢拱架,纵向间距 60 cm;拱间采用小导管注浆加固,周边布设系统锚杆;二次衬砌采用厚度为 60 cm 的 C30 钢筋混凝土,如图 1 所示。1.2拟定方案根据工程背景和围岩条件,本文拟定 2 种施工方案:先行洞采用两台阶预留核心土法,后行洞采用三台阶预留核心土法;先行洞采用三台阶预留核心土法,后行洞采用交叉中隔壁法。具体施工方案如图 2 和表 2。877地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷图 1隧道衬砌及其设计参数Fig.1Tunnel lining and its design parameters图 2拟定施工方案Fig.2Proposed construction schemes2有限元数值计算2.1模型建立本文选取浅埋区间内具有代表性的 148+300断面,该处隧道埋深为 40 m。然后采用 FLAC3D软件建立二维地层结构模型,模型厚度取 1 m。为了消除边界效应的影响,左右边界取隧道开挖宽度的 3 倍,下边界取隧道开挖高度的 3 倍,因此整个模型尺寸 XYZ=200 m1 m80 m,如图 3 所示。模型上表面施加竖向应力,其余各面均施加法向位移约束。计算模型中单元类型均为实体单元,初期支护及二次衬砌结构采用弹性模型,并假定围岩与初期支护、初期支护与衬砌都是紧密接触。此外,围岩假定为理想弹塑性材料,进入塑性区即认为损坏。摩尔 库仑本构模型中岩石单元体发生剪切破坏和拉伸破坏的判据为:表 2拟定方案工序Table 2Proposed construction procedures先行洞后行洞方案一上台阶弧形导坑开挖上台阶初期支护施作上台阶核心土开挖下台阶土体开挖下台阶初期支护施作二次衬砌施作上台阶弧形导坑开挖上台阶初期支护施作上台阶核心土开挖上台阶临时仰拱施作?I1中台阶土体开挖?I0中台阶初期支护施作?I3下台阶土体开挖?I4下台阶初期支护施作?I5拆除临时仰拱?I6二次衬砌施作方案二上台阶弧形导坑开挖上台阶初期支护施作中台阶土体开挖中台阶初期支护施作核心土体开挖下台阶土体开挖下台阶初期支护施作二次衬砌施作左侧上断面土体开挖左侧上断面初期支护和临时支撑施作?I1右侧上断面土体开挖?I0右侧上断面初期支护和临时支撑施作?I3左侧下断面土体开挖?I4左侧下断面初期支护和临时支撑施作?I5右侧下断面土体开挖?I6右侧下断面初期支护?I7 分 段 拆 除 所 有 临 时支撑?I8二次衬砌施作9772022 年增刊 2尹镖:无导洞法双连拱隧道施工方案优化研究图 3计算模型Fig.3Calculation modelFs=2c1+sin1-sin+31+sin1-sin-1(1)Ft=3-t(2)式中:Fs为剪切破坏判据值;1和 3分别为最大主应力和最小主应力;c 为凝聚力;为内摩擦角;Fs为抗拉强度破坏判据值;t为抗拉强度。当 Fs0 时,单元体未发生剪切破坏;当 Fs0时,单元体发生剪切破坏。判断单元体拉伸破坏同理。隧道初期支护以及二次衬砌的计算参数