超浅埋大跨度隧道节能环保开挖方案研究.pdf

doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.04.044 超浅埋大跨度隧道节能环保开挖方案研究 邵 行 1，刘晓旭2，李为腾2，亓传德2（1.山东省交通规划设计院集团有限公司，山东 济南 250101；2.山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590）摘要：本文以保证施工安全、保护地表环境、节能减排为原则，基于 ABAQUS 有限元软件建立超浅埋大跨度隧道台阶法、CD 法、CRD 法三种不同开挖方式下的数值模型，分析由开挖引起的土体应力场、衬砌应力场及土体竖向位移，评估不同开挖方法对结构的影响，并结合盖挖法，从环保、节能的角度，选择台阶法作为合理的开挖工法，并根据监测数据对现场实际施工进行了验证。关键词：节能环保；超浅埋隧道；数值模拟；开挖方案；稳定分析 中图分类号：U455.41+1 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）04-0212-05 Study on Energy saving and Environmental Protection Excavation Scheme of Ultra-shallow Large-span Tunnel SHAO Xing1,LIU Xiaoxu2,LI Weiteng2,QI Chuande2(1.Shandong Provincial Communication Planning and Design Insitute Group Co.,Ltd.,Jinan Shandong 25010,China;2.School of Civil Engineering and Architecture,Shandong University of Science and Technology,Qingdao Shandong 266590,China)Abstract:Based on the principles of ensuring construction safety,protecting surface environment,and saving energy and reducing emission,this paper establishes numerical models of ultra-shallow large-span tunnel under three different excavation methods based on ABAQUS finite element software,analyzes the soil stress field,lining stress field and vertical displacement of soil due to excavation,evaluates the influence of different excavation methods on the structure,and selects the step method as a reasonable excavation method from the perspective of environmental protection and energy saving.Key words:energy conservation and environmental protection;ultra-shallow tunnel;numerical simulation;excavation scheme;stability analysis 0 引言 随着我国交通设施的迅速发展，隧道等地下交通因其方便快捷的特征已成为当前交通系统的重要组成部分。超浅埋隧道是当前应用较广泛且施工难度较大的隧道，尤其三车道及以上的大跨度隧道，因其埋深浅、跨度大的特性，地层拱效应作用不能保证隧道 收稿日期：2023-03-24 基金项目：山东省交通运输厅科技计划（2020B70）作者简介：邵行（1991-），男，山东临沂人，硕士，工程师，研究方向为隧道与地下工程.（）上覆土压力小于覆土自重1，隧道洞身段围岩岩体受力特征复杂，开挖过程中隧道变形较大，塌方风险大。通过现场实际勘探，结合水文、地层、温度、地貌等特征选择合理的施工工法可有效降低施工过程中冒顶、塌方等危险事故的概率2。而且浅埋塌方容易破坏地表环境，采用明挖或盖挖施工，安全系数高，但对环境扰动大，尤其需要重新开挖施工便道和施工工第 4 期 邵行等，超浅埋大跨度隧道节能环保开挖方案研究 213 作面，因此合理的暗挖方案在保证隧道安全的同时，也能保护环境，减少混凝土、钢材等材料损耗，节能减排。有限元分析法在当前隧道开挖模拟的理论计算与研究中有着广泛的应用。王军祥等3利用 ABAQUS软件建立隧道三维模型，模拟计算不同施工步下围岩应力场、位移场和衬砌的受力情况，并运用正交设计法分析影响围岩稳定性的各项因素。朱卫东4依托王岗山隧道研究超大断面软岩隧道开挖施工变形情况，利用 ABAQUS 软件数值模拟分析三台阶法开挖对隧道围岩位移和衬砌变化等相关因素的影响，得到开挖最优进尺及初支形式与参数。鲍先凯等5依托花椒箐软岩隧道研究不同施工工法对软岩隧道施工的适用性，采用 MIDAS/GTS 软件进行数值模拟分析，从位移、应力、塑性区等数据进行对比分析，最终选取预留核心土法进行施工。本文根据隧道工程地质情况，针对不同的施工工法，运用 ABAQUS 软件模拟隧道开挖过程，分析对比 3 种开挖方法下隧道周身围岩位移及应力的变化规律，选取安全、经济的开挖方案，保证施工安全的同时，节材减排，低碳节能。同时根据现场监测数据进行验证，为浅埋偏压隧道开挖设计与施工提供参考。1 工程概况 1.1 齐长城隧道工程地质情况 拟建齐长城隧道位于青岛市西海岸新区，根据现场工程地质调查、测绘及钻孔揭示地层情况，本场地所在工程地质分区为构造剥蚀区，地貌类型为剥蚀残丘。左线隧道存在一段约 40m 的浅埋段，洞身周围围岩主要为燕山晚期花岗岩（53）和燕山早期黑云二长岩（51），受构造作用影响，局部岩体节理、裂隙极发育，洞顶主要为全风化岩体。1.2 齐长城隧道结构设计 齐长城隧道暗挖段按新奥法原理设计，采用复合式衬砌结构。初期支护采用锚杆、钢架、钢筋网和喷射混凝土联合支护：超前砂浆锚杆直径为 22mm，长为 4.5m，环向间距 40cm 布置；钢拱架采用间距为 1m的钢架；钢筋网的直径为 8mm，间距为 20cm 20cm；喷射混凝土采用厚度为 25cm 的 C25 喷射混凝土。二次衬砌采用厚度为 50cm 的 C30 素混凝土。隧道内轮廓采用三心圆形式，净高 8.19m，净宽14.7m，设计时速为 80km/h，内轮廓图如图 1 所示：图 1 隧道内轮廓图 Fig.1 Tunnel contour map 2 暗挖工法数值模拟研究 该隧道的浅埋段开挖拟采用台阶法、CD 法、CRD法进行比较。台阶法施工就是将结构面分成上下两个断面或几个断面分步开挖，开挖方式可根据地层条件、断面大小和机械配备情况合理选用6。CD 法又称中隔壁法，是在隧道开挖过程中，先分部开挖隧道的一侧，并施作中隔壁，然后再分部开挖另一侧的施工方法7。CRD 法又称交叉中横隔壁法，是在隧道开挖过程中，先分部开挖隧道的一侧，施作中隔壁和横隔板，再分部开挖隧道另一侧并完成横隔板施工的施工方法8-10。采用 ABAQUS 有限元软件模拟开挖时引起的应力场和位移分布关系从而选择最为合适的工法进行开挖，保证隧道顺利穿越。2.1 计算模型的建立 开挖深度较浅，施工时风险较大，采用 ABAQUS有限元软件对开挖施工进行数值模拟，考虑到模型缩小时的尺度效应和边界效应，模型宽度取大约 5 倍隧道宽度，宽度 80m；隧道底部基岩主要为花岗岩，地质条件较好，模型深度取到隧道底部以下 3 倍洞径左右，高度为 40m；CD 法、CRD 法隧道深度方向取 1m，台阶法隧道深度方向为 6m，隧道埋深均为 4m；建立80 40 1 与 80 40 6 的模型进行受力分析。（a）台阶法 214 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 （b）CD 法 （c）CRD 法 图 2 三维计算模型示意图 Fig.2 Schematic diagram of 3-dimensional calculation model 计算采用的边界条件为：模型的侧面边界受水平位移约束；下部边界受到竖向位移约束；地表为自由边界，不受任何约束。2.2 计算模型的材料参数 隧址区为级围岩，模拟计算时假设围岩为单一、均质的连续介质，其物理力学性质根据工程地质勘察资料并结合规范来取值，如表 1 所示。初期支护采用C25 喷射混凝土，其参数取值见表 2。表 1 围岩的物理力学参数 Tab.1 Physico-mechanical parameters of surrounding rock 材料名称 弹性模量/GPa 泊松比 重度/（kN m3）凝聚力/MPa 摩擦角/围岩 0.38 0.35 23 0.1 38 表 2 支护结构的物理力学参数 Tab.2 Physico-mechanical parameters of support system 材料名称 标号 弹性模量/GPa 泊松比 重度/kN m3 厚度/cm 喷射混凝土 C25 23 0.25 22 25 超前砂浆锚杆的加固效果，根据经验通过提高围岩的物理力学参数来模拟。锚杆的作用效果根据公路隧道设计规范建议，级围岩可将加固区的围岩凝聚力提高 20%来处理。计算没有考虑钢筋网的作用效果作为结构的安全储备。2.3 施工步骤模拟 齐长城隧道的模拟施工步骤，分别为设计阶段推荐采用的 CRD 法和施工单位实际采用的下断面左右分步台阶法。图 3 所示为这两种开挖方法的施工工序示意图，图中的数字表示依次开挖的断面顺序编号。（a）台阶法 （b）CD 法 （c）CRD 法 图 3 开挖方案示意图 Fig.3 Schematic diagram of tunneling schemes 本文在模拟台阶法时每步掘进 3m，分 5 次开挖完成；模拟 CRD 法、CD 法时，每步掘进 1m，由于问题的复杂性，没有涉及临时支护的拆除问题，复合式衬砌中的二次衬砌这里也不再进行模拟。2.4 衬砌最大主应力 不同工法开挖引起的衬砌应力模拟结果为：（1）采用台阶法开挖时，衬砌整体应力分布呈对称形式，拱顶位置产生一个拉应力集中区，应力值为7.855 102MPa，在拱顶两侧力拱顶较劲的位置应力第 4 期 邵行等，超浅埋大跨度隧道节能环保开挖方案研究 215 由拉应力转为压应力，两侧拱肩位置对称产生两个压应力集中区，应力值为 1.895 101MPa，从拱肩到拱底压应力逐渐减小。（2）CD 法开挖时，拉应力最大值发生在中隔壁顶部与衬砌连接处，应力值为7.364 102MPa；以该连接处为分界线，顶部衬砌左侧为拉应力，右侧为压应力；衬砌左侧拱脚位置产生一个复杂应力区，该处具有多个拉压应力集中区，最大压应力为 1.788 101MPa。（3）CRD 法开挖时，中隔壁上 部 两 侧 产 生 两 个 拉 应 力 集 中 区，应 力 值 为1.723MPa，顶部衬砌以中隔壁顶端为分界点，左侧为压应力区，右侧为拉应力区；整体应力趋势由上往下逐渐减小。三种开挖方式引起的衬砌应力分布规律各不相同，但均有多个应力集中区，采用 CRD 法施工时衬砌产生的应力值最大，为 1.886MPa；台阶法和 CD 法施工时衬砌应力大小近似。不同工法开挖引起的土体竖向位移模拟结果经处理后如图 4 所示：三种开挖方法引起的土体纵向位移分布规律大致趋势相同，且呈对称形式；沉降最大值均发生在拱顶位置，采用 CRD 法开挖时拱顶沉降最大，为 4.153mm，台阶法和 CD 法开挖时拱顶沉降分别为 0.422mm、0.419mm；由隧道拱顶位置到拱底位置位移逐渐减小，位移最小值发生在拱底位置，采用台阶