淺埋大跨隧道合理施工方法研究

凌云鵬　夏志國　陳禮明(.中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京　00055；.重慶交通建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶　40；.西南交通大學(xué)，四川成都　6009)The Research of the Reasonable Construction Method of the Shallow Bury and Long Span TunnelLING Yunpeng　XIA Zhiguo　CHEN Liming

淺埋大跨隧道合理施工方法研究

凌云鵬1夏志國2陳禮明3(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055；2.重慶交通建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶401122；3.西南交通大學(xué)，四川成都610039)The Research of the Reasonable Construction Method of the Shallow Bury and Long Span TunnelLING YunpengXIA Zhiguo2CHEN Liming3

摘要以昆明鐵路樞紐東南環(huán)線呈貢隧道為工程背景，采用三臺階臨時仰拱法、三臺階環(huán)形開挖留核心土法、三臺階法對隧道施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對不同施工方法下圍巖變形、塑性區(qū)分布、支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和內(nèi)力的比較分析，認(rèn)為三臺階環(huán)形開挖留核心土法既能保證工作面的穩(wěn)定性又能在一定程度上控制圍巖變形，是淺埋大跨隧道比較合理的施工方法。

關(guān)鍵詞隧道施工方法數(shù)值模擬留核心土法

目前針對淺埋大跨度隧道常用的施工方法有三臺階法、三臺階臨時仰拱法、CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺階七步開挖法和環(huán)形開挖留核心土法等[1-3]。這些方法都是把隧道斷面進(jìn)行分割或采用臨時支護(hù)，保證工作面和周邊圍巖的穩(wěn)定性，從而提高隧道的施工安全性。但是這種分割會造成開挖工序的相互影響，限制了大型機(jī)械的使用，并且由于分割開挖造成了圍巖的多次擾動，從而增大了圍巖變形[4-8]，有必要在保證工作面和圍巖穩(wěn)定性的前提下盡量減少施工工序。

以昆明樞紐東南環(huán)線呈貢隧道為背景，利用ABAQUS有限元軟件對三臺階環(huán)形開挖核心土法、三臺階臨時仰拱法和三臺階法三種施工方法進(jìn)行數(shù)值模擬，研究在這三種施工方法下的圍巖變形和塑性區(qū)分布范圍以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性等，得出最合理的施工方法，為類似工程提供一定的參考和依據(jù)。

1計算模型及力學(xué)參數(shù)

1.1　計算模型

呈貢隧道全長855 m，最大拱頂埋深約28 m，屬于淺埋隧道。選取暗挖段某一典型斷面作為計算模型，斷面埋深20 m，Ⅵ級圍巖，隧道高度為13.50 m，最大跨度為15.20 m。

三維模型的邊界范圍為：水平方向上從隧道中心線至左右邊界距離分別為40 m，隧道底部至模型下邊界的距離為15 m，隧道縱向上長度為45 m，隧道拱頂至模型上表面距離為20 m。在邊界約束方面，模型頂部為自由面，不施加約束，其余各面都施加法向約束。模型中圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)采用六面體八節(jié)點縮減積分實體單元，不同施工方法的模型圖如圖1所示。

1.2　計算參數(shù)

隧道周邊圍巖情況較差，屬于Ⅵ級圍巖，采用D-P線性本構(gòu)模型，初期支護(hù)和二次襯砌采用彈性本構(gòu)模型。圍巖、初期支護(hù)和二次襯砌力學(xué)參數(shù)見表1。

1.3　計算工況

本次計算采用三臺階環(huán)形開挖留核心土法、三臺階臨時仰拱法和三臺階法三種工況來模擬隧道的施工過程，不同開挖方法施工工序如表2所示。

2結(jié)果分析

2.1　隧道圍巖變形分析

在隧道開挖過程中，圍巖變形對隧道與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用。隧道開挖完成后，不同施工方法下的圍巖變形量如表3所示。為了反映隧道開挖過程中開挖步(研究斷面距工作面距離)對拱頂沉降的大小，同時為了消除邊界效應(yīng)的影響，選取中間斷面(模型縱向22.5 m處)為研究斷面，得出不同施工方法下研究斷面拱頂下沉量隨開挖步的變化曲線(如圖2所示)。

對比三種施工方法圍巖位移，不管是豎向位移值還是水平位移值，都是三臺階法最大，三臺階環(huán)形開挖留核心土法次之，三臺階臨時仰拱法最小，這主要是由于三臺階臨時仰拱法在隧道開挖后及時施作臨時拱，使得初期支護(hù)閉合時間較早，圍巖應(yīng)力釋放比較小，從而引起拱頂沉降量比較小。

從不同施工方法下拱頂沉降量隨開挖步變形曲線可知，在采用不同的施工方法開挖隧道過程中，隧道拱頂都會產(chǎn)生一定的先行位移，一般占總位移的15%～20%左右，開挖上臺階產(chǎn)生的拱頂沉降量占總位移的35%左右，中、下臺階和仰拱開挖所占的位移占15%左右，開挖完畢后，拱頂沉降仍會繼續(xù)，而增量比較小，此時圍巖變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

2.2　圍巖及工作面塑性區(qū)分析

隧道開挖完成后，不同施工方法下隧道圍巖和工作面塑性區(qū)分布和統(tǒng)計分別如圖3～圖5和表4所示。

對比三種施工方法圍巖塑性區(qū)分布，隧道開挖過程中，上臺階整個工作面都進(jìn)入塑形狀態(tài)，中臺階和下臺階塑性區(qū)主要分布于臺階的兩側(cè)。不管是工作面塑性區(qū)分布范圍，還是塑性區(qū)深度，三臺階環(huán)形開挖留核心土法都最小，說明上臺階預(yù)留核心土對于工作面穩(wěn)定性具有重大的貢獻(xiàn)。

通過對圍巖塑性區(qū)深度進(jìn)行對比分析可知，三臺階環(huán)形開留核心土和三臺階法塑性區(qū)最大深度基本相同，均為5 m左右，三臺階臨時仰拱法圍巖最大塑性區(qū)深度最小，為3 m左右，這說明三臺階臨時仰拱法對控制圍巖的最大塑性變形效果比較好，這主要是由于三臺階臨時仰拱法及時閉合初期支護(hù)，對圍巖的擾動比較小，從而使隧道邊墻處圍巖產(chǎn)生的應(yīng)力集中程度也比較小。

2.3　支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

選取中間斷面(模型縱向22.5 m處)為研究斷面，不同施工方法下斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力、彎矩和安全系數(shù)如表5所示。

對比三種施工方法支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，其安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的數(shù)值，說明這三種施工方法均能保證隧道在施工期間的安全性；同時三臺階臨時仰拱法支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大，三臺階環(huán)形開挖留核心土法次之，三臺階法最小，這主要是三臺階臨時仰拱法及時封閉支護(hù)結(jié)構(gòu)，而三臺階環(huán)形開挖留核心土法開挖時在上臺階預(yù)留核心土，使得圍巖應(yīng)力釋放相對比較小的緣故。

3結(jié)論

采用三種施工方法模擬隧道的施工過程，通過對圍巖變形、塑性區(qū)分布以及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行比較分析，可以得出以下幾條結(jié)論。

(1)隧道開挖過程中，圍巖變形趨于穩(wěn)定，三臺階法產(chǎn)生的變形最大，三臺階環(huán)形開挖留核心土法次之，三臺階臨時仰拱法最小。對比三種工法對工作面縱向位移的約束效果，三臺階環(huán)形開挖留核心土法要大于三臺階臨時仰拱法，三臺階法最差。

(2)在隧道開挖過程中，三臺階環(huán)形開挖留核心土法能夠有效的減小工作面的塑性區(qū)深度和范圍，從而保證隧道工作面的穩(wěn)定性。

(3)三種工況支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)：三臺階臨時仰拱法>三臺階環(huán)形開挖留核心土法>三臺階法，其值均大于規(guī)范規(guī)定的2.0，說明這三種施工方法均能保證隧道在施工期間的安全性。

(4)三臺階臨時仰拱法開挖后及時施做臨時仰拱，可以很好的控制圍巖變形和地表沉降，但由于及時封閉支護(hù)結(jié)構(gòu)，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)受力比較大，且實際施工過程中，需要施做和拆除臨時仰拱，費時費力，且提高了工程造價。三臺階法支護(hù)結(jié)構(gòu)封閉比較晚，圍巖變形、地表沉降比較大，且上臺階開挖斷面較大，工作面穩(wěn)定性比較差。三臺階環(huán)形開挖留核心土法在上臺階預(yù)留核心土，減小了工作面塑性區(qū)范圍和深度，保證了工作面的穩(wěn)定性，且圍巖變形和地表沉降處于一個可控制的范圍內(nèi)。因此，三臺階環(huán)形開挖留核心土法能夠很好地解決呈貢隧道工作面的穩(wěn)定性和施工安全性問題，是比較合理的施工方法。

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中圖分類號：U459.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)05-0047-03

作者簡介：第一凌云鵬(1988—)，2014年畢業(yè)于西南交通大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)，碩士，助理工程師，E-mail:ling881020@126.com。

收稿日期：2015-08-10