佛岭长大隧道洞口段施工方案优化研究（5页）.pdf

1、?公路? 2009 年 11 月? 第 11 期? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? HIGHWAY? Nov ?2009? No ? 11?文章编号: 0451- 0712( 2009)11- 0237- 04? ? ? ? 中图分类号: U455 ?4? ? ? ? 文献标识码: A佛岭长大隧道洞口段施工方案优化研究方 ? 昱1, 方惠钦1, 刘保国2, 张志刚3( 1? 安徽省高速公路总公司? 合肥市? 230001; 2 ? 北京交通大学土木工程学院? 北京市? 100044;3 ? 中交公路规划设计院有限公司? 北京市? 1000

2、88)摘? 要: 绩黄高速佛岭长大隧道洞口段存在埋深浅、 围岩自稳能力差的特点, 采用 FLAC3D 程序对拟定的预留核心土法、 CD 法、 中隔壁法(CRD) 和单侧壁导坑法、 双侧导坑法, 进行了施工过程的三维数值模拟。以不同方法施工过程中的围岩变形、 塑性区体积和支护材料用量作为考察指标, 经过技术和经济综合比选, 最终确定采用单侧壁导坑法为最优工法, 为佛岭隧道洞口施工提供了指导。关键词: 长大隧道; 洞口施工; 数值模拟; 方案比选? ? 隧道洞口的安全, 关系到隧道能否顺利进洞并安全施工, 是隧道施工的重要环节。目前, 对隧道洞口开挖引起的边坡变形、 应力场和位移场的重分布及边坡稳

3、定性研究已经取得一些成果。隧道施工是一个复杂的岩体反复加卸载过程, 不同施工方法, 施工过程也是不相同的, 因而, 必将给围岩带来不同的力学效应。尤其是浅埋隧道洞口, 一般受强烈地质风化作用, 围岩大多软弱破碎, 此时, 应谨慎选择施工方法以尽量减少隧道开挖引起的围岩变形, 最大限度地减小对围岩的扰动。但同时, 也要考虑施工方法的可操作性和经济性, 在保证施工安全和工程质量的前提下, 尽可能降低工程造价和缩短工期也是洞口施工方案选择必须面临的问题。结合绩黄高速佛岭长大隧道洞口段施工, 采用三维数值模拟技术, 对常用工法对进口段洞口稳定性的影响规律, 结合技术经济分析, 最终提出佛岭隧道洞口段最

4、为安全可靠与经济合理的施工方法, 其成果对类似工程有良好的借鉴作用。1? 工程概况佛岭隧道设计为双车道分离式隧道, 左线长3 904 m, 右线长 3 704 m, 该隧道洞口段左、 右线平均中心间距仅为 39 m, 右线隧道比左线隧道晚进洞 30 m。佛岭隧道左线绩溪端洞口位于山谷斜坡坡脚位置, 隧道入口处坡向朝北, 山坡自然坡度约 20?, 上覆角砾土层厚约 0 ?5 2?0 m, 洞门岩石为砂岩与泥岩岩组, 洞门以后夹薄层花岗闪长岩。隧道右线绩溪端右线洞口位于山谷斜坡坡脚位置, 隧道入口处坡向朝北, 山坡自然坡度约 30? 40?, 上覆角砾土层厚约 0 ?5 2 ?0 m, 下伏基岩为

5、砂岩。尽管砂岩为厚层状, 但节理裂隙发育, 岩石较破碎, 强度较低, 隧道入口处 上 部 13 m 围岩 纵波 速 度 Vp= 750 1 700 m/ s, 13 m 以下围岩纵波速度 Vp= 2 5004 000 m/ s, 围岩为 V 级, 因此成洞条件较差, 围岩易产生坍塌、 冒顶。2? 施工方法比选从隧道围岩力学响应和技术经济两个角度, 进行施工方案的比选, 并着眼于确保施工安全和节省工程造价, 为工程提供建议的施工方法和支护参数。2 ? 1? 计算模型计算中, 采用三维地层结构模型, 为便于对比, 5种工法均采用相同尺寸、 地层参数、 计算参数以及相同边界约束条件的计算模型。模型水

6、平方向长度 130 m; 模型垂直方向从隧底到底部边界取 30 m; 纵向长度取 90 m 范围; 上部为模拟地表起伏的自由边界; 模型左、 右、 前、 后和下部边界均施加法向约束, 地表不受任何约束, 见图 1所示。基金项目: 科技部 863 计划!资助课题; 安徽省交通厅 通达计划!资助课题收稿日期: 2009- 03- 22图 1? 计算模型2 ?2? 计算参数采用三维计算分析, 围岩材料采用摩尔- 库仑模型, 喷射混凝土采用弹性材料。锚杆采用?25 mm中空注浆锚杆, L= 4 ?0 m, 间距为 75 cm 100 cm; 隧道初期支护采用 25 cm 厚的喷射 C20 早强混凝土。

7、计算中采用的力学参数见表 1。钢拱架的作用采用等效方法予以考虑, 即将钢拱架弹性模量折算给混凝土, 计算方法为:E= E0+Sg EgSc( 1)表 1? #级围岩物理力学参数类? ? 别容重kN/ m3弹性模量GPa泊松比黏聚力M Pa内摩擦角/ (?)围? ? 岩18 ? 01 ? 50 ? 40 ? 1525C20 混凝土2510 ? 50 ? 25-式中: E 为折算后混凝土的弹性模量; Eo为原混凝土的弹性模量; Sg为钢拱架截面积; Eg为钢材的弹性模量; Sc为混凝土截面积。2 ?3? 数值模拟采用岩土工程软件 FLAC3D进行隧道施工的三维数值模拟, 计算时, 岩体初始应力场仅

8、考虑自重应力。2 ?3 ? 1? 单元划分围岩均采用八节点六面体实体单元加以模拟,根据佛岭隧道初步设计资料, 确定喷射混凝土和锚杆的布置位置及力学参数。喷射混凝土采用壳( shell) 单元, 锚杆采用杆( cable) 单元。各种工法划分的单元数目, 见表 2。2 ?3 ? 2? 施工工序对于模拟的所有工法, 均考虑左、 右线错开30 m距离开挖, 即左线先开挖 30 m 后, 左右线再同?表 2? 不同工法数值模型单元数目工? ? 法预留核心土法单侧壁导坑法双侧壁导坑法CD 法CRD 法单元数量62 04073 62473 62461 36861 368时开挖。另外, 隧道施工时支护总是滞

9、后开挖一段时间。每开挖步进尺为 1 m, 锚喷支护滞后 1 m, 锚杆以梅花形布置。各种工法的模拟工序见图 2所示。图 2? 不同工法开挖工序2 ? 3 ?3? 数值模拟结果分析通过模拟计算分析, 考察不同工法动态施工隧道围岩关键点的位移和塑性区的体积, 以评判每种238? ? ? ? ? ? ? ?公? ? 路? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2009 年? 第 11 期?工法在技术上的优劣。首先, 分析模型中的左线隧洞进深为 0?5 m( 即Y= 0 ?5 m) 和右线隧洞进深为 0?5 m ( 即 Y =30 ?5 m) , 通过这些数据对 5 种工法进行比较。(

10、1) 拱顶沉降。如表 3、 表 4 所示, 采用双侧壁导坑工法时, 围岩竖向位移及其范围均小于其他工法。将 5 种工法模拟计算至 60 步时, 所得的左线 Y= 0?5 m 断面和右线 Y= 30 ?5 m 断面处, 对隧洞拱顶沉降曲线进行直观的比较, 见图 3、 图 4 所示。表 3? 5 种工法左线 Y= 0?5 m 断面最大拱顶沉降施工方法拱顶下沉/ ( 10- 1mm)预留核心土法- 8?14单侧壁导坑法- 6?04双侧壁导坑法- 5?59CD 工法- 8?31CRD 工法- 7?97表 4? 5 种工法右线 Y= 30 ? 5 m 断面最大拱顶沉降施工方法拱顶下沉/ ( 10- 1m

11、m)预留核心土法- 11 ? 26单侧壁导坑法- 8?92双侧壁导坑法- 8?33CD 工法- 11 ? 36CRD 工法- 10 ? 38图 3? 左线隧道 Y= 0?5 m 断面拱顶沉降曲线% 采用双侧壁导坑法拱顶下沉值最小, 而单侧壁导坑 法拱 顶 沉降 与之 接 近, 相 差 最大 仅 为7 ?45%, 可以认为两者在拱顶沉降上没有区别, 而其他 3 种工法拱顶沉降明显大于这两种工法。& 各工法均采用了分步开挖方式, 但是从图中各曲线可以看到, 双侧壁导坑法和单侧壁导坑法得?图 4? 右线隧道 Y= 30 ? 5 m 断面拱顶沉降曲线到的位移曲线变化速率相对较缓, 这也说明了这两种工法

12、较其他 3种工法的优越性。( 2) 拱腰水平收敛。将模拟计算所得的左线 Y= 0 ?5 m 和右线 Y=30?5 m 断面拱腰水平收敛曲线进行直观的比较, 见图 5、 图 6 所示, 具体数值见表 5、 表 6。表 5? 5种工法左线 Y= 0 ? 5 m 断面最大水平收敛施工方法拱腰水平收敛/ ( 10- 1mm)预留核心土法15 ? 31单侧壁导坑法11 ? 81双侧壁导坑法11 ? 12CD 工法14 ? 47CRD 工法12 ? 13239?2009 年? 第 11 期? ? ? ? ? ? ? 方? 昱等 : 佛岭长大隧道洞口段施工方案优化研究表 6? 5 种工法右线 Y= 30 ?

13、 5 m 断面最大水平收敛施工方法拱腰水平收敛/ ( 10- 1mm)预留核心土法13?29单侧壁导坑法10?99双侧壁导坑法10?83CD 工法12?62CRD 工法14?28对于水平收敛, 其规律与拱顶沉降完全相似。双侧壁导坑法水平收敛值最小, 而单侧壁导坑法与之接近, 相差最大仅为 5 ?84%, 可以认为两者在水平收敛上也没有区别, 而其他 3 种工法水平收敛明显大于这两种工法。可见,从围岩关键点变形来看, 可优先选择双侧壁导坑或单侧壁导坑法,其余工法均会产生较大位移。( 3) 围岩塑性区体积。由数值模拟计算, 5 种不同施工方法隧道围岩塑性区体积见表 7, 可见预留核心土法塑性区体积

14、最大, CD法次之, 双侧壁导坑法产生的塑性区体积最小, 对隧道安全施工较为有利, 单侧壁导坑法塑性区体积与双侧壁导坑法相差不大。表 7? 五种工法塑性区体积m3施工方法预留核心土法单侧壁导坑法双侧壁导坑法CD 工法CRD 工法塑性区体积12 3019 9188 78710 98110 0242 ?4? 技术经济比选假设各种工法洞室初期支护所用材料相同, 材料参数一致, 进行方案比选时, 直接比较其临时支护所用材料即可, 这里仅比较临时支护所用的喷射混凝土体积和临时钢支撑的重量。参数如下: 临时钢支撑材料为 I20 b 工字钢, 重量为 31 ?1 kg/ m, 沿隧道纵向间距 1 ?0 m;

15、 喷射混凝土材料为 C20, 厚度均为 20 cm。各工法每延米所用的临时支护见表 8。表 8? 5种工法临时支护工程量施工方法预留核心土法单侧壁导坑法双侧壁导坑法CD工法CRD工法C20 喷射混凝土/ m31 ? 8561 ? 7581 ? 8501 ? 8363 ? 623钢支撑/ kg288 ? 6273 ? 4287 ? 7284 ? 9563 ?2无论是喷射混凝土还是钢支撑, 单侧壁导坑法支护工程量均为最小, 除 CRD 工法临时支护工程量偏大外, 预留核心土、 双侧壁导坑和 CD 三种工法的差别均在 10% 内, 由于支护用量小, 相应带来了支护工作量的减少, 因而也降低了人力成本

16、。此外, 由于各种工法的临时支护及开挖的分步不一致, 单侧壁导坑法工期最短, 双侧壁导坑法次之, 其次分别是预留核心土法、 CD 工法及 CRD 工法。3? 结论以佛岭隧道洞口浅埋段施工为研究对象, 重点研究了不同施工方案对围岩变形控制、 围岩塑性区分布的影响, 通过对各种不同方案的分析, 可以得出如下结论。( 1) 从隧道围岩力学响应角度, 就隧道开挖引起的竖向位移、 拱腰水平收敛及围岩塑性区体积而言, 双侧壁导坑法效果最好, 而单侧壁导坑法与之差别极小。( 2) 从技术经济角度, 就所用的临时支护材料而言, 单侧壁导坑方案最合理, 且工序简单、 工期最短, 而双侧壁导坑法劣势比较明显。综合

17、比较, 推荐佛岭隧道洞口段施工使用单侧壁导坑方案。参考文献:1 ? 范晓伟, 徐林生? 长冲隧道进口段开挖方法的优化分析 J? 重庆交通大学学报: 自科版, 2008, 27( 2)?2 ? 任尚强?大跨度隧道洞口浅埋段工法探讨及应用J?地下空间与工程学报, 2008, 4(5)?3 ? 刘小兵, 彭立敏, 王薇? 隧道洞口边仰坡的平衡稳定分析 J? 中国公路学报, 2001, 14(4)?4 ? 蒋树屏, 刘洪州, 鲜学福? 大跨度扁坦隧道动态施工的相似模拟与数值分析研究 J? 岩石力学与工程学报,2000, 19(5)?5 ? 张顶立, 王梦恕, 高军, 等? 复杂围岩条件下大跨隧道修建技

18、术研究J, 岩石力学与工程学报, 2003, 22(2)?6 ? ItascaConsulting Group Inc ? FLAC 3D User Manuals( Version3 ? 0) R ? Minneapolis,Minnesota:ItascaConsultiong Group Inc ? , 2002 ?7 ? JT G D70- 2004? 公路隧道设计规范 S?8 ? 邓少军?浅埋偏压隧道施工数值模拟及方案比选J?地下空间与工程学报, 2005, 1(6)?9 ? 李世辉?隧道支护设计新论 M? 北京: 科学出版社,1999 ?10 ? D ? Brox and H? H

19、agedron Extreme Deformation andDamage during the Construction of Large T unnels J . Tunneling and Underground Space Technology,1999, 14( 1)?240? ? ? ? ? ? ? ?公? ? 路? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2009 年? 第 11 期?公路? 2009 年 11 月? 第 11 期? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? HIGHWAY? Nov ?2009? No ?

20、 11?文章编号: 0451- 0712( 2009)11- 0241- 04? ? ? ? 中图分类号: U456 ?31? ? ? 文献标识码: B莲花隧道进口小净距段新奥法施工跟踪监测研究徐林生( 重庆交通大学土木建筑学院? 重庆市? 400074)摘? 要: 结合莲花隧道进口小净距段的台阶法施工实践, 介绍了地表下沉、 洞周水平收敛、 拱顶下沉、 锚杆轴力、围岩压力、 二次衬砌混凝土应力等项目的跟踪监测工作, 分析和总结了围岩变形特征及其复合式衬砌结构的受力特点, 所得结果为复杂工况下小净距隧道支护结构的新奥法施筑与优化提供了科学依据, 也为类似隧道工程的施工提供了经验。关键词: 小净

21、距公路隧道; 复合式衬砌结构; 新奥法施工与监测; 锚杆; 围岩压力1? 莲花隧道概况小净距隧道能够较好地满足山区特定地形、 地质条件下高速公路线形优化的需要; 近年来, 随着我国高速公路的大规模建设, 小净距隧道的设计与施工已经积累了一些初步的经验。莲花隧道是西南某高速公路上的一座上下行 2 车道分离式控制性隧道工程, 隧道全长 1 280 m; 围岩主要为侏罗系中统沙溪庙组的粉砂岩与砂岩, 岩层产状为 210?35?。受洞外线形条件的制约, 莲花隧道进口 K170+ 490+ 600 的(级围岩洞口加强段设计为小净距隧道, 中间所夹岩柱之净距由洞口的 9 m 向内逐渐增大至20 m; 莲花

22、隧道进口小净距洞段埋深仅为4?5收稿日期: 2008- 12- 01Research on Design Optimization of Construction Methodin Entrance of Foling Long and Large TunnelFANG Yu1, FANGHui?qin1, LIUBao?guo2, ZHANGZhi?gang3( 1 ? Anhui Expressway Holding Corporation, Hefei 230001, China;2 ? School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong Univ

23、ersity, Beijing 100044, China;3 ? CCCC Highway Consultants, Co? , Ltd, Beijing 100088, China)Abstract: Due to shallow embedded depth and bad self?stabilization capability of surrounding rock inentrance of Foling Long and Large Tunnel of Jihuang Expressway, one of prepared core soil method, CDmethod,

24、 CRD method, single side heading method and twin?side heading method is selected as the excava?tion method in this segment? In order to choose the optimal excavation from above five methods, the con?struction process is simulated in three dimension by the FLAC3D software in this paper? Deformation,p

25、lastic zone volume of surrounding rock and consumption of supporting material by different excavationmethod are considered as the judge index? Last, the single side heading method is determined as the opti?mal excavation method through technical and economical analysis and the guidance for construction in en?trance of Foling T unnel is provided ?Key words: long and large tunnel;construction of entrance;numerical simulation;plan selection