探徽松散堆積體圍巖隧道施工方案對比范文

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1工程概況

隧道右線長500m，穿越一大型堆積體，堆積體為坡洪積成因的含礫粉質黏土和卵漂石夾粉質黏土．隧道以較大角度與坡洪積山體相交，坡洪積山體呈長舌狀，隧道洞身橫穿舌狀丘陵的鞍部．隧道圍巖為散體結構的含礫粉質黏土和碎石土夾塊石，且礫石和塊石成分復雜．在隧道進口段的坡面上發現有多處淺層滑塌現象，坡體穩定性差，地質條件復雜．由于堆積體圍巖結構松散，地質情況差，因此，進洞施工后多次發生塌方和襯砌開裂下沉等事故．例如：2010年2月28日，右洞施工到YK106＋970后，發生了嚴重拱頂塌方現象并導致地表塌陷，已施作完成的超前支護全部砸毀，無法繼續施工，地表塌陷形成一個8m×9m大坑，深度達36m．施工方案也多次變更，先后采用了上下臺階法、三臺階分部開挖法及單側壁導坑法．

2堆積體力學參數

采用高壓大型三軸儀進行飽和固結排水剪試驗來得到堆積體力學參數．由于現場獲取大型原狀土樣存在實際困難，因此，試驗采用重塑樣．試樣密度按照現場密度試驗結果進行制樣，兩組試樣對應干密度分別為165和150g／cm3，土樣最大粒徑dmax＝60mm，超徑土（大于60mm）按剔除法處理后得到試驗級配．試樣直徑為300mm，高度為700mm，分5層制樣，采用真空和水頭飽和法聯合飽和，固結時間為24h，剪切速率為0122mm／min．試驗得到的應力應變關系曲線，其中，縱坐標q為偏應力；橫坐標εa為軸向應變，εv為體應變．強度指標參數及非線性模型表1中，c為粘聚力；φ為內摩擦角；Et為切線變形模量；K、n分別為lg（Ei／Pa）與lg（σ3／Pa）直線關系的截距和斜率；Rf為破壞比；G、F分別為初始切線泊松比μi與lg（σ3／Pa）直線關系的截距和斜率；D為軸向應變εa漸近值的倒數；Bt為切線體積模量；Kb、m分別為lg（Bt／Pa）與lg（σ3／Pa）直線關系的截距和斜率．結合土的實際應力狀態確定鄧肯張模型中不同圍壓下土的初始切線彈性模量和初始切線泊松比，以此近似作為數值計算中土的彈性模量E和泊松比μ．鄧肯張模型中初始切線彈性模量和圍壓之間的關系表達式為Ei＝KPaσ3P()an（1）初始切線泊松比和圍壓之間的關系為μi＝G－Flgσ3P()a（2）式中，Pa為大氣壓力，kPa．研究區域內隧道埋深為35～70m，取平均埋深為48m，堆積體靜止側壓力系數取為045；天然密度為17g／cm3，取Pa＝100kPa，將以上數據及ICD試驗數據中的K、n、G、F代入式（1）和式（2）后，得到摩爾庫侖彈塑性模型中的計算參數彈性模量E及泊松比μ．由于堆積土體松散，因此，結合試驗情況，調整泊松比μ為038，粘聚力c取30kPa，內摩擦角φ取20°，最終確定隧道圍巖及支護材料的計算．鋼拱架的計算．錨桿的加固效果根據《公路隧道設計規范》（JTGD702004）將加固區圍巖的粘聚力提高30％，超前支護的加固效果也按此方法考慮，計算中將鋼拱架的彈性模量折算給初襯混凝土．

3數值模擬分析

3.1數值分析計算模型結合隧道地質及地形條件，建立起止里程樁號為YK107＋80～YK107＋178的計算模型．模型范圍為：沿隧道軸線長度為98m；沿隧道軸線向兩側各延伸約五倍洞徑，洞徑為109m，模型總寬度為125m；厚度方向上，取隧道頂部為自由面，沿隧道底部向下延伸約五倍洞徑，仰拱到模型底部距離為65m．為更好對比上下臺階法、三臺階分部開挖法及單側壁導坑法等施工方案，計算模型均為同一模型，只是定義組件不同．考慮開挖邊界效應，對比各施工方案時均選取YK107＋129斷面為分析斷面．初襯及二襯采用彈性模型，圍巖采用摩爾庫侖彈塑性模型

3.2邊界條件模型各側面設置相應法向約束，底部設置全約束，上邊界為自由邊界．

3.3計算步驟根據設計施工方案及現場資料，確定各施工方案的模擬開挖順序如下：上下臺階法：

1）上臺階每開挖10m，施作上臺階錨固及初襯10m；

2）上臺階開挖10m后，開挖下臺階，保持上下臺階開挖間距為10m；

3）下臺階每開挖10m，施作下臺階錨固、初襯及仰拱10m；

4）仰拱鋪設20m后，二襯施工．

三臺階分部法：

1）上臺階每開挖10m，施作上臺階錨固及初襯10m；

2）上臺階開挖10m后，開挖下臺階，保持上下臺階開挖間距為10m；

3）下臺階每開挖10m，施作下臺階錨固及初襯10m；

4）下臺階開挖4m后，開挖左馬口，保持下臺階與左馬口開挖間距為4m；

5）每開挖左馬口10m，施作相應錨固及初襯10m，左馬口開挖4m后，開挖右馬口，保持左右馬口開挖間距為4m；

6）每開挖右馬口10m，施作相應錨固及初襯10m，右馬口開挖8m后，開挖核心土，保持右馬口與核心土開挖間距為8m；

7）核心土每開挖10m，施作相應初襯及仰拱；

8）仰拱鋪設20m后，二襯施工．

單側壁導坑法：

1）先進行導洞施工，導洞上臺階每開挖10m，施作導洞上臺階錨固、初襯及臨時仰拱10m；2）導洞上臺階開挖10m后，開挖導洞下臺階，保持上下臺階開挖間距為10m；

3）導洞下臺階每開挖10m，施作導洞下臺階錨固、初襯及臨時仰拱10m，保持上述導洞各施工間距直至右洞導坑施工完成；

4）隧道主洞開挖，上臺階（含導坑錨固區上半部分）每開挖10m，施作上臺階錨固及初襯10m；

5）上臺階開挖10m后，開挖下臺階，保持主洞上下臺階開挖間距為10m；

6）下臺階（含導坑錨固區下半部分）每開挖10m，拆除中隔壁及臨時支撐10m，施作下臺階錨固、初襯及仰拱10m；

7）仰拱鋪設20m后，二襯施工．

4分析斷面模擬結果與分析

4.1二襯受力分析為施工結束后分析斷面中二襯的最大主應力云圖（單位：Pa）．由于堆積體圍巖本身強度低、剛度低、變形量大、結構松散、對施工擾動敏感，因而導致二襯受力偏大．上下臺階法的的壓應力最大值出現在上下臺階開挖分界線的二襯外側，為367MPa．三臺階分部法的壓應力最大值出現在上下臺階開挖分界線的二襯外側及拱腳，為234MPa．單側壁導坑法的壓應力最大值出現在主洞開挖分界線的二襯右部外側，為298MPa．受拆除導洞臨時支撐影響，在仰拱中間出現了底鼓現象．對比可以看出，三臺階分部法在上下臺階開挖分界線的左右兩側以及左右拱腳等多處出現了壓應力集中，單側壁導坑法在主洞上下臺階開挖分界線的右側及仰拱中間出現應力集中，二襯受力相對合理．因此，施工中加強局部支護，采用單側壁導坑法施工更有優勢．

4.2拱頂位移從拱頂位移監控曲線可以看出，施工結束后，采用上下臺階法施工，其拱頂位移是4744mm；三臺階分部開挖法為5348mm；單側壁導坑法的拱頂位移最小，為2615mm．

4.3圍巖位移場特征．，施工方法對隧道開挖后變形動態的影響是很明顯的．一般來說，在相同地質條件下，開挖分部越多，其位移值也越大．上下臺階法和三臺階分部法的拱頂最大豎向位移分別是4744mm和5348mm，單側壁導坑法最小，為2807mm．從水平位移云圖中可以看出，上下臺階法和三臺階分部法的最大水平位移分別是4997mm和5329mm，單側壁導坑法最小，為4131mm，導洞臨時支撐的支護效果很明顯．和三臺階分部開挖法施工完成后，隧道塑性區在左右拱腳及拱頂左右兩側四個方向都有明顯擴展，塑性區寬度最大約為18m，拱頂及仰拱附近的塑性區寬度較小，最大約為5m．采用單側壁導坑法施工能明顯減小塑性區分布范圍，且塑性區主要分布在主洞開挖的一側，其最大寬度約為6m，導坑開挖一側塑性區最大寬度僅為約25m，單側壁導坑法優勢明顯．是施工結束后各方案的塑性區體積統計，可以看出三臺階分部法的塑性區體積最大．

5結論

1）從二襯受力來看，堆積體圍巖本身強度低、剛度低、變形量大、結構松散，對施工擾動極其敏感，導致各方案施工結束后二襯受力均偏大，但在施工中加強襯砌局部支護情況下，單側壁導坑法會更有優勢，二襯受力也更合理．

2）從拱頂位移來看，三臺階分部開挖法的拱頂位移最大，單側壁導坑法最小．

3）從圍巖豎向位移和水平位移來看，單側壁導坑法施工對圍巖擾動最小．

4）從圍巖塑性區來看，無論是塑性區分布范圍，還是塑性區體積，單側壁導坑法都有著明顯的優勢．

5）盡管單側壁導坑法有著工序繁多和支護工程量大的缺點，但是導洞貫通減小了主洞開挖難度，超前導洞還可以起到地質預報的作用，能有效地保證松散堆積體圍巖隧道的施工安全．因此，采用短進尺的單側壁導坑施工方案較適合該松散堆積體圍巖隧道．

作者：肖建章戴福初閔弘許沖涂新斌王小東單位：中國科學院地質與地球物理研究所武漢巖土力學研究所中國地震局地質研究所