大断面浅埋土质隧道施工工法优化分析

2014-12-22李亚翠杨新安

华东交通大学学报 2014年5期

李亚翠，杨新安，郭乐

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海200092）

新建南京至安庆铁路钟鸣1号隧道位于安徽省铜陵市铜陵县钟鸣镇境内，隧道断面积为152.4 m2，全隧道埋深10～25m，且地质条件较差，围岩软弱、强度极低，属大断面浅埋土质隧道［1］。隧道洞身位于地下水水位以下，受地下水的影响，粗圆粒土（夹有漂石）组成的围岩稳定性差，易渗漏，易造成围岩内细颗粒流失，极易突然发生坍塌，引起洞壁失稳、冒顶和地表沉陷［2］。

引理 5 当9-点v关联4个三角形,且它的邻点均为3-点,则这4个三角形中如果有3个为穷的,第4个三角形一定为富的。

关宝树等［3-4］研究表明，隧道施工过程中围岩-支护结构的稳定与隧道围岩特性、水文地质、支护参数及施工工法工序等关系密切。同时，大量实践表明，合理的施工工法是大断面浅埋土质隧道顺利掘进与否的关键科学问题。

针对上述问题，国内外学者采用数值模拟等手段进行了相关研究工作［5-10］，但由于围岩类型与工程条件不同，这些研究成果尚不足以指导钟鸣1号隧道这种大断面浅埋土质隧道施工。为此，针对该种地层，探索适宜的施工工法具有一定的学术意义和实用价值。

直接燃烧法。直接燃烧法需要高温、浓氧，温度高达1100℃，因此高浓度VOCs可燃气体可采用直接燃烧法。

本文依托钟鸣1号隧道工程和现场监测资料，结合数值模拟分析，对大断面浅埋土质隧道在不同工法掘进中的围岩-结构变形及力学特征进行分析，以指导隧道施工与同类隧道工法选择。

串联PHEV通常称为增程式混合动力汽车。串联PHEV结构原理如图4所示。其结构特点为：纯电动＋增程器，汽车车轮仅由电动机独立驱动，增程器可以是发动机—发电机组，发动机—发电机组发电直接供给电动机驱动汽车，同时发出的多余电量给蓄电池包充电，增程器还可以是燃料电池等。

1 工程概况与施工中存在的问题

1.1 工程概况

钟鸣1号隧道DK140+520～DK140+598段典型地质分层从上至下依次为：

①粉质粘土，埋深为0～-6m；

②含砾粉质粘土，埋深为-6～-12m；

2.3.5 饮食护理术后6 h可进少量流食，避免豆浆、牛奶等产气食物的摄入。有资料显示，与传统手术比较，无气腹腹腔镜术后肛门首次排气时间缩短［3］。所有患者均在12～24 h内排气，次日改半流质饮食，同时观察有无腹胀和肠蠕动情况，如恶心呕吐明显可给予止吐剂。术后2 d予普通饮食，多食蔬菜、水果，补充维生素，避免刺激、高糖和高油食物，少量多餐。

③粗圆砾土（夹有漂石），埋深为-12～-24m；

④全风化粉砂岩，埋深为-24～-30 m；

⑤强风化粉砂岩，埋深为-30～-34 m；

⑥弱风化粉砂岩，埋深为-34～-50 m。

Application research on disaster weather warning based on improved TITAN algorithm of Doppler weather radar

隧道埋深12 m，且全断面处在粗圆砾土（夹有漂石）中，地质条件差，为高风险等级隧道［11］，风险项目为塌方冒顶、大变形等［11］。

隧道在该段采用三台阶临时仰拱法施工，开挖方向为小里程方向，开挖循环进尺为1.2 m（2榀钢拱架）。

1.2 施工中存在的问题

大断面浅埋土质隧道围岩稳定性较差，强度很低，极易在隧道开挖后发生较大变形甚至塌方失稳，而钟鸣1号隧道该类地层段实际施工时部分断面隧道拱顶沉降与地表沉降监测值非常大，其中DK140+580断面现场实测结果如图1所示，由于变形过大而引起塌方。

2017年12月，广东发改委就曾开展港珠澳大桥车辆通行收费标准听证会，对比当时的两个听证方案，最终正式公布的收费方案主要是降低了穿梭巴士的通行费，由原来的450元/车次降至300元/车次，这也大大降低了来往游客的消费标准。

模型上取至地表，左右以及向下取2～3倍洞径，其中竖向取50 m，拱顶埋深12 m，水平方向取80 m，左右边界水平约束，地表面取自由表面，底部设竖直约束，分别约束左右边界的水平位移，约束下边界的竖向位移，上边界为自由边界，不考虑地下水渗流作用。

由图可知：该断面隧道拱顶累积下沉量最大达202 mm，曲线表现为明显的台阶性，上、中台阶开挖对拱顶下沉影响非常明显，引起的拱顶下沉量分别占到最终下沉值的41%和55%。这主要是因为：①隧道洞身全部处在粗圆砾土（夹有漂石）层中，而粗圆砾土（夹有漂石）颗粒间黏聚力较小，组成的围岩结构不稳定，易渗漏，造成围岩内细颗粒的流失，易发生突然坍塌，引起洞壁失稳、冒顶和地表沉陷，且施工期间有降雨，因此变形大；②施工因素，如支护不及时，或者支护强度不足。

因此，施工过程中必须寻求适宜该种地层的工法，以更好地控制围岩变形，保证围岩稳定与施工安全。

图1 DK140+580断面现场实测结果Fig.1 Results of site measurement in the section DK140+580

2 不同工法数值模拟分析

实际工程中限于资金和施工进度的制约，不能对多种工法进行逐一试验，为了对采用不同工法施工时围岩变形控制效果进行比较，寻求最适宜的工法与参数，采用FLAC3D软件对隧道采用三台阶临时仰拱法（S1）、中隔壁法六步CD（S2）、交叉中隔壁法CRD（S3）共3种工法进行数值模拟，通过各工况开挖后隧道变形、支护受力及其特征进行比较，得出优选工法。

2.1 计算假定与参数选取

2）IHS变换，IHS融合算法是多源影像融合中的经典算法，首先通过正变换将多光谱影像从RGB彩色空间变换到IHS彩色空间，同时对高分辨率的全色影像进行线性拉伸，即与分离出来的I（亮度）分量进行直方图匹配，使拉伸后影像的均值和方差与I分量一致；然后将经过直方图匹配的高分辨率全色影像代替IHS空间的I分量与分离出来的H（色度）、S（饱和度）分量一起进行IHS逆变换，重新变换到RGB彩色空间。

江苏师范大学科文学院校园网于2002年投入运行,随着科文学院建筑面积及招生规模的不断扩大,校园网也进行了分阶段升级,目前的校园网已覆盖整个校园的多栋楼宇,整体拓扑如图1所示．

计算中，围岩、初期支护和二次衬砌采用Mohr-Coulomb模型进行模拟，隧道临时中隔壁钢架支护和临时仰拱均采用shell单元，钢拱架和钢筋网通过提高喷射混凝土的弹性模量来模拟，锚杆通过cable单元进行模拟。

马刺叫士兵揭下一张，给秀容月明看。秀容月明看了，半天，才说：“写这文字的叫贺三，与我同乡，还是我小时候的朋友。他说我降了胡人，名节尽毁，宁国上下，都盼着我早点死。”

模拟工法类型如表1所示，其中三台阶临时仰拱法模拟条件与现场相同，初期支护和二衬根据V级围岩复合式衬砌设计模拟，围岩物理力学参数和支护结构参数根据地质勘察资料确定，见表2、表3。初期支护与二次衬砌监测点布置如图2所示。

2.2 不同工法下围岩变形特性分析

隧道开挖引起围岩应力重分布，开挖面附近围岩变形表现出显著的空间效应，开挖面前方地层发生明的预收敛变形［6，12-14］，开挖面纵向发生挤出变形，以施工循环段为时序，提取围岩纵向距开挖面不同距离处的拱顶竖向位移及地表变形数据，分析不同施工工法下大断面浅埋土质隧道的围岩变形规律，分别如图3、4及表4所示。

表2 模型物理力学参数Tab.2 Physico-mechanical parameters of model

表3 支护参数Tab.3 Parameters of support

图2 监测点布置图Fig.2 Arrangement of measuring points in model

表5给出了不同工法掌子面到达Y=13.2 m时的初期支护压应力监测值。由于支护结构中的钢筋通过提高混凝土的弹性模量方法模拟，所以监测的应力为衬砌的平均应力。从表5中可以看出，3种工法初期支护压应力最大值均位于隧道拱腰附近，拱肩处次之，拱脚处压应力最小。

图3 不同工法下拱顶沉降曲线Fig.3 Settlement curves of arch crown under different schemes

图4 不同工法下地表沉降曲线Fig.4 Settlement curves of groundunder different schemes

表4 各特征点位移最终计算值Tab.4 Final calculated values of different feature points mm

除此之外，拱顶下沉最不利状态：工法S1在上、中台阶开挖阶段，拱顶沉降快速增长阶段为上台阶开挖前5 m至中台阶开挖后5 m；工法S2和S3左拱顶沉降快速增长阶段为左上台阶①开挖前3 m至开挖后3 m，右拱顶为右上台阶④开挖前3 m至开挖后3 m。

3种工法下隧道围岩塑性区分布情况如图5所示。

因此，工法S1对掌子面前方围岩扰动较大，加之开挖后变形收敛缓慢，掌子面稳定性相对另两种工法要差。这是由于工法S2与S3采用刚性分隔，易于保证掌子面稳定，开挖后围岩变形收敛较快。因此，工法S2和S3对围岩变形的约束效果优于工法S1，拱顶累计下沉可以减少20%～30%。

有研究指出，植物叶片的N、P含量在不同时期往往展现出较大的差异[31]。胡耀升等[32]对长白山森林植物功能性状的研究表明，LNC与LPC呈极显著正相关，而赵光伟[33]则发现烤烟叶片总氮含量随叶龄的增大逐渐降低，本研究结果与之一致。长柄双花木的LNC和LPC在植株的不同发育阶段表现出显著的差异，LNC和LPC均随着植株的发育而下降。这可能是由于在幼苗时期叶片代谢频繁，需要较多的蛋白质和核酸来满足叶片生长的需求，提升了N、P浓度；而到了幼树和成树时期，植物获取的大部分养分被输送到其他器官用于开花等，相应地植物叶片中的N、P含量有所下降[32]。

对比分析现场监测（图1）与数值模拟结果（图3与表4）可知，工法S1的实测值与模拟计算值变化规律基本一致，拱顶下沉的计算结果偏小，这是因为模拟计算中初期支护与临时支护施做更为及时，并且没有考虑地下水对施工的影响。因此，工法S2与S3虽然对围岩变形的约束效果较好，但围岩变形仍然较大，应增加支护强度。

3.3 不同工法下围岩塑性区发展情况

在花序长至 7～10 cm（新梢 20～25 cm，5 片真叶完全展开）时按1∶55 000～60 000倍对水稀释处理为宜，处理浓度还应根据新梢前期长势及花序分离早晚来确定。新梢前期长势，花前处理药剂浓度可以低一点，确定为1∶60 000倍，因为新梢前期长势强，花序自然生长的长度也就长，一般能达到18～20 cm。若新梢前期长势弱，花序小，花穗也就短，处理浓度需适当提高，可确定为1∶55 000倍，这样可以起到适当拉长、增加产量的作用。

由图可知：

从量值看，3种工法初期支护最大压应力分别为2.79，2.33与2.28 MPa，相差不大，以C25混凝土抗压强度16.7 MPa作为评判标准可知，3种工法都具有较大的安全储备。

2）工法S1围岩塑性区分布基本对称，在隧道拱腰处围岩的塑性区已经延伸至地表，左右两侧贯通；而工法S2与S3，围岩塑性区分布规律相差不大，塑性区拱腰处围岩塑性区有所发展但分布范围比S1要小，边墙与拱脚处塑性区分布范围比S1大，工法S3塑性区分布范围小于S2。

3）工法S2与S3相比，拱肩拱腰处塑性区范围左侧小于右侧，主要是左上台阶开挖对右上台阶有一定影响，左上方围岩应力释放的范围较小，且右上方围岩处受扰动时间长。

图5 不同工法下围岩塑性区分布情况Fig.5 Distribution of plastic zone for surrounding rock under different schemes

2.4 不同工法下初期支护受力分析

各工法变形量值表现为S1＞S2＞S3，地表沉降基本对称于线路中线，对于S2和S3，左拱顶沉降值与右拱顶沉降值基本相等。同时，在隧道开挖面尚未达到目标断面前，拱顶与地表已发生明显的预收敛变形，3种工法条件下，拱顶和地表预收敛变形分别占到其累计沉降变形的50.2%，45.0%，45.4%和36.0%，39.8%，38.9%，因而，大断面浅埋土质隧道预收敛变形率在拱顶向地表渐进的过程中逐渐减小。

1）隧道开挖后，围岩塑性区主要分布在隧道拱腰、边墙及拱脚范围的岩层内，且塑性屈服类型主要为剪切破坏。

而3种工法初期支护只有在局部出现极小拉应力，约为0.03 MPa。

3种工法相比，工法S2，S3施工可有效抑制围岩位移，且初期支护受力较小，围岩自身较稳定，其将围岩作为支护结构的组成部分，因此，工法S2、S3优于工法S1。

2.5 优选工法下二衬受力分析

工法S2、S3二次衬砌压应力监测值见表6。

表5 初期支护压应力监测值Tab.5 Compressive stress of primary support under different schemes MPa

表6 二次衬砌最小主应力监测值Tab.6 Compressive stress of secondary lining under optimal schemes MPa

由表6 可知，两种工法的结构受力分布基本一致，量值上工法S2 与S3 的最大压应力值分别为5.07 MPa，5.04 MPa，均位于拱脚内侧，但因整个结构受力在混凝土允许应力范围内，结构满足强度要求，而二次衬砌也只在局部出现极小拉应力，约为0.045 MPa。采用这两种工法施工隧道是安全稳定的。

2.6 最优工法合理性分析

由上述分析可知，大断面浅埋土质隧道采用工法S1开挖后，因围岩变形与塑性区范围过大而较易导致隧道失稳；工法S2和S3较适用于该类地层隧道开挖，都采取较强的临时支护措施，保障了开挖面的安全和稳定，而工法S3较工法S2施工工期稍长、造价稍高，所以工法S2为优选工法。

3 最优工法适用性分析

由于钟鸣1 号隧道浅埋土质段采用工法S1 施工时洞周及地表变形过大，故从DK140+560断面开始现场施工变更为工法S2施工。工法变更后DK140+540断面现场实测结果如图6所示。

由图可知，施工工法变更后，围岩变形量明显减小，拱顶下沉值从原来的202 mm减小到99 mm，围岩变形得到了有效控制。由于现场监测有一定的滞后性，拱顶预收敛变形没有监测，由图3可知，左上台阶开挖前的预收敛变形小于右上台阶开挖前，因此现场监测沉降值左拱顶大于右拱顶。因此，工法S2 为大断面浅埋土质隧道施工的优选工法。

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