大断面黄土隧道进洞段施工技术及其数值模拟

窦 世 学

(中铁二十五局集团第五工程有限公司,山东 青岛　266000)



大断面黄土隧道进洞段施工技术及其数值模拟

窦 世 学

(中铁二十五局集团第五工程有限公司,山东 青岛266000)

针对大西客运专线忻州隧道进洞段埋深浅、断面大、围岩稳定性差的情况，提出采用短台阶七步开挖法和辅助工法施工，并采用Plaxis-3D有限元程序，对隧道开挖施工进行了数值模拟，同时结合施工现场实测结果作了对比分析，结果显示：短台阶七步开挖法能有效控制围岩及地表沉降，但在施工过程中要施作超前大管棚、超前小导管等辅助工法，且要严格控制进尺。

黄土隧道，大断面，进洞开挖方案，数值模拟

1　工程概况

2　施工方法

2.1总体方案

忻州隧道进口段为黄土围岩地表埋深较浅，土方挖到开挖轮廓线以外时根据设计修筑钢筋混凝土导向墙、施工大管棚、超前小导管。在管棚、小导管施作结束后，依次分层开挖至起拱线标高。通过现场试验，并考虑施工进度，隧道进洞浅埋段采用短台阶七步开挖法施工。具体施工工艺流程如图1所示。

2.2导向墙施工

隧道进口处通过模筑施作宽2 m、厚1 m的C35混凝土导向墙。采用环形开挖预留核心土至导向墙基底，架设定位型钢，埋设导向管(φ150×6 mm的热轧无缝钢管，长2 m，环向间距为30 cm)，为后续大管棚施作作基准。隧道进洞段导向墙横断面如图2所示。

2.3大管棚超前支护施工

为了减少短台阶七步开挖法施工引起的地层移动，通过导向墙作为基准施作大管棚超前支护，在隧道拱部140°范围内，通过导向墙，一次性打入一环φ108 mm大管棚进行超前加强支护，大管棚长度40 m，管壁厚5.0 mm，环向间距30 cm,外插角1°～3°，注浆材料为M20水泥浆或水泥砂浆，详细见图3。

3.2.2 燥热便秘证 主症：①大便干结；②排便困难、甚至便秘不通。兼症：①面赤身热；②腹胀或痛；③口干口臭；④口舌生疮；⑤小便短赤。舌脉指纹：①舌质红；②苔黄燥；③脉滑实，指纹紫滞。

2.4小导管超前支护施工

为了有效加固隧道进洞段围岩、增强围岩自稳能力，在进洞浅埋段隧道拱部施作小导管超前支护；在隧道进洞浅埋段拱部140°范围内，打入φ42 mm超前小导管进行支护，小导管长6 m，管壁厚为3.5 mm，环向间距30 cm，外插角1°～3°，小导管注M20水泥砂浆，注浆压力为0.5 MPa～1.0 MPa，浆液初凝时间为1 min～2 min。超前小导管配合型钢钢架使用，每1.8 m(3榀)施作一环，其纵向搭接长度不小于1 m，详细见图4。

2.5开挖施工方案

忻州隧道进洞段采用短台阶七步开挖法施工，其中施工顺序见图5，图6。

1)开始在前一循环架立的钢架基础之上，施作超前支护。接着开挖顶部的弧形导坑①，同时，将循环进尺控制为2 m～4 m，并向掌子面垂直打入玻璃纤维锚杆、喷5 cm厚混凝土进行封闭。再分步施作第一步开挖的顶部弧形导坑①的初期支护Ⅰ。

2)在滞后于第一步开挖的顶部弧形导坑①施工2 m～4 m后，左右交错开挖左侧的上导坑②、右侧的上导坑③。接着向掌子面垂直打入玻璃纤维锚杆、喷5 cm厚混凝土进行封闭。然后施作左侧的上导坑②、右侧的上导坑③的初期支护Ⅱ和Ⅲ。

3)在滞后于右侧上导坑③施工2 m～4 m后，左右交错开挖左侧下导坑④、右侧下导坑⑤。接着施作左侧的下导坑④、右侧的下导坑⑤的初期支护Ⅳ和Ⅴ。

4)依次分上、中、下台阶三步开挖预留的核心土⑥。

5)开挖隧道底部⑦。然后施作隧道底部⑦的初期支护Ⅶ。

6)灌注Ⅷ部仰拱二次衬砌及隧底填充(仰拱与隧底填充分次施作)。

7)根据监控量测结果分析，待初期支护收敛后，利用衬砌模板台车一次性浇筑拱部和侧墙的二次衬砌Ⅸ部衬砌。拱部、侧墙及仰拱的二次衬砌采用C35钢筋混凝土，拱墙厚度为60 cm，仰拱厚度为70 cm。

3　有限元计算方法及结果

本文采用有限元软件Plaxis-3D进行短台阶七步开挖法施工过程的数值模拟，土体采用三维实体单元模拟，本构模型采用摩尔—库仑模型，锚杆采用杆单元模拟，衬砌采用板单元模拟。

3.1计算范围

为了尽量减小有限元模型中边界约束条件对计算结果产生的不利影响，在计算时，计算模型在水平方向宽度取80 m，在竖直方向上，下边界为隧底向下取60 m，进洞段埋深取30 m，计算模型的边界范围在各个方向上都大于两倍的洞跨长度。边界条件可定义为：除上表面自由外，其他各面都为简支约束。

3.2计算参数

围岩参数根据隧道地质勘察资料选取，土层从上到下依次为：全新世黄土、马兰黄土1、马兰黄土2、离石黄土，表1为围岩物理指标参数。

初期支护采用喷锚支护。喷射35 cm厚度的混凝土，锚杆的规格为：l=3.5 m，φ=22 mm，计算模型中没有考虑钢支架和钢筋网的支护作用，可以将其看作结构的安全储备。

3.3计算模型

模型中初支锚杆采用土工格栅单元等效强化，具体三维模型如图7所示。

表1　围岩物理指标参数表

3.4数值模拟结果及分析

图8和图9为短台阶七步开挖法开挖引起的围岩竖向和水平向变形云图，图10为围岩塑性点分布图。

根据上图分析可知：

1)采用短台阶七步开挖法开挖大断面黄土隧道过程中，围岩整体收敛变形较大，拱底隆起效果相对明显，拱底隆起量一般占围岩相对收敛量的40%左右。另外，开挖过程中拱部地中位移较大，沉降衰减慢，拱部开挖影响深度可达35 m，因此，建议严格控制开挖进尺，考虑建模过程中采用3 m的开挖进尺导致的围岩变形较大，建议开挖进尺控制在1.5 m～2 m。

2)围岩塑性分布点向隧道拱脚两侧斜约45°发展，且塑性区分布较大，拱顶部位基本不存在塑性点，说明短台阶七步开挖法开挖大断面黄土隧道对于控制地表及拱顶沉降起到了良好的作用。

4　工程实测对比分析

忻州隧道施工过程中对拱顶及洞周收敛进行了监控量测，主要采用收敛计和全站仪Leica TCRA1201+，Leica反射片进行量测，现将实测结果和计算结果整理如表2所示。

表2　现场实测值与计算值对比　mm

从表2可以看出，拱顶下沉和拱底隆起的实测值与计算值相比，计算值比实测值稍小，分别小约47%，43%，但基本在同一个量级范围，且在开挖过程中没有发生大变形、坍塌等事故。工程实践表明，大断面黄土隧道采用短台阶七步开挖法是合理可行的，它可以保持围岩稳定性、控制隧道变形。

5　结语

采用短台阶七步开挖法施工大断面黄土隧道，随着开挖过程地应力的释放，围岩变形也逐渐增大。若施工方法设计不当，隧道会发生大变形以及坍塌，影响隧道施工安全。因此，大断面黄土隧道选择合理的施工方法显得很重要。

针对大断面黄土隧道进洞段，跨度大、浅埋，采用短台阶七步开挖法能有效控制围岩级地表沉降，但在施工过程中要施作超前大管棚等辅助工法，建议严格控制开挖进尺，考虑建模过程中采用3 m的开挖进尺导致的围岩变形较大，建议开挖进尺控制在1.5 m～2 m。

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Numerical simulation and entrance construction techniques of large-section loess tunnel

Dou Shixue

(ChinaRailway25thBureau5thEngineeringGroupCo.,Ltd,Qingdao266000,China)

The cross section of Xinzhou tunnel of Datong to Xi’an Railway line for passenger traffic is large and the rock is of poor quality. Short-bench seven-step excavation method and auxiliary techniques are proposed. Plaxis-3D finite element method is used to simulate the process in the construction sequences and site measurement is used to analyze comparatively. The result show short-bench seven-step excavation can control the rock deformation and the ground settlement, but leading steel pipeline shed and small pipe are important in excavation and the single-cycle footage is controlled strictly.

loess tunnel, large section, entrance excavation scheme, numerical simulation

1009-6825(2016)23-0161-03

2016-06-08

窦世学(1972- )，男，高级工程师

U455

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