大断面黄土隧道浅埋段开挖工法比选研究

李岩枫

(中铁十八局集团第六工程有限公司，天津 300222)

大断面黄土隧道浅埋段开挖工法比选研究

李岩枫

(中铁十八局集团第六工程有限公司，天津 300222)

由于大断面黄土隧道修建时，存在变形量大和自稳能力差等问题，传统的开挖工法已经无法满足隧道施工快速和安全的要求。文章结合实际工程经验，采用FLAC 3D三维数值模拟手段分析了在浅埋黄土条件下不同开挖方法(CD法、双侧壁导坑法、预留核心土三台阶法+超前大管棚)的隧道受力机理，对大断面黄土隧道浅埋段施工工法进行了比选。从安全及经济角度提出采用预留核心土三台阶法+超前大管棚的组合工法较利于浅埋黄土条件下的大断面隧道施工。

隧道； 大断面； 浅埋； 黄土； 施工； 工法比选

随着公路铁路交通运输能力的增加，隧道建设已经进入了“大断面”时代，传统的开挖工法已经无法满足隧道施工快速和安全的要求。而黄土隧道具有强度低、变形量大和自稳能力差等等问题，施工过程中极易造成隧道坍塌事故，导致人员伤亡，拖延工期。

隧道开挖工法的选择通常被认为是影响隧道稳定性的一个重要因素，隧道开挖是一个时间与空间变换的交互过程，不同的开挖工法中围岩和支护的受力情况都不尽相同，传统的开挖工法已经无法满足较差围岩下的大断面隧道施工，取而代之的是安全、快速且更有利于保证围岩及掌子面稳定的施工工法。故针对上述问题，本文结合实际工程经验，采用FLAC 3D分析了在浅埋黄土条件下的不同工法(CD法-工法Ⅰ、双侧壁导坑法-工法Ⅱ、预留核心土三台阶法+超前大管棚-工法Ⅲ)受力机理，对大断面黄土隧道浅埋段开挖工法进行了比选，提出了较为合理的开挖方法。

1 计算模型及参数

为消除边界效应的影响，计算范围左右各取100 m，仰拱下取为60 m，拱顶以上为覆土厚度取20 m，考虑到单元数量太多影响计算速度，纵向取了40 m。边界约束为前后左右边界施加相应方向的水平约束，下边界竖向约束，上边界为自由面。地层采用摩尔—库仑模型，喷混凝土采用实体单元，钢支撑暂没单独予以考虑，而将其刚度等效转换到相邻喷混凝土中，暂不考虑锚杆作用，超前大管棚用shell单元等效代替。为了消除三维边界影响效应对计算结果的影响，取整个模型的中间断面进行分析，各工法及支护结构的计算模型如图1所示。计算时物理力学参数参照某隧道地质勘测报告对Ⅳ级黄土围岩物性指标的建议取值，同时参考《铁路隧道设计规范》和《隧道工程岩体分级》选定参数，如表1所示。

2 计算结果分析

2.1 支护结构及地表位移对比分析

隧道支护结构位移可以最直观的反应出每种工法的优劣，也可直接反映出分部开挖时，每部开挖对支护结构位移的影响量，找出施工过程中的最薄弱环节，以便采取有针对性的施工措施。通过数值模拟计算结果，绘制隧道采用不同开挖工法下拱顶沉降(绝对位移)随施工步曲线(图2、表2)。

从图2可以看出，在隧道开挖时，三种方法均能够较好的控制拱顶沉降。在图2(a)中可以看出：CD法在开挖过程中拱顶沉降较小的原因为设置了临时竖撑，其对拱顶沉降的抑制作用较为明显，但是其最大沉降从拱顶处转移至了拱腰处，最大沉降多达30 mm，且在拆撑时拱顶位移突然增大，将会严重威胁施工安全。在图2(b)中可以看出运用双侧壁导坑法施工时，拱顶位移增加平缓且最终位移仅为-9.5 mm，但是在拆撑时拱顶位移依旧会有较小的突变趋势，这有可能会危及支护结构安全。在图2(c)中出运用预留核心土三台阶法施工时，拱顶位移增加趋势在整个施工过程中都相对平缓且最终位移仅为-14.8 mm。

(a)工法Ⅰ计算模型

(b)分部开挖示意

(c)工法Ⅱ计算模型

(d)分部开挖示意

(e)工法Ⅲ计算模型

(f)分部开挖示意

(g)隧道三维模型整体示意图图1 计算模型

材料重度/(kN·m-3)内摩擦角/°弹性模量/GPa粘聚力/kPa泊松比μ粉质黏土1．67200．18260．40初期支护2．2———30———0．20

(a)CD法

(b)双侧壁导坑法

(c)预留核心土三台阶法图2 拱顶位移随施工步变化曲线

从表2可以看出：采用不同开挖方法时，隧道拱顶最终位移值最小为双侧壁导坑法拱顶位移-9.5 mm，其次为预留核心土三台阶法拱顶位移-14.8 mm，最大为CD法拱顶位移-24.7 mm。而在仰拱及边墙处最终位移值，预留核心土三台阶法最小，CD法最大，双侧壁导坑法居中，但三者相差较小。

表2 开挖完成后位移计算结果比较

施工完成后各施工工法引起的地表位移如图3所示。

图3 地表沉降曲线

由图3可以看出，三种工法引起地表沉降纵向影响距离大体相同，纵向距离大约在80 m范围内。但是CD法引起的地表沉降最大，最大值为23.82 mm；其次为预留核心土三台阶法，最大值为15.22 mm；最小的为双侧壁导坑法，其最大值为11.80 mm。其中预留核心土三台阶法与双侧壁导坑法相差较小，仅差3.42 mm。

2.2 支护结构应力对比分析

采用不同开挖方法时，支护结构最大应力及其发生部位见表3。

表3 支护最大应力及其发生部位

由表3可以看出：三种工法施工后，预留核心土三台阶法应力最小，其次为CD法，预留核心土三台阶法最大，其最大应力发生位置大体为先支护部分，预留核心土三台阶法的支护受力状态最为合理，拉压应力均在支护极限应力范围之内。

2.3 围岩塑性区发展对比分析

采用三种工法时，隧道围岩塑性区最终形成范围如图4～图6所示。

图4 CD法围岩塑形区形成范围

图5 双侧壁导坑法围岩塑性区形成范围

图6 预留核心土三台阶法围岩塑性区形成范围

由图4～图6可知，塑性区的形成范围与不同的开挖工法密切相关，不同的施工工法对应最终的塑性区分布形态大不相同。由图4可以看出，CD法施工后围岩塑性区发展范围较大，且塑性区已经发展至地表；由图5可以看出，双侧壁导坑法塑性区主要分布在两侧导坑区域，且塑性区主要产生在两侧导坑施工时，呈横向发展趋势，未向地表发展，塑性区分布面积较小；由图6可以看出，预留核心土三台阶法塑性区的发展趋势及最终形态与CD法相似，但是比CD法所产生的塑性区小，塑性区未发展至地表。

对上述三种工法塑性区面积进行统计，统计结果见表4。

表4 不同开挖工法下围岩塑性区面积 m2

3 结 论

(1)仅从位移来看，预留核心土三台阶法及双侧壁导坑法均适用于此种地层。从拱顶沉降随施工步变化曲线来看，双侧壁导坑法在拆撑过程中拱顶沉降有轻微的突变趋势，故拆撑时可能会对施工安全造成危险；而预留核心土三台阶法拱顶沉降变化趋势平缓，整个过程无位移突变现象，虽然位移稍大于双侧壁导坑法，但是也位于可控范围内，较利于施工安全。

(2)从支护应力来看，预留核心土三台阶法支护结构应力分布较为均匀。故从支护应力角度来说，预留核心土三台阶法更适合于黄土浅埋隧道的施工。

(3)从塑性区形成范围来说，双侧壁导坑法最适合此种地层，而预留核心土三台阶法较适合此种地层。

(4)从施工复杂度及施工进度来讲，预留核心土三台阶法远优于双侧壁导坑法，不仅可以大大提高施工进度，合理的利用机械设备，还可以大大提高工程效益；而双侧壁导坑法工序复杂、造价高、施工速度慢，特别是限制了大型机械的使用，施工条件很差，施工进度缓慢，无法保证施工工期。

综上所述，在此浅埋黄土条件下，预留核心土三台阶法较优于双侧壁导坑法。但是需要强调的是：预留核心土三台阶法中的大管棚超前支护对支撑上部围岩压力、保证隧道上部开挖安全起着关键作用，所以在施工过程中，必须保证超前大管棚的施工质量，保证施工安全。

[1] 王建宇．隧道工程的技术进步[M]．北京：中国铁道出版社，2004

[2] TB 10003-2005铁路隧道设计规范[S]

[3] 王石春，何发亮，李苍松．隧道工程岩体分级[M]．成都：西南交通大学出版社，2007

[4] 熊江陵，李建华．膏溶角砾岩地层大断面隧道快速施工技术[J]．隧道建设，2010，30(1)：50-53

[5] 陈庆怀．三车道大断面公路隧道软弱围岩施工技术[J]．隧道建设，2009，29(S2)：77-83

[6] 柴江．黄土公路隧道施工方法对比分析[D]．兰州：兰州理工大学，2011

[7] 林宝龙，马祥旺．大断面公路隧道施工围岩稳定性数值分析[J]．石家庄铁路职业技术学院学报，2007，6(1)：13-17

李岩枫(1974～)，男，高级工程师，主要从事施工技术及施工管理工作。

U452. 1+2; U455.4

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[定稿日期]2014-09-09