预切槽法黄土隧道仰拱合理封闭距离研究

靳宝成，王秀英

（1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043；2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044）

预切槽法黄土隧道仰拱合理封闭距离研究

靳宝成1，王秀英2

（1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043；2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044）

仰拱封闭能够有效地控制软弱围岩隧道变形。本文以洪亮营隧道为工程背景，研究在黄土隧道施工中预切槽法的合理仰拱封闭距离。利用FLAC3D数值模拟软件建立三维模型，研究仰拱封闭距离分别为15，20，25，30，40，50m共6种工况下，隧道上方预筑拱净空收敛、结构受力变化规律以及地层变位情况。研究发现:当仰拱封闭距离为50m时，收敛位移曲线和地层沉降曲线开始不收敛，开挖到研究断面时，预筑拱出现拉应力，并且大于素混凝土的极限抗拉强度，不满足安全性要求；当仰拱封闭距离为15，20，25，30，40m时，开挖面通过研究断面时，拱顶沉降值分别占到总沉降值的72%，69.1%，66%，64%，52%；综合考虑地层变位和支护结构受力，应控制仰拱封闭距离在30m内，如果施工条件允许，应尽早封闭支护结构。

预筑拱；仰拱封闭距离；地层变位；净空收敛；结构受力

仰拱封闭对控制隧道变形至关重要，仰拱封闭可以有效地控制软弱围岩隧道变形，对开挖后整个围岩变形的稳定起到重要作用。因而研究和确定仰拱封闭距离在隧道领域受到极大重视。《铁路隧道工程施工安全技术规程》规定：在Ⅴ级围岩情况下，仰拱与掌子面的距离不得超过40m。黄土隧道拱脚稳定性差，施工变形大，地基承载能力较低，容易发生洞室坍塌和支护下沉，影响施工的安全。浅埋黄土隧道施工时，地表沉降大，易产生地表裂缝，对地表环境和建筑物有较大影响。影响黄土隧道施工变形的因素主要与黄土本身的物理特性、隧道埋深、围岩级别、支护措施、施工方法等有关［1-3］。黄土隧道采用的“快开挖，强支护，快封闭”施工原则，充分体现了支护结构的快封闭和强支护对控制黄土隧道裂缝、支护结构的受力分布以及地表施工变形的重要性［4-10］。因此在黄土隧道施工时，更应尽可能地缩短仰拱封闭距离和施工时间，改善隧道的整体受力，减少隧道整体下沉量。在施工过程中，预切槽法隧道的预筑拱仰拱封闭还受到施工空间和机身尺寸的限制。在国内尚无预切槽法施工案例，因此研究预切槽法的合理仰拱封闭距离，对预切槽法的成功应用有着至关重要的作用。目前轴心式预切槽机械已经由中铁重工集团研制成功，计划在宝兰客专洪亮营隧道开展工法试验。本文依托此工程，通过FLAC3D数值模拟，研究预切槽法在大断面黄土隧道施工中合理的仰拱封闭距离，以期为实际工程提供指导。

1　工程概况

洪亮营隧道地处黄土高原梁峁区。地面高程1880～2008m，相对高差100～150m，在水流切割侵蚀作用下进口端冲沟、黄土陷穴发育。隧道进口端位于龙王沟左岸黄土斜坡，出口端位于洪亮营村附近的洪积平原上。隧道洞身通过的地层主要为第四系上更新统风积砂质黄土，第四系中更新统黏质黄土。试验段位于洪亮营隧道出口，埋深30～40m，属于砂质黄土，围岩按《铁路隧道设计规范》［11］定为Ⅴ级。

2　计算模型建立

利用FLAC3D数值模拟软件建立预切槽法三维计算模型［12-14］，埋深30m，模型纵向长度60m，隧道两侧到边界位置为80m，隧道底部到下边界为100m，见图1。

图1　预切槽法隧道三维计算模型

研究中，切槽的填充材料为C30素混凝土，切槽厚度35cm，长度5m，搭接长度1m。为建模方便，不考虑切槽的倾角，搭接处依据刚度等效原则提高参数，从而加强预筑拱强度，并在施工到一环搭接位置时，激活下一步预筑拱。隧道预切槽切灌完毕后，采用全断面开挖，开挖步距1m。考虑到预筑拱强度的形成需要一个过程，预筑拱混凝土的初始弹性模量设定为20GPa，其后每环逐步增加，最终达到C30混凝土弹性模量。模型物理力学参数见表1。

表1　模型物理力学参数

为研究预筑拱在不同仰拱封闭距离工况下的变形特性，对预筑拱施工进行监测。隧道监测点分布见图2。

图2　隧道监测点分布

为研究预筑拱在不同施工阶段的最大主应力变化，将隧道施工分为3个步序进行研究。步序1为隧道开挖通过研究断面，步序2研究断面仰拱封闭，步序3为仰拱全部封闭。

图3　仰拱封闭距离为30m时地层变位曲线

图4　不同仰拱封闭距离拱顶变位曲线

3　计算结果分析

3.1地层变位分析

图3给出了仰拱封闭距离为30m，开挖面距研究断面不同距离时的地层变位曲线。从图3可以看出，仰拱封闭距离为30m时，不同位置的地层变位曲线变化规律基本相同。随着开挖面由研究断面后方向研究断面前方推进，各位置的沉降值均增大，并且在开挖到研究断面前方约30m时，各位置的沉降均出现了收敛。地表沉降最小，收敛时约为88mm；拱顶沉降最大，收敛时约为150mm。

图4给出了在其他条件不变的情况下，只改变仰拱的封闭距离，仰拱封闭距离由15～50m变化时，隧道拱顶变位曲线。从图4可以看出，当仰拱封闭距离分别为15，20，25，30，40，50m时，随着开挖面由研究断面后方向研究断面前方推进，隧道拱顶沉降值逐渐增大，趋势基本相同。当开挖到相同位置时，随着仰拱封闭距离增加，拱顶沉降值逐渐增加，各仰拱封闭距离的最终拱顶沉降值分别为126，131，143，152，156，162mm。仰拱封闭距离为50m时的拱顶沉降值为15m时的1.3倍。开挖到一定位置时，不同仰拱封闭距离的拱顶沉降值开始出现不同程度的收敛趋势，且收敛趋势的大小与仰拱封闭距离有关系。当仰拱封闭距离为15m时，开挖到掌子面前方约25m时拱顶沉降值开始出现收敛。当仰拱封闭距离为20，25，30m时，开挖到掌子面前方约30m时拱顶沉降值开始出现收敛。当仰拱封闭距离达到40，50m时，拱顶沉降值收敛不明显，甚至不收敛。说明仰拱封闭距离越小，拱顶沉降收敛得越早，当仰拱封闭距离过大（＞50m）拱顶沉降不再收敛。建议在实际工程中尽早进行仰拱封闭。

隧道拱顶沉降值对比见图5。从图5可以明显地看出，随着仰拱封闭距离增加，地层变位曲线总体呈上升趋势。隧道仰拱封闭距离由25m增大到30m时，拱顶沉降曲线上升趋势明显比其他区间变化大，这说明仰拱封闭距离由25m增大到30m时，拱顶沉降增长速率明显快于其他区间。

图5　隧道拱顶沉降值对比

3.2拱圈收敛值分析

图6给出了仰拱封闭距离为30m时，开挖面距研究断面不同距离时的净空收敛曲线。从图6可以看出，仰拱封闭距离为30m时，不同位置处的拱圈收敛曲线变化规律略有差异，随着开挖面由研究断面后方向研究断面前方推进，拱脚和拱腰的沉降值均增大，且拱脚收敛更加明显。在开挖到研究断面前方约25m时，拱脚收敛值开始稳定。在开挖到研究断面前方约20m时，拱腰收敛值开始稳定。拱肩收敛值基本没有变化。拱脚、拱腰、拱肩的最终收敛值分别为102，28，3mm。

图6仰拱封闭距离为30m时净空收敛曲线

图7给出了在其他条件不变的情况下，只改变仰拱封闭距离，仰拱封闭距离由15～50m变化时，隧道拱脚收敛曲线。从图7中可以看出，当仰拱封闭距离分别为15，20，30，40m时，随着开挖面由研究断面后方向研究断面前方推进，隧道拱脚净空收敛值逐渐增大，趋势基本相同。在开挖到相同位置时，随着仰拱封闭距离增大，收敛值也增大。各仰拱封闭距离的最终拱脚收敛值分别为70，82，102，112mm，仰拱封闭距离为40m时的拱脚收敛值为15m时的1.7倍。开挖到一定位置时，不同仰拱封闭距离的拱脚收敛值开始出现不同程度的稳定趋势，且稳定趋势的大小与仰拱封闭距离有关系。当仰拱封闭距离为15，20m时，开挖到掌子面前方约15m时拱脚收敛值开始稳定。当仰拱封闭距离为30m时，开挖到掌子面前方约25m时拱脚收敛值开始稳定。当仰拱封闭距离达到40m时，拱脚收敛值呈一直增长趋势。说明仰拱封闭距离越小，拱脚收敛值稳定得越早，当仰拱封闭距离过大（＞30m）拱脚收敛值不再稳定，基本呈持续增长状态。建议在实际工程中尽早进行仰拱封闭。

图8给出了在不同仰拱封闭距离情况下，预筑拱的变位。由图8可知，当仰拱封闭距离为50m时，隧道拱肩和拱脚处净空收敛值明显大于其他情况，拱脚部位最大收敛值为15m封闭情况的1.7倍，且拱脚处变形出现了不收敛趋势，与沉降曲线变化规律基本吻合。

图7　不同仰拱封闭距离拱脚收敛曲线

图8　不同仰拱封闭距离预筑拱的变位（单位：mm）

3.3应力对比分析

从不同施工阶段预筑拱各部位最大主应力可以看出，当仰拱封闭距离分别为15，20，25，30，40m时，隧道开挖过程中，除拱脚部位外，预筑拱其他部位的最大主应力均为负值，且数值比较小。即隧道开挖时，预筑拱拱脚受拉，且出现了应力集中现象，其他部位受压。隧道仰拱封闭后，预筑拱成环，应力重分布，支护结构最大主应力发生了变化，拱脚最大主应力为负值，拱肩最大主应力变成正值，拱顶和拱腰最大主应力方向没有发生改变，即拱肩受拉，其他部位均受压。仰拱封闭完成后，直到贯通整个隧道，预筑拱最大主应力的变化不大。整个过程中，拱顶和拱腰的最大主应力始终为负，即开挖过程中拱顶与拱腰一直处于受压状态。

仰拱封闭距离为40m时，在隧道贯通后拱肩最大主应力达到1.67MPa。由于C30素混凝土极限抗拉强度为2.2MPa，考虑到预筑拱浇灌不均匀造成的强度损失，将其强度折减70%，折减后的极限抗拉强度为1.54MPa。拱脚最大主应力和贯通后拱肩最大主应力均已超出折减后的C30素混凝土的极限抗拉强度1.54MPa，因此应在施工中采取适当的加固措施。在整个过程中，最大压应力出现在拱顶，大小为9.41MPa，小于C30素混凝土的极限抗压强度，满足要求。当仰拱封闭距离为50m时，开挖到研究断面，隧道各部位均为拉应力，其值为7.6，1.83，1.65，1.57MPa，均大于C30素混凝土的极限抗拉强度1.54MPa，显然不可取。

观察仰拱全部封闭后预筑拱最不利部位的受力，可以画出如图9所示的拱肩最大主应力随仰拱封闭距离的变化曲线。由图9可知，随着仰拱封闭距离的增大，拱肩部位应力逐渐增大。当仰拱封闭距离超过25m时，拱肩处最大主应力增大急剧，当仰拱封闭距离达到30m时，最大主应力已经超过预筑拱抗拉强度。

图9　拱肩最大主应力随仰拱封闭距离变化曲线

根据以上分析，在V级砂质黄土地层中采用预切槽法，预筑拱应采用C30素混凝土浇筑，埋深30m时，建议仰拱封闭距离为25～30m。

4　结论

1）随着仰拱封闭距离的增大，拱顶沉降逐渐增大，仰拱封闭距离由25m增大到30m时，拱顶沉降增长速率明显快于其他区间。

2）当仰拱封闭距离为15，20，25，30，40m时，随着仰拱封闭距离增大，隧道各监测部位的净空收敛值逐渐增大，但趋势基本相同。当仰拱封闭距离为50m时，隧道拱肩和拱脚净空收敛值明显大于其他仰拱封闭距离，拱腰净空收敛值小于其他仰拱封闭距离，拱脚的收敛曲线开始不收敛。

3）当仰拱封闭距离为15，20，25，30，40m时，预筑拱浇筑完成后，全断面开挖时，拱顶和拱脚都产生了较大变形，且拱肩和拱脚出现了拉应力，拉应力值超出了C30素混凝土的极限抗拉强度，影响了预筑拱的安全性。当仰拱封闭距离为50m时，预筑拱各部位均不满足安全性要求。

4）在Ⅴ级砂质黄土地层中采用预切槽法，预筑拱应采用C30素混凝土浇筑，埋深30m时，建议仰拱封闭距离为25～30m。

［1］刘祖典，郭增玉.黄土的工程地质特征及分类命名的建议［J］.陕西建筑与建材，2004（3）：26-29.

［2］中国科学院土木建筑研究所土力学研究室.黄土基本性质的研究［M］.北京：科学出版社，1961.

［3］王永焱，林在贵.中国黄土的结构特征及物理力学性质［M］.北京：科学出版社，1990.

［4］张英才，胡国伟，辛振省.大断面黄土隧道开挖工法对比分析与选择［J］.铁道工程学报，2010（3）：87-92.

［5］赵勇，李国良，喻渝.黄土隧道工程［M］.北京：中国铁道出版社，2011.

［6］赵勇.隧道围岩动态变形规律及控制技术研究［J］.北京交通大学学报，2010，34（4）：1-5.

［7］石磊，侯小军，武进广.大断面黄土隧道施工工法研究［J］.隧道建设，2013，33（3）：173-178.

［8］席浩，李绪干，时坚，等.宝兰铁路苏家川大断面黄土隧道三台阶施工变形控制技术［J］.隧道建设，2014，34（7）：679-684.

［9］彭刚.大断面黄土隧道施工过程数值模拟研究［D］.西安：长安大学，2012.

［10］张隽玮.黄土隧道预支护结构变形规律及受力安全性研究［D］.北京：北京交通大学，2014.

［11］中华人民共和国铁道部.TB10003—2005铁路隧道设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［12］郭健，王起才，唐述林，等.浅埋暗挖黄土隧道施工过程数值模拟分析［J］.铁道建筑，2010（8）：81-83.

［13］薛富春，马建林，颜利平，等.超大断面黄土隧道CRD法开挖的三维有限元分析［J］.铁道建筑，2010（5）：31-33.

［14］祝云华.软弱围岩隧道施工数值模拟分析［J］.铁道建筑，2011（5）：52-55.

AbstractInvert closure couldeffectivelycontrol tunnel deformationof soft surroundingrock.T akingthe Hongliangying tunnel as engineering background，this paper studied the reasonable invert closure distance of loess tunnel construction by pre-cutting method.T he clearance convergence of pre-arch above the tunnel，variation law of structure stress and stratum deformation situation were studied in six kinds of working conditions with invert closure distances of 15，20，25，30，40，50 m respectively by establishing three-dimensional model with FLAC3D numerical simulation software.T he study showed that there is no convergence trend in the convergence displacement curve and stratum subsidence curve when invert closure distance is 50 m，from excavation face to research cross-section the tensile stress is produced by pre-built arch and more than the ultimate tensile strength of the plain concrete，which does not meet the safety requirements.If invert closure distance is 15，20，25，30，40 m the vault settlement value accounts for 72%，69.1%，66%，64%and 52%of the total settlement value respectively when excavation face passing through research cross-section，invert closure distance should be controlled within 30 m by comprehensive consideration of stratum deformation and supporting structure stress，and supporting structure should be closure as soon as possible if construction conditions permit.

Research on Reasonable Distance of Invert Closure in Loess Tunnel by Pre-cutting Method

JIN Baocheng1，WANG Xiuying2
（1.China Railway First Survey＆Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710043，China；2.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

Pre-built arch；Invert closure distance；Stratum deformation；Clearance convergence；Structure stress

U455.49

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.14

1003-1995（2016）04-0051-05

（责任审编赵其文）

2015-09-29；

2015-12-06

国家科技支撑计划课题（2013BAF07B06）

靳宝成（1976—），男，教授级高级工程师。