大断面黄土隧道施工工法优化研究

宋 继 武

(中铁十四局集团，山东 济南 250061)



大断面黄土隧道施工工法优化研究

宋 继 武

(中铁十四局集团，山东 济南 250061)

针对某大断面黄土隧道修建过程中开挖施工引起变形收敛值大、无法保证围岩稳定的问题，提出了改进的三台阶七步开挖法施工工序，并借助ABAQUS开展数值模拟，分析了开挖过程的力学特性，保证了大断面黄土隧道围岩的稳定性。

大断面黄土隧道，围岩，三台阶七步法，ABAQUS

0 引言

我国黄土以分布广、厚度大、地层完整闻名于世，其中在黄河中游地区形成的分布面积达44万km2的黄土高原地貌为世界所罕见。西部大开发战略的实施，导致穿越黄土地区公路和铁路隧道工程越来越多，在大断面黄土隧道修建过程中，若隧道开挖工法选择不当常引起隧道围岩大变形，甚至造成隧道塌方等工程地质灾害问题。

目前，国内外学者已对大断面黄土的各种开挖工法的合理性和变形控制开展了一定的研究[1-5]，但仍然没有对大断面黄土隧道的变形规律和施工工法形成共识。因此开展大断面黄土施工工法的优化研究，具有重要的科学价值与实际意义，能够为类似工程提供良好的借鉴。

1 工程概况

由于黄土强度低、自承能力小、遇水变形大，在设计之初，将隧道围岩级别定为Ⅴ级加强围岩，并采用三台阶七步开挖作为施工工法，实际开挖后发现该施工工法引起的变形收敛值较大，无法保证隧道开挖时围岩的稳定。

2 改进的三台阶七步法

结合现场黄土的物理力学特性，对原有工法进行了改进。施工流程如图2所示，详细开挖步骤如下：

1)采取必要的超前支护措施，然后采用环形开挖方式开挖1处弧形导坑位置，并提前预留2处核心土。开挖之后立即喷射混凝土(厚度约3 cm～5 cm)，并设置上台阶临时仰拱(钢架型号：Ⅰ20a)，再次喷射混凝土(采用C25素混凝土，喷射厚度约20 cm)。

2)台阶法开挖左侧3和5处：台阶3超前台阶5约2 m～3 m，及时打锚杆和挂网喷混凝土形成联合支护体系，并设置临时仰拱和按设计参数复喷混凝土。

3)台阶法开挖右侧4和6处：开挖及支护方式参考步骤2)。

4)开挖拱底7：及时施作仰拱及初期支护。

5)开挖2处核心土。

3 改进工法施工过程模拟

3.1 地质力学参数

表1 各土层地质力学参数

3.2 模型范围

本文选取该大断面黄土隧道某典型断面，建立其有限元二维模型，模型范围为上至地表，左、右、下边界范围均大于3D(D为该大断面黄土隧道的直径)，二维有限元模型见图3，计算软件为ABAQUS。

3.3 支护体系等效刚度的计算

为了使有限元建模及分析过程变得更简洁方便，本文将喷射混凝土、钢筋网、钢拱架以及钢支撑等联合支护体系等效为实体单元，该支护体系的等效刚度可按式(1)计算：

EeqIeq=EsIs+EbIb+ErIr

(1)

其中，Eeq和Ieq分别为等效弹模和等效抗弯惯性矩；Es和Is分别为喷射混凝土的弹模和抗弯惯性矩；Eb和Ib分别为钢筋网弹模和抗弯惯性矩；Er和Ir分别为钢拱架弹模和抗弯惯性矩。数值模拟中所采用的实体单元等效刚度等参数如表2所示。

表2 实体单元等效刚度等参数

3.4 模拟结果分析

第七步开挖后围岩竖向位移云图如图4所示，其中图4a)为优化前，图4b)为优化后。由图4可见，优化前拱顶沉降约为14 cm，优化后减小为8 cm，这说明工法优化有效地控制了隧道净空位移，优化后隧道围岩整体变形较优化前减小，而且模拟过程中观测到每一分部开挖后，位移变化率减小。

采用优化前和优化后施工工法，开挖完成后隧道洞周塑性区分布如图5所示。由图5可见，采用优化后的工法施工对围岩变形的控制明显比优化前的效果要好，优化前工法施工时，洞周围岩塑性区最终扩展到整个隧道轮廓线周围，而采用优化后的工法施工只是在边墙与拱腰处存在塑性区。

4 结语

为有效控制大断面黄土隧道洞周土体变形，防止隧道大变形或者塌方灾害的产生，本文提出了改进的三台阶七步开挖工法，并利用数值模拟技术分析了工法施工过程的力学特性，通过对比工法优化前与优化后的拱顶位移和塑性区，结果表明，改进的施工工法能够有效地控制洞周土体的变形，可以应用到大断面黄土隧道施工过程中。

[1] 乔春生，管振祥，滕文彦.饱水黄土隧道变形规律研究[J].岩土力学，2003，24(S2):225-230.

[2] 扈世民，张顶立，郭 婷，等.大断面黄土隧道变形特征分析[J].铁道学报，2012，34(8)：117-122.

[3] 李树忱，晏 勤，谢 璨，等.膨胀性黄土隧道钢拱架—格栅联合支护力学特性研究[J].岩石力学与工程学报，2017，36(2):446-456.

[4] 赵东平，喻 渝，王明年.大断面黄土隧道变形规律及预留变形量研究[J].现代隧道技术，2009，46(6):64-69.

[5] 陈建勋，王梦恕，轩俊杰.两车道公路黄土隧道变形规律[J].交通运输工程学报，2012，12(3):9-18.

On optimization of large-section loess tunnel construction methods

Song Jiwu

(ChinaRailway14thBureauGroup,Jinan250061,China)

According to the excavation problems in some large-section loess tunnel maintenance including the large convergence deformation value and failure in ensuring the stability of the surround rocks, analyzes the dynamic features of the excavation with ABAQUS development numeric simulation, and points out the improved three-platform and seven-step excavation construction procedure, so as to ensure the surrounding rocks’ stability of the large-section loess tunnel.

large-section loess tunnel, surrounding rock, three-step and seven-step method, ABAQUS

1009-6825(2017)13-0187-02

2017-02-21

宋继武(1974- )，男，工程师

U455

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