不同开挖方式对黄土浅埋隧道地表变形影响研究

丁 点 点

(宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000)

不同开挖方式对黄土浅埋隧道地表变形影响研究

丁 点 点

(宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000)

目的研究影响隧道开挖引起的围岩变形与上覆地表沉降规律。方法以山西省某黄土特长隧道为工程背景，利用Midas-GTS软件模拟浅埋黄土隧道开挖与支护过程，分别选择环形留核心土法和双侧壁导坑法研究不同开挖方法对黄土隧道开挖过程中地表沉降和围岩变形的影响。结果与环形留核心土方法比较，采用双侧壁导坑法时隧道左线轴线上方地表竖向位移降低57.3%，右线降低53.9%；隧道左线拱顶下沉降低36.1%，右线降低38.4%；隧道左线拱底竖向位移降低47.2%，右线降低40.9%；隧道左线拱腰处水平位移降低73.7%，右线降低66.3%。结论采用双侧壁导坑法更适合黄土浅埋隧道的施工，对类似黄土隧道的施工提供参考。

隧道；开挖方式；留核心土法；双侧壁导坑法

对于特长、大跨度隧道，特别是浅埋黄土隧道，黄土湿度大、强度低，隧道开挖过程会引起围岩扰动，当开挖至上覆土体较浅处时，要特别注意开挖方式与开挖进尺，避免因开挖过快引起塌方等事故。国内外学者对隧道开挖过程中地表沉降与变形规律进行了研究，李雷[1]以郑西客运专线黄土隧道为工程背景，对大断面黄土隧道采用弧形导洞法施工的变形特点进行研究，结果表明，弧形导洞法同时适用于不同埋深条件下的砂质及粘土老黄土隧道和浅埋非饱和砂质新黄土隧道。段慧玲[2]等人结合已成功修建的大跨度公路隧道为例，介绍了不同围岩等级条件下双向六车道大跨度的施工方法，并利用有限元软件对不同开挖方法进行模拟，并总结不同开挖方法下隧道围岩应力、位移变化规律。郑毅[3]等以深圳市某过境高速公路为背景，通过对不同开挖方式下地表位移、洞周位移及衬砌最大主应力进行模拟分析，并给出采用单侧壁导洞法和CD法开挖的合理最佳支护间距范围。王清标[4]等人利用FLAC3D数值模拟软件，分别研究台阶法、眼镜法及CRD法3种开挖方式下交叠区围岩及既有隧道衬砌的变形及应力-应变发展规律、交叠区围岩塑性破坏规律。A.S.OSMAN[5]、金鑫[6]、王剑晨[7]、李文江[8]、台启民[9]、张承林[10]等人对隧道地表变形与围岩应力变化规律进行了研究。

本文以山西省某浅埋黄土隧道为工程背景，基于Midas-GTS模拟软件，对比留核心土和双侧壁导坑两种开挖方法下隧道围岩变形与地表沉降特征。

1 工程背景

鸳鸯会隧道位于朔州市山阴鸳鸯会村和冻牛坡村之间，设计为分离式隧道，右线进口里程为RK178+044，出口里程为RK+831，全长4 787 m；左线进口里程为LK178+102，出口里程LK182+830，全长4 728 m。左右两线共设斜井一处。隧道底板最大埋深左线316 m、右线317 m，属特长隧道。

2 数值模拟

为了研究隧道的开挖方法对隧道地表沉降的影响，本文选取两种隧道开挖方法：环形留核心土法和双侧壁导坑法进行对比分析。其中双侧壁导坑法中需要设置临时壁墙支撑，待灌注仰拱混凝土之后再拆除临时壁墙。初次衬砌支护材料参数见表1，隧道三维有限元模型和双侧壁临时壁墙见图1所示。

表1 隧道初衬支护材料参数

(a) 隧道三维有限元模型 (b) 模拟临时壁墙支撑

图1 Midas-GTS隧道模型图

分别模拟环形留核心土法和双侧壁导坑法施工对隧道4个监测点处位移的影响。4个位移控制点的位置为：点①为开挖断面正上方地表处；点②为隧道拱顶处；点③为隧道开挖断面拱底；点④为隧道的拱腰处。双侧壁导坑法和环形留核心土法施工过程中，隧道围岩变形情况如图2和图3所示。

图2 双侧壁导坑法开挖隧道围岩位移场变化图

图3 环形留核心土法开挖隧道位移场变化图

不同的开挖方法对应的两种工况下各控制点处位移见表2、表3。

表2 不同开挖方法对隧道左线监测点位移影响(单位：mm)

表3 不同开挖方法对隧道右线监测点位移影响(单位：mm)

对比两种施工方法对监测点位移的影响，可以看出，以环形留核心土法各控制点位移量为基准，隧道左线轴线上方地表竖向位移双侧壁导坑法比环形留核心土法降低57.3%，右线降低53.9%；隧道左线拱顶下沉双侧壁导坑法比留核心土法降低36.1%，右线降低38.4%；隧道左线拱底竖向位移双侧壁导坑法比留核心土法降低47.2%，右线降低40.9%；隧道左线拱腰处水平位移双侧壁导坑法比留核心土法降低73.7%，右线降低66.3%。从上述数据看出，当隧道上覆岩土体的厚度、开挖进尺、开挖孔径、围岩性质等因素一定的情形下，不同的开挖方法对地表沉降的影响是显著的，因而选择合理的开挖方法有利于隧道的安全施工。

3 结 论

隧道开挖过程中，不同的开挖方式对围岩变形产生显著的影响。

(1)以环形留核心土法各控制点位移量为基准，采用双侧壁导坑法的隧道左线轴线上方地表竖向位移、拱顶下沉量、拱底竖向位移和拱腰周边收敛值均明显降低。

(2)对于黄土浅埋隧道，采用双侧壁导坑法可以减少围岩扰动和变形带来的不利影响。因而要合理选择隧道的开挖方式。

[1] 李雷.大断面黄土隧道弧形导洞法施工关键技术研究[J].现代隧道技术，2009,46(02)：50-56.

[2] 段慧玲，张林.大跨度公路隧道合理开挖方法对比研究[J].土木工程学报，2009,42(09)：114-119.

[3] 郑毅，张子新.浅埋暗挖隧道开挖方式对地层扰动优化分析[J].地下空间与工程学报，2014,10(06)：1372-1379.

[4] 王清标，蒋金泉，路林海，等.不同开挖方式对近距离交叠隧道影响模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2013,32(10)：2079-2087.

[5] OSMAN A S，BOLTON M D，MAIR R J.Predicting 2D ground movements around tunnels in undrained clay[J].Geotechnique，2006,56(09)：597-604.

[6] 金鑫，朱文岳.复杂条件下大断面隧道双侧壁导坑法施工稳定性分析[J].重庆科技学院学报(自然科学版)，2011,13(02)：104-107.

[7] 王剑晨，张顶立，张成平，等.北京地区浅埋暗挖法下穿施工既有隧道变形特点及预测[J].岩石力学与工程学报，2014,33(05)：947-956.

[8] 李文江，孙明磊，朱永全，等.软弱围岩隧道台阶法施工中拱脚稳定性及其控制技术[J].岩石力学与工程学报，2012,31(S1)：2729-2737.

[9] 台启民，张顶立，房倩，等.暗挖重叠地铁隧道地表变形特性分析[J].岩石力学与工程学报，2014,33(12)：2472-2480.

[10] 张承林.双线隧道施工对地表沉降的影响数值模拟分析[J].公路交通科技，2016(10)：168-171.

[责任编辑：毛微曦英文编辑：刘彦哲]

InfluencesofDifferentExcavationMethodsonSurfaceDeformationofShallowBuriedTunnel

DINGDian-dian

(School of Resources and Civil Engineering,Suzhou University,Suzhou,Anhui 234000,China)

ObjectiveTo study the influence of tunnel excavation on the deformation of surrounding rock and the overlying surface settlement.MethodsTaking a shallow buried tunnel in Shanxi Province as the engineering background,simulating the excavation and supporting process of the tunnel by using the software of Midas-GTS,the research selected double-side heading method and annular pit with core rock support method to study the impact on surface subsidence and deformation of surrounding rock during excavation of loess tunnel.ResultsCompared with the annular pit with core rock support method,the method of double-side heading led to reduction of vertical surface displacement by 57.3%,and in the right line by 53.9%;left tunnel vault was reduced by 36.1%,and the right line by 38.4%;arch bottom vertical displacement of the left tunnel decreased by 47.2%,and in the right line by 40.9%;arch waist horizontal displacement of the left tunnel was reduced by 73.7%,and the right line by 66.3%.ConclusionDouble-side heading method is more suitable for the construction of shallow buried loess tunnel,providing reference for similar tunnel project.

tunnel;excavation method;annular pit with core rock support method;double-side heading method

来稿日期：2017-01-13

宿州区域发展协同创新中心青年人才培养开放课题:“巷道支护中喷锚回弹量优化研究”(2014SZXTQP08)；宿州学院校级教研项目:“基于工程教育背景的岩土工程课程群建设与改革”(szxyjyxm201421)

丁点点(1989-)，男，安徽淮北人，硕士，助教，主要研究方向：边坡工程稳定性分析。

U 456

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2017.11.009