下穿高速公路淺埋大跨度黃土隧道施工措施研究

1、第32卷第9期 巖 土 力 學(xué) V ol.32 No. 9 2011年9月 Rock and Soil Mechanics Sep. 2011收稿日期:2010-05-31基金項(xiàng)目:鐵道部重大科技研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(No. 2005K001-D (G-2。文章編號(hào):1000-7598 (2011 09-2803-07下穿高速公路淺埋大跨度黃土隧道施工措施研究李 健1,譚忠盛1,喻 渝2,倪魯肅1(1. 北京交通大學(xué) 土建學(xué)院,北京 100044;2. 鐵道第二勘測(cè)設(shè)計(jì)院,成都 610031摘 要:依托鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)閿鄉(xiāng)隧道,開(kāi)展淺埋大跨黃土隧道優(yōu)化施工研究。對(duì)隧道進(jìn)入下穿高速公路前的地表沉降,拱頂

2、下沉及初支鋼架應(yīng)力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),結(jié)果表明,土體沉降及初支應(yīng)力不能得到有效控制,現(xiàn)有的施工方案無(wú)法滿(mǎn)足下穿段施工安全要求,需要及時(shí)對(duì)其調(diào)整;經(jīng)綜合分析,提出了減小開(kāi)挖面積、側(cè)導(dǎo)多臺(tái)階開(kāi)挖、預(yù)留核心土、快速封閉及加強(qiáng)初期支護(hù)等一系列優(yōu)化措施,并采用數(shù)值計(jì)算軟件FLAC 3D 驗(yàn)證其安全性和可靠性。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施及監(jiān)測(cè)結(jié)果的反饋,證明優(yōu)化措施效果明顯,保障了閿鄉(xiāng)隧道順利下穿連霍高速公路。研究成果為類(lèi)似施工中采取相應(yīng)措施控制土體沉降、保護(hù)周邊建筑設(shè)施的安全使用提供了依據(jù)。關(guān) 鍵 詞:淺埋暗挖;下穿施工;黃土隧道;現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè);施工優(yōu)化 中圖分類(lèi)號(hào):U 456.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AResearch on con

3、struction procedure for shallow large-spantunnel undercrossing highwayLI Jian 1,TAN Zhong-sheng 1,YU Yu 2,NI Lu-su 1(1. School of Civil Engineering and Architecture, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;2. The Second Survey and Design Institute of China Railway, Chengdu 610031, China A

4、bstract : Wenxiang tunnel for Zheng-Xi Special Passenger Railway has been done a series of research on optimizing the construction method for shallow large-span loess tunnel. According to the field monitoring of ground settlement, vault settlement and primary support stress of the tunnel section bef

5、ore tunnel undercrossing the Lian-Huo expressway. The result indicates that soil settlement and primary support stress can not be controlled very well; and the current construction scheme needs to be reformed since it can not satisfy construction safety requirement. Through synthetical analysis, som

6、e optimized methods such as reducing excavation area, increasing excavation steps of pilot tunnel, reserving core soil, quick closure, reinforcing primary support, etc. have been used in construction; and their security and reliability are verified by numerical analysis software fast Lagrangian anal

7、ysis of continua in 3 dimensions (FLAC 3D . From feedback of field implement and monitoring result, the effect of optimized methods is significant; and these methods ensure the undercrossing project implements successfully. These research results have high referential value for analogous project to

8、control soil settlement and protect the safety of neighbouring building facilities.Key words: shallow burying mining; undercrossing construction; loess tunnel; field monitoring; construction optimization1 引 言大跨隧道施工方法,國(guó)內(nèi)外從20世紀(jì)80年代后主要采用臺(tái)階分部、中壁法以及雙側(cè)壁法及環(huán)形開(kāi)挖留核心土法開(kāi)挖,而對(duì)于大跨黃土隧道施工,國(guó)內(nèi)成功采用預(yù)留核心土短臺(tái)階法解決開(kāi)挖面積近140 m

9、 2大跨老黃土隧道施工(黃延高速公路道南隧道緊急停車(chē)帶,并在淺埋新黃土雙線(xiàn)鐵路隧道中采用CRD 法成功下穿既有鐵路(寶蘭鐵路新曲兒岔隧道1-2。閿鄉(xiāng)隧道集大跨(跨度15.6 m 、淺埋(埋深10 m 、軟巖(Q 3砂質(zhì)黃土地層、下穿建構(gòu)筑物(連霍高速公路等各種情況于一身,在國(guó)內(nèi)外尚無(wú)先例,因而,工程施工難度極大,工程施工安全的控制極其重要。按照工程要求實(shí)現(xiàn)安全和快速施工,需要對(duì)目前修建大跨隧道的主要施工方法進(jìn)行對(duì)比分析和綜合評(píng)價(jià),在此基礎(chǔ)上提出合理的施工方法。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者雖然對(duì)隧道施工引起的地層巖 土 力 學(xué) 2011年 變形和支護(hù)內(nèi)力的計(jì)算及其安全性評(píng)價(jià)進(jìn)行了大量的研究3-9,但針對(duì)黃土

10、隧道施工不同施工工序及間距對(duì)地層變形影響,以及采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)值模擬的相關(guān)研究,還未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。本文將結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值分析兩種手段,對(duì)試驗(yàn)段地表沉降、拱頂下沉及初支內(nèi)力等試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出各個(gè)施工步開(kāi)挖沉降所占比重。通過(guò)FLAC 3D 軟件在已有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算,推導(dǎo)出符合理論計(jì)算的土體參數(shù),并應(yīng)用于優(yōu)化施工方案中,驗(yàn)證其控制地層變形效果。2 工程概況鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)閿鄉(xiāng)隧道位于鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)西段的靈寶市,隧道全長(zhǎng)為770 m ,為雙線(xiàn)大跨淺埋黃土隧道。隧道在以15°的小角度下穿連霍高速公路,下穿段長(zhǎng)達(dá)270 m ,并分為兩部分:正式下穿段為160 m ,從公路

11、正下方穿過(guò),此段的埋深僅有10 m 左右;兩側(cè)公路路塹邊坡下穿段,共計(jì)110 m ,埋深為1024 m 。試驗(yàn)段在公路邊坡一側(cè),長(zhǎng)40 m ,隧道與高速公路具體位置關(guān)系見(jiàn)圖1。隧道所處的地層為Q 3砂質(zhì)黃土地層,土質(zhì)松散,土體穩(wěn)定性極差,而隧道開(kāi)挖斷面特大(閿鄉(xiāng)隧道的最大開(kāi)挖跨度為15.6 m 、高為13.6 m ,最大開(kāi)挖面積達(dá)175 m 2,施工難度極大。圖1 隧道與高速公路位置關(guān)系Fig.1 Position relationship betweentunnel and highway與巖體相比,黃土土體強(qiáng)度低、變形大、自承能力小、工程性質(zhì)差,受水的影響十分強(qiáng)烈,一旦被水浸泡達(dá)到飽和狀態(tài)

12、,其強(qiáng)度會(huì)明顯降低,工程性質(zhì)發(fā)生很大變化。在黃土隧道中,因其土質(zhì)比較松散,開(kāi)挖后易形成分層坍塌,層厚一般為20 60 cm 之間,故需合適的施工工法。在試驗(yàn)段將隧道的施工工法進(jìn)行轉(zhuǎn)換,改CRD 法為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法,具體施工流程簡(jiǎn)化如下:(1先開(kāi)挖右導(dǎo)坑上臺(tái)階,開(kāi)挖高度為7 m ,每次進(jìn)尺0.8 m ,開(kāi)挖后立即進(jìn)行支護(hù)。仰拱開(kāi)挖后立即支護(hù)閉合,并及時(shí)回填。(2開(kāi)挖左導(dǎo)坑,開(kāi)挖方法與右側(cè)相同,開(kāi)挖面與右側(cè)維持相差10 m 左右的間距。(3開(kāi)挖中間部分土體,采用臺(tái)階法開(kāi)挖,每次進(jìn)尺0.8 m ,臺(tái)階長(zhǎng)度為4 m 左右,開(kāi)挖約2 m 后,下臺(tái)階與仰拱一次開(kāi)挖,并及時(shí)閉合仰拱及回填。圖2為試驗(yàn)段雙側(cè)壁導(dǎo)

13、坑法施工工序圖。試驗(yàn)段具體的支護(hù)參數(shù)如下:(1超前支護(hù):采用壁厚為8 mm 的159 mm 單層大管棚,管棚的間距為40 cm ,在拱頂110°范圍施作,長(zhǎng)度為70 m 。掌子面采用25 mm 纖維錨桿,長(zhǎng)為12 m ,間距為1.2 m ,梅花形布置。(2初期支護(hù):采用I25a 型鋼鋼架、掛網(wǎng)噴混凝土,鋼架間距為0.8 m 。在邊墻采用22 mm 藥包錨桿加強(qiáng)支護(hù),藥包錨桿長(zhǎng)為4 m ,間距為1.0 m ,梅花形布置。圖2 隧道施工步序圖(單位:mm Fig.2 The excavation procedures of tunnel(unit :mm3 測(cè)點(diǎn)布置3.1 地表與拱頂測(cè)點(diǎn)

14、布置地表與拱頂沉降布置,在試驗(yàn)段共設(shè)置了8個(gè)地表沉降觀(guān)測(cè)斷面,每個(gè)斷面間隔為5 m ,采用精密水準(zhǔn)儀測(cè)量,測(cè)量頻率1次/d ,具體布置圖見(jiàn)圖3、4。圖3 地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout of monitoring points for groundsurface settlementsI18橫撐(必要時(shí)設(shè)置I18橫撐(必要時(shí)設(shè)置I18臨時(shí)鋼架 I18臨時(shí)鋼架I18橫撐I18橫撐 22水平錨桿 22水平錨桿(L =3 500 (L =3 500 約3000正式下穿前的40 m 作為試驗(yàn)段閿鄉(xiāng)隧道鄭州西安15°2804第9期 李 健等:下穿高速公路淺埋大跨度黃土隧道施工措施

15、研究(a 測(cè)點(diǎn)布置(DK298+775、+785(b 測(cè)點(diǎn)布置(DK298+760、+765、+770、+790、+795、+800圖4 地表橫斷面測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.4 Layout of lateral ground surface monitoring points3.2 初支內(nèi)力測(cè)點(diǎn)布置在DK289+785斷面的鋼架共布設(shè)了12處測(cè)點(diǎn),每個(gè)測(cè)點(diǎn)的鋼架內(nèi)外側(cè)各布設(shè)1個(gè)應(yīng)變計(jì)測(cè)試鋼架應(yīng)力,共24個(gè)應(yīng)變計(jì)。在斷面內(nèi)側(cè)布設(shè)4個(gè)混凝土表面應(yīng)變計(jì),測(cè)試噴混凝土的應(yīng)力,具體布置如圖5所示。 圖5 鋼拱架應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.5 Layout of stress measuring points ons

16、teel framework4 試驗(yàn)結(jié)果及分析4.1 拱頂及地表沉降分析經(jīng)半年多時(shí)間的監(jiān)測(cè),得到試驗(yàn)段典型斷面拱頂下沉及地表沉降曲線(xiàn)如圖6所示。由圖可以看出:(1隧道拱頂總沉降比地表總沉降小,拱頂沉降在310460 mm 之間,地表沉降在480540 mm 之間,拱頂總沉降為地表總沉降的65%94%。(2左導(dǎo)洞超前右導(dǎo)洞5 m 左右、超前中間土體12 m 左右。左導(dǎo)洞拱頂超前沉降占總沉降11%,左導(dǎo)洞地表超前沉降占總沉降18%;右導(dǎo)洞拱頂超前沉降占總沉降15%,右導(dǎo)洞地表超前沉降占總沉降22%;中間部分拱頂超前沉降占總沉降的72%,中間部分地表超前沉降占總沉降的58%,主要受兩側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖的影響

17、。12-41-32-23-3 4-2 5-2 6-1沉降量/m m左洞拱頂 中洞拱頂 右洞拱頂日期/月-日 左導(dǎo)封閉 右導(dǎo)封閉(a DK298+780斷面拱頂下沉全位移歷時(shí)曲線(xiàn)010020030040050060011-2912-191-81-282-173-8 3-284-175-7沉降量/m m1#2#3#4#5#6#7#8#日期/月-日左導(dǎo)封閉 右導(dǎo)封閉(b DK298+775斷面地表沉降全位移歷時(shí)曲線(xiàn)圖6 隧道施工過(guò)程拱頂及地表沉降全位移歷時(shí)曲線(xiàn)Fig.6 Vault and ground settlements time history curvesduring tunnel con

18、struction progress(3左、右導(dǎo)洞上下臺(tái)階法開(kāi)挖,拱頂沉降的超前影響距離均為4 m 左右,地表沉降的超前影響距離均為8 m 左右;中間土體3臺(tái)階法開(kāi)挖,拱頂沉降的超前影響距離為8 m 左右,地表沉降的超前影響距離為12 m 左右。(4地表沉降與拱頂沉降曲線(xiàn)規(guī)律一致,在側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖到DK298+780斷面之后到中間土體也開(kāi)挖到該斷面時(shí),這段時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大沉降,占總沉降的65%80%,中間部分土體開(kāi)挖引起的沉降占15%20%,全斷面封閉后的沉降僅占3%。 4.2 初支內(nèi)力分析鋼架應(yīng)力的時(shí)間歷時(shí)曲線(xiàn)如圖7所示,應(yīng)力分布如圖8所示,混凝土應(yīng)力如圖9所示。由圖79可以看出:(1初支鋼架的拱

19、頂內(nèi)外側(cè)均受拉,其他部分鋼架內(nèi)外側(cè)均為受壓。拱頂應(yīng)力大小在20 MPa 左右;右導(dǎo)坑拱頂壓應(yīng)力最大,達(dá)-182.1 MPa ;邊墻應(yīng)力大小達(dá)-81 MPa ;仰拱中間受力較小、兩側(cè)受力較大達(dá)98 MPa 。(2先開(kāi)挖左右導(dǎo)洞的鋼架受中間部開(kāi)挖影響明顯,中間拱部土體的開(kāi)挖能使兩側(cè)導(dǎo)洞鋼架的應(yīng)力改變1040 MPa 。(3全斷面封閉能使鋼架應(yīng)力穩(wěn)定,在拆除臨時(shí)支撐的雙側(cè)壁時(shí),斷面鋼架應(yīng)力會(huì)有明顯變大,直到二襯施工完成后才最終穩(wěn)定(9月底施作二襯。隧道中線(xiàn)9點(diǎn)8點(diǎn) 7點(diǎn) 6點(diǎn)5點(diǎn)4點(diǎn) 3點(diǎn)2點(diǎn)地面1點(diǎn)5.0 m 3.5 m 3.0 m 2.5 m 3.0 m 3.5 m 5.0 m隧道中線(xiàn)地面5點(diǎn)4

20、點(diǎn)3點(diǎn)2點(diǎn)1點(diǎn)5.0 m 5.5 m 5.5 m 5.0 m2805巖 土 力 學(xué) 2011年 -140-100-60 -20 204-2 5-2 6-1 7-1 7-318-30 9-2910-2911-28日期/月-日 應(yīng)力/M P aWE1WE2WE4WE5WE6WE7WE8WE9WE10拱部開(kāi)挖 全段面封閉臨時(shí)支撐拆除左導(dǎo)封閉 右導(dǎo)封閉(a 外環(huán)應(yīng)力-200-160-120 -80 -40 040 4-2 5-2 6-1 7-1 7-318-309-29 10-29 11-28日期/月-日 應(yīng)力/MP aNE1NE2NE3NE4NE5NE6NE7NE8NE9NE10拱部開(kāi)挖全段面封閉

21、臨時(shí)支撐拆除 右導(dǎo)封閉左導(dǎo)封閉(b 內(nèi)環(huán)應(yīng)力圖7 DK298+785斷面鋼架應(yīng)力時(shí)態(tài)曲線(xiàn)圖 Fig.7 Time history curves of stresses in steelframe at section DK298+785(a 鋼架外側(cè)應(yīng)力 (b 鋼架內(nèi)側(cè)應(yīng)力圖8 DK298+785斷面鋼架應(yīng)力分布圖(單位:MPa Fig.8 Stress distributions of steel frame arch atsection DK298+785 (unit: MPa-8-6-4-20 2 4 6 8 5-76-67-68-59-410-411-3 12-3日期/月-日混凝土應(yīng)力

22、/M P aNC1NC2NC3NC4圖9 DK298+785斷面混凝土應(yīng)力時(shí)態(tài)曲線(xiàn)Fig.9 Time history curves of stress in concreteat section DK298+785(4拱頂混凝土受拉,拉應(yīng)力大小在1.8 MPa 左右;拱腰處(接近側(cè)導(dǎo)洞拱頂混凝土受壓,壓應(yīng)力為-7 MPa 左右;仰拱處的噴混凝土受壓,應(yīng)力在4 MPa 左右。(5由鋼架應(yīng)力和噴混凝土應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果可知,鋼架與噴混凝土的應(yīng)力分布規(guī)律一致,但鋼架應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于噴混凝土應(yīng)力,鋼架應(yīng)力大約是噴混凝土應(yīng)力的10倍。 4.3 試驗(yàn)段施工分析為了得到隧道施工過(guò)程拱頂?shù)某两狄?guī)律以及拱頂沉降與地表

23、沉降的關(guān)系,根據(jù)圖6中數(shù)據(jù)計(jì)算出各開(kāi)挖步產(chǎn)生的沉降及比例,見(jiàn)表1。表1 各開(kāi)挖步產(chǎn)生的沉降及比例(單位:mm Table 1 Amount and proportion of settlement in everyexcavation step (unit: mm左導(dǎo)洞隧道中線(xiàn)右導(dǎo)洞施工步觀(guān)測(cè)點(diǎn)沉降值占總 沉降 /%沉降值 占總 沉降 /%沉降值占總沉降/%拱頂沉降51.511 0.87 0 5.5 2 左導(dǎo)坑開(kāi)挖到DK298+780地表沉降85.518 73.7 14 57.912 拱頂沉降115.226 24.7 5 45.815 右導(dǎo)坑開(kāi)挖到DK298+780地表沉降141.829 12

24、8.5 23 105.822 拱頂沉降369.882 361.4 77 260.884 中間土開(kāi)挖到DK298+780地表沉降393.482 443.7 81 392.482 拱頂沉降438.397 451.9 97 300.197 全斷面封閉后地表沉降465.997 527.4 97 463.197 拱頂總沉降 451.394 467.5 86 309.565 地表總沉降481.2544.1 478.0由表1可知,試驗(yàn)段地表沉降并沒(méi)有得到很好的控制,按照試驗(yàn)段施工方案很難達(dá)到下穿段要求的50 mm 的控制標(biāo)準(zhǔn)10,從而通過(guò)分析數(shù)據(jù)提出以下優(yōu)化措施:(1由于側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖產(chǎn)生的沉降所占的比例最大,

25、因此,為了控制沉降,兩側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)分為4步(即3個(gè)臺(tái)階和仰拱,減小了每步的開(kāi)挖面積,并預(yù)留核心土,減小上中臺(tái)階長(zhǎng)度,上臺(tái)階長(zhǎng)度為2.43 m ,中臺(tái)階長(zhǎng)度為2.43 m ,下臺(tái)階長(zhǎng)度為5 m 左右,這樣能有效地控制掌子面的穩(wěn)定,減小施工對(duì)地表的影響。(2中間土體開(kāi)挖基本上與試驗(yàn)段一樣,也是分上中下3臺(tái)階開(kāi)挖,改進(jìn)的是在開(kāi)挖上臺(tái)階時(shí)預(yù)留核心土,以及中下臺(tái)階同時(shí)開(kāi)挖。這樣能有效地控制掌子面的穩(wěn)定,并快速地封閉仰供,減小地表的沉降。(3為了能快速封閉開(kāi)挖面,減少開(kāi)挖面暴露的時(shí)間,減少地應(yīng)力的釋放,從而減小地表沉降,2806第9期李健等:下穿高速公路淺埋大跨度黃土隧道施工措施研究開(kāi)挖進(jìn)尺由原來(lái)的0.8

26、 m減小為0.6 m。(4側(cè)導(dǎo)洞下臺(tái)階及仰供、中間土體上中下臺(tái)階都采用機(jī)械開(kāi)挖,這樣有利于快速施工,快速封閉仰供,能更有效地控制地表沉降。(5在閿鄉(xiāng)隧道施工中,初期支護(hù)的剛度對(duì)地層變形有較大影響,一方面由于采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工,當(dāng)施作兩側(cè)弧形導(dǎo)坑內(nèi)的鋼架時(shí),很難將其控制在同一平面內(nèi),使得頂部弧形導(dǎo)坑開(kāi)挖后,鋼架無(wú)法連成整體,支護(hù)承載能力大大降低;另一方面由于隧道上方的高速公路經(jīng)常有重載車(chē)輛通行,而埋深只有10 m。故采用加密鋼架、雙層初支的措施加強(qiáng)初期支護(hù),其中第2層初支采用格柵噴混凝土有利于使兩層支護(hù)緊密黏結(jié),能比模筑混凝土更快地提供剛度;同時(shí),由于試驗(yàn)段沒(méi)有進(jìn)行初支背后填充注漿而使地表沉降

27、很大,因此,在下穿段必須增加初支背后的填充注漿。5 數(shù)值分析為了論證優(yōu)化施工方案對(duì)地層變形的控制效果,進(jìn)一步深入研究?jī)?yōu)化施工工序下各施工步的開(kāi)挖對(duì)土體變形計(jì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響,利用三維有限差分軟件FLAC3D,根據(jù)實(shí)際開(kāi)挖步驟,對(duì)隧道施工全過(guò)程采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬11-12。5.1 模型的建立在有限元計(jì)算中,邊界約束條件對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大,根據(jù)潘昌實(shí)等13-14的研究,本次計(jì)算范圍選取為:試驗(yàn)段上部取至地表24 m,下穿段取至地表10 m;左右部及下部邊界取至離隧道外緣周邊2倍洞徑,約30 m,模型長(zhǎng)為30 m;左右為水平約束邊界,下部為垂直約束邊界,地表為自由邊界;試驗(yàn)段

28、模型每施工步臺(tái)階長(zhǎng)度為4 m,每次進(jìn)尺為0.8 m,下穿段模型每施工步臺(tái)階長(zhǎng)度為2.4 m,每次進(jìn)尺0.6 m,研究斷面取在距前邊界10 m處。計(jì)算中用8節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元模擬圍巖、初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù),管棚的作用采用等效方法予以考慮,將管棚的彈性模量折算給地層15。下穿段計(jì)算模型總單元數(shù)為68 160個(gè),總節(jié)點(diǎn)數(shù)為71 126個(gè)。5.2 圍巖與支護(hù)參數(shù)計(jì)算模型中,對(duì)錨桿加固的土體圍巖,按經(jīng)驗(yàn)采取提高其c,值來(lái)加以仿真模擬16-17,圍巖及支護(hù)材料的物理力學(xué)參數(shù)取值如表2所示。在試驗(yàn)段模型計(jì)算時(shí),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)圍巖物性指標(biāo)彈性模量E進(jìn)行調(diào)整,當(dāng)模型計(jì)算結(jié)果中地層變形及初支應(yīng)力與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相同時(shí)

29、,將該物性指標(biāo)用于下穿段優(yōu)化施工的模型計(jì)算中,以保證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。表2 圍巖物性指標(biāo)及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of ground and support 圍巖及結(jié)構(gòu)容重/(kN/m3彈性模量E/GPa泊松比基床系數(shù)K/(MPa/m凝聚力c/MPa內(nèi)摩擦角/(° C30鋼筋混凝土C20鋼筋混凝土5.3 結(jié)果分析(1拱頂沉降分析分析計(jì)算結(jié)果,得到每步開(kāi)挖造成的沉降量及占總沉降量的比例,如圖10和表3所示。由圖9及表3可以發(fā)現(xiàn):隨著開(kāi)挖推進(jìn),在20 m距離以前,沉降逐漸增長(zhǎng);之后拱頂沉降趨于收斂;初期支護(hù)拱頂沉降不大,最終拱頂沉降值約為4

30、7 mm;由于開(kāi)挖跨度大,開(kāi)挖跨度D =16 m,故收斂距離約在1.5D左右; 1020304050600102030 40 50推進(jìn)距離/m拱頂沉降/mm圖10 初期支護(hù)拱頂沉降變化曲線(xiàn)圖Fig.10 Vault settlement curve of primary support表3 各工序開(kāi)挖階段造成的沉降及其比例(單位:mmTable 3 Amount and proportion of settlement caused by every excavation procedure (unit: mm 計(jì)算值工序1 工序2 工序3 工序4 前4步工序5 工序6 工序7 工序8 封閉后

31、階段值/mm 8.79 4.39 1.75 2.5217.454.405.637.876.264.80 占百分比/% 18.94 9.45 3.775.4337.599.4812.1316.9613.4910.3428072808 巖 土 力 學(xué) 2011 年 前 4 步工序造成的拱頂沉降為 17 mm 左右， 占總沉降的并不大，說(shuō)明減小開(kāi)挖面積、小步距開(kāi) 后 4 步工序中要注意控制整體沉降，可以采用對(duì)鋼 架拱腳進(jìn)行加固的方式，加固方法為增設(shè)鎖腳錨管 （4 根） 、大拱腳、牛腿和槽鋼墊板。 （2）初支內(nèi)力分析 分析計(jì)算結(jié)果，得到最終初期支護(hù)應(yīng)力及初期 支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性，如表 4 所示。 表 4

32、初期支護(hù)最終應(yīng)力（單位：MPa） Table 4 Final stresses of primary support (unit: MPa 部位 拱頂 左拱腳 右拱腳 左墻腳 右墻腳 仰拱 最大主應(yīng)力 0.4 11.9 6.0 9.2 7.4 1.6 安全性 安全 安全 安全 安全 安全 安全 最小主應(yīng)力 -1.7 -13.4 -3.8 -7.3 -8.1 -6.5 安全性 安全 安全 安全 安全 安全 安全 累積沉降量/mm 10-31 0 10 20 30 40 50 11-30 日期/月-日 12-30 1-29 2-28 3-30 875-3 880-2 885-4 900-2 915

33、-2 920-2 890-2 895-2 挖、早封閉的優(yōu)化施工方式取得了預(yù)期的效果。在 圖 12 高速公路隔離帶測(cè)點(diǎn)沉降歷時(shí)曲線(xiàn) Fig.12 Settlement time history curves of spots on sides of expressway 7 結(jié) 論 （1）為了穩(wěn)定淺埋大跨黃土隧道掌子面，防止 塌方，必須減小每步的開(kāi)挖面積，將側(cè)導(dǎo)洞分上、 中、下臺(tái)階及仰拱開(kāi)挖，中間土體分上、中、下臺(tái) 階開(kāi)挖，且上臺(tái)階預(yù)留核心土；同時(shí)，采用雙層初 期支護(hù)，提高初期支護(hù)剛度以控制地層變形；采用 人工和機(jī)械相結(jié)合的開(kāi)挖方法，實(shí)現(xiàn)快速施工、快 速封閉仰供，能更有效地控制地表沉降。閿鄉(xiāng)隧道

34、 下穿段采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案后，地表沉降基本被控制 在 50 mm 以?xún)?nèi)。 （2）加快開(kāi)挖面封閉、導(dǎo)洞斷面封閉、隧道全 斷面封閉，能非常有效地控制地表沉降。從大量黃 土隧道的施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，斷面封閉后的沉 降占總沉降 10%以下，閿鄉(xiāng)隧道試驗(yàn)段仰供封閉后 的地表沉降占總沉降不到 5%，而且斷面封閉后很 快穩(wěn)定。因此，斷面的及時(shí)封閉對(duì)控制地表沉降十 分重要。 參 考 文 獻(xiàn) 1 譚忠盛, 喻渝, 王明年, 等. 大斷面淺埋黃土隧道錨桿 作用效果的試驗(yàn)研究J. 巖土力學(xué), 2008, 29(2: 491 496. TAN Zhong-sheng, YU Yu, WANG Ming-nian, e

35、t al. Experimental study on bolt effect on large section shallow 由表可以發(fā)現(xiàn)： 初期支護(hù)在施工過(guò)程中出現(xiàn)了應(yīng)力集中，拉 壓應(yīng)力集中均發(fā)生在供腳、墻腳。 施工過(guò)程中，最大主應(yīng)力為 11.9 MPa，最小 主應(yīng)力為-13.4 MPa，小于鋼筋的屈服強(qiáng)度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小 于試驗(yàn)段鋼架實(shí)測(cè)內(nèi)力，符合安全性要求。 6 工程應(yīng)用 采用施工優(yōu)化方案后，下穿段隧道成功穿越連 霍高速公路，并且地表沉降得到了有效控制。 由圖 11、 可以得到： 12 截止閿鄉(xiāng)隧道順利貫通， 測(cè)點(diǎn)的地表沉降最大值在為 56 mm（因?yàn)橄麓┒问?工施做雙層管棚，所以停工 1

36、個(gè)月，處于正上方 DK298+885 處地表沉降累積值較大） ，沉降最大的 測(cè)點(diǎn)距隧道全斷面封閉距離為 20 m，并且收斂較 快，在開(kāi)挖后 2D 范圍距離處收斂穩(wěn)定，不會(huì)再發(fā) 生較大的變化，滿(mǎn)足行車(chē)要求。 日期/月-日 1-29 3-2 11-26 0 累計(jì)沉降量/mm 16 32 48 64 80 12-28 4-3 左導(dǎo) 865-2 左導(dǎo) 870-2 左導(dǎo) 875-2 左導(dǎo) 880-1 左導(dǎo) 885-3 中導(dǎo) 890-1 中導(dǎo) 895-1 中導(dǎo) 900-1 中導(dǎo) 905-2 右導(dǎo) 905-1 右導(dǎo) 910-1 右導(dǎo) 915-1 右導(dǎo) 920-1 右導(dǎo) 925-1 depth loess t

37、unnelsJ. Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(2: 491496. 2 趙學(xué)動(dòng), 倪玉山. 黃土隧道圍巖變形的長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)及其 穩(wěn)定性的分析J. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2002, (增刊: 371 374. ZHAO Xue-dong, NI Yu-shan. Long-term observation of deformation and analysis of stability in loess tunnelJ. Modern Tunnelling Technology, 2002, (Supp.: 371 374. 圖 11 高速公路路面測(cè)點(diǎn)沉降歷時(shí)曲線(xiàn)

38、Fig.11 Settlement time history curves of spots on expressway 第9期 李 健等：下穿高速公路淺埋大跨度黃土隧道施工措施研究 2809 3 劉惠敏, 趙月, 吳波. CRD 法不同施工工序的比較與分 析J. 隧道建設(shè), 2005, 25(5: 610. LIU Hui-min, ZHAO Yue, WU Bo. Comparison and analysis of different working procedures of CRD methodJ. Tunnel Construction, 2005, 25(5: 610. Univ

39、ersity, 2008, 32(4: 137140. 11 張志強(qiáng), 何川. 偏壓連拱隧道優(yōu)化施工的研究J. 巖土 力學(xué), 2007, 28(4: 723727. ZHANG Zhi-qiang, HE Chuan. Research on optimized construction procedure for double arched tunnel in unsymmetrical pressureJ. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(4: 723727. 12 楊小禮, 眭志榮. 淺埋小凈距偏壓隧道施工工序的數(shù) 值分析J. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版

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41、 中國(guó)鐵道出版 社, 1995. 15 李術(shù)才, 朱維申. 彈塑性大位移有限元方法在軟巖隧 道變形預(yù)估系統(tǒng)研究中的應(yīng)用J. 巖石力學(xué)與工程學(xué) 報(bào), 2002, 21(4: 466470. LI Shu-cai, ZHU Wei-shen. Application of elasto-plastic large displacement finite element method to the study of deformation prediction of soft rock tunnelJ. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineerin

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