風(fēng)積沙隧道開挖關(guān)鍵技術(shù)

風(fēng)積沙隧道開挖關(guān)鍵技術(shù)摘要：通過榆神高速神木1號風(fēng)積沙隧道開挖方案采用顆粒流離散單元法進行比選，最終確定了“一次支護采用網(wǎng)噴+鋼拱架和先行施作二次襯砌仰拱邊墻結(jié)合部聯(lián)合支護形式；開挖采用預(yù)留大核心土臺階法施工”的改進臺階法進行施工，并對該隧道開挖中的關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細介紹，為類似工程的施工提供了參考和借鑒。關(guān)鍵詞：風(fēng)積沙；隧道工程；改進臺階法中圖分類號：u45文獻標識碼：a文章編號：.概述2000年，中國沙漠、沙地共計154萬km2,約占國土總面積的16%,主要分布在北緯37°?42°之間的區(qū)域。全國沙漠、沙地95.37%集中分布在新疆、內(nèi)蒙、青海和甘肅四省區(qū)，并且呈大面積連片分布，主要以流動、半流動類型為主。隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的重心西移和西部大開發(fā)的進一步推進，中西部地區(qū)的交通建設(shè)高潮必將持續(xù)維持在高位水平，建設(shè)溝通受沙漠和沙地分割的各地區(qū)主要城市的交通公路和鐵路網(wǎng)勢在必行，在沙漠和沙地區(qū)域建設(shè)公路和鐵路隧道不可避免，且數(shù)量很大。陜西省榆神高速公路神木一號隧道是目前國內(nèi)沙漠和沙地地質(zhì)條件下交通隧道建設(shè)的典型代表，其散粒體圍巖在施工過程容易坍塌失穩(wěn)，嚴重影響工程進度和施工安全，存在大量尚未揭示和解決的關(guān)鍵理論和技術(shù)問題，有鑒于國內(nèi)沙漠和沙丘地區(qū)公路和鐵路隧道建設(shè)的巨大需求。本文擬結(jié)合神木一號隧道開展的風(fēng)積沙隧道開挖關(guān)鍵技術(shù)研究，以期為包含風(fēng)積沙在內(nèi)的沙漠和沙丘地區(qū)交通隧道的建設(shè)提供參考。.神木一號隧道概況工程概況神木一號隧道位于陜西省神木縣老龍池溝和水磨河之間的山體頂部，神木縣西沙開發(fā)區(qū)西側(cè)，最大埋深約為37m。隧道設(shè)計為分離式隧道，設(shè)計長度714m,左線里程為zk90+998?zk91+360；右線里程k90+993?k91+345。洞身穿越風(fēng)積沙地層共計301m,為公路穿越風(fēng)積沙地層最長隧道，其中左線里程為zk91+179?+320、右線里程為k91+159?+319；也是穿越風(fēng)積沙地層斷面尺寸最大的隧道（跨度15.3m,高度11.2m；斷面尺寸124.9壯）。其橫斷面圖見圖1。圖2-1神木一號隧道橫斷面圖工程地質(zhì)情況左線zk90+998-zk91+179與右線k90+993?k91+159段上部0.0?11.0m為風(fēng)積沙（q4eol）,松散-稍密，一般厚度7.50?11.0m。中部為黃土（q3eol）,一般層厚4.00?10.0m,不具濕陷性。下部為強風(fēng)化細砂巖，厚約5.00?8.00m,節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，圍巖無自穩(wěn)能力，圍巖級別為v。雨季由于大氣降水的滲入補給地下水，隧道內(nèi)有滴水或股流水。左線zk91+179?zk91+320與右線k91+159?k91+319段為風(fēng)積沙(q4eol),松散-稍密，厚45.0?57.01^無自穩(wěn)能力。勘探時未見到地下水。圍巖級別為vi。隧道圍巖為松散?稍密風(fēng)積細砂，無自穩(wěn)能力，穩(wěn)定性差。雨季由于大氣降水滲入補給地下水，隧道內(nèi)有滴水。左線zk91+320?zk91+360與右線k91+319?k91+345段圍巖級別iv級，以中風(fēng)化微風(fēng)化細砂巖為主，中厚層狀構(gòu)造，巖體較完整，勘探時未見地下水。圍巖自穩(wěn)能力一般，若開挖無支護可產(chǎn)生較大坍塌。.關(guān)鍵技術(shù)研究離散元理論簡介由于風(fēng)積沙為散粒體，因此，風(fēng)積沙隧道的施工模擬不適合采用基于連續(xù)介質(zhì)的分析軟件和工具，一般利用離散單元法進行模擬。離散單元法(dem)首次于19世紀70年代由cundallandstrack提出，并不斷得到學(xué)者的關(guān)注和發(fā)展。離散單元法是專門用來解決不連續(xù)介質(zhì)問題的數(shù)值模擬方法，其分析程序包括通用離散元程序(udec)以及簡化的離散單元程序(pfc)等多種。該方法把圍巖視為由離散的巖塊和巖塊間的節(jié)理面所組成，允許巖塊平移、轉(zhuǎn)動和變形，而節(jié)理面可被壓縮、分離或滑動，因此，巖體被看作一種不連續(xù)的離散介質(zhì)，其內(nèi)部可存在大位移、旋轉(zhuǎn)和滑動乃至塊體的分離，從而可以較真實地模擬節(jié)理巖體中的非線性大變形特征。離散元法的一般求解過程為：將求解空間離散為離散元單元陣，并根據(jù)實際問題用合理的連接元件將相鄰兩單元連接起來；單元間相對位移是基本變量，由力與相對位移的關(guān)系可得到兩單元間法向和切向的作用力；通過單元在各個方向上與其它單元間的作用力以及其它物理場對單元作用所引起的外力可求合力和合力矩，根據(jù)牛頓運動第二定律可求單元的加速度；對其進行時間積分，進而得到單元的速度和位移，從而獲得所有單元在任意時刻的速度、加速度、角速度、線位移和轉(zhuǎn)角等物理量。顆粒流離散單元法（pfc）屬于離散元的一種，它通過圓形離散單元來模擬顆粒介質(zhì)的運動及其相互作用，用顆粒替代了巖塊，顆粒之間的間隙替代了巖石之間的裂隙或節(jié)理，其模擬的介質(zhì)是顆粒的集合體，由顆粒和顆粒之間的接觸兩部分構(gòu)成，顆粒大小可以服從任意的分布形式，最適合模擬風(fēng)積沙的力學(xué)特性，見圖2。顆粒流離散單元法與有限單元法一樣，將區(qū)域劃分成單元（顆粒），各單元在以后的運動過程中，單元結(jié)點可以分離，即一個單元與其鄰近單元可以接觸也可以分離。單元之間相互作用的力可以根據(jù)力和位移的關(guān)系求出，而個別單元的運動則完全根據(jù)該單元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛頓運動定律予以確定。圖3-1顆粒的集合體示意開挖方案比選風(fēng)積沙地層具有結(jié)構(gòu)松散，顆粒單一，粒徑小，粘聚力低，透水性強，抗剪強度相對較低，無自穩(wěn)力特點。在這種地層進行隧道施工，由于漏沙、滑沙因素極易引起支護沉降變形、坍方冒頂事故。由于神木一號隧道是目前我國穿越風(fēng)積沙地層長度最長（洞身穿越風(fēng)積沙地層長度：301m）、淺埋（最大埋深：37m）、大斷面（跨度：15.3m、高度H.2m，斷面積：124.9m2）散粒體圍巖隧道，因此，其開挖和施工過程中面臨地層大變形和坍方冒頂?shù)耐{更大，必須要有先進的施工方法和配套的施工工藝方可保證其安全，開挖方案比選是在水平和豎直旋噴樁組合超前預(yù)加固的前提下，研究對比普通臺階法、cd法、crd法以及一次支護采用網(wǎng)噴+鋼拱架和先行施作二次襯砌仰拱邊墻結(jié)合部聯(lián)合支護形式，開挖采用預(yù)留大核心土臺階法（以下簡稱改進臺階法，其詳細施工工序見后述）開挖下允許應(yīng)力釋放的圍巖和結(jié)構(gòu)的變形和穩(wěn)定，以期探明適合風(fēng)積沙地層隧道施工的主體開挖工法。常規(guī)施工方法對比利用通用離散元程序?qū)︼L(fēng)積沙隧道在水平和豎直旋噴樁超前支護下采用全斷面法開挖法、普通臺階法（不預(yù)留核心土）、cd法、改進臺階法、和crd法的地層變形效應(yīng)進行對比分析。通過分析發(fā)現(xiàn)：在風(fēng)積沙隧道施工中，應(yīng)力釋放20%時，雖然進行了小導(dǎo)管超前支護，但是不同的施工方法對于地層的變形和穩(wěn)定影響很大，全斷面法和傳統(tǒng)的臺階法開挖，地層的變形很大，開挖隧道的頂部將發(fā)生坍塌，難以正常施工。采用crd法、改進臺階法和cd法施工時，雖然其應(yīng)力釋放達20%，但由于其每次的開挖面較小，隧道地層的變形相對較小，但需要對其它部分的施工實施準確的控制方可保證施工的正常進行，這一點在不采取強有力的超前預(yù)加固技術(shù)基本上難以做到。通過分析還發(fā)現(xiàn)，臺階法施工時，若應(yīng)力釋放10%,其變形仍然超過應(yīng)力釋放考慮20%的crd法、改進臺階法和cd法，說明在風(fēng)積沙地層中，規(guī)劃好每次開挖時步開挖面積的大小，對風(fēng)積沙地層的穩(wěn)定控制非常重要。通過分析還可發(fā)現(xiàn)，采用常規(guī)的全斷面開挖和常規(guī)臺階法都不能保證圍巖的穩(wěn)定，因此，方案比選將集中在crd法、改進臺階法和cd法之間進行。crd法、改進臺階法和cd法對比對比的是在常規(guī)小導(dǎo)管以及水平和豎直旋噴樁組合超前預(yù)加固的前提下進行的，主要分析了三種方法開挖過程中地層沉降和初期支護的受力情況，得出如下曲線圖。1地層沉降曲線圖3-2-1crd法開挖后最終沉降曲線圖（m）圖3-2-2cd法開挖后最終沉降曲線圖（m）圖3-2-3改進臺階法開挖后最終沉降曲線圖（m）crd法、改進臺階法和cd法開挖完成后，地層沉降計算結(jié)果如圖3-2-1?圖3-2-3。crd法開挖過程中，初期支護效果比較好，隧道周邊變形比較小，拱頂下沉量較cd法開挖要少，等拆除中隔墻和仰拱后，圍巖應(yīng)力進一步釋放過程中變形逐漸增大至9.38cm；cd法開挖時，隧道周邊地層的沉降逐漸增加，并最終達到H.6cm,其最終沉降較crd開挖方法要大;改進臺階法在開挖初期沉降量較大，之后沉降速度慢慢減緩，最終沉降量為H.2cm，比crd法開挖的沉降量稍大，小于cd法開挖的沉降量。2初期支護軸力圖3-3-1crd法初期支護圖3-3-2cd法初期支護圖3-3-3改進臺階法初期支護軸力圖（n）軸力圖（n）軸力圖（n）當隧道開挖完成后，隧道周邊地層的變形基本穩(wěn)定，crd法開挖隧道的初期支護最大軸力約為797kn，cd法開挖隧道的初期支護所受軸力最大值約為799.6kn，改進臺階法開挖隧道的初期支護所受軸力最大值約為700kn。cd法和crd法二者相差不大，從中可以看出：crd法開挖初始時初期支護作用力比cd法開挖要大，但隨著整個斷面的開挖完成，cd法初期支護的軸力上升很快，并最終達到所受軸力基本持平的水平；改進臺階法開挖墻腳兩側(cè)局部初期支護較crd和cd法要早，支護完成后沉降逐漸減小，地層本身受力比cd法的大，由于應(yīng)力釋放的程度不同，其初期支護軸力較crd法小。一般來說，支護的越及時，圍巖變形將越小，噴射混凝土受到的軸力會越大。在同時施作的噴射混凝土初期支護，因為crd法開挖時噴射混凝土封閉成環(huán)，可以承受更大的地層壓力，故地層發(fā)生的變形要比cd法小，而改進臺階法兩側(cè)墻腳仰拱支護相對較早，監(jiān)測點處襯砌受力相對較小。地層應(yīng)力釋放有利于減輕支護結(jié)構(gòu)的受力特性，但是對于巖性較差的v級、vi級圍巖，洞室開挖后若不及時施作噴射混凝土，可能會引起地層軟弱面的滑動破壞，進而增大初期支護荷載。因此，對于松散地層，洞室開挖后需及時有效的施作初期支護結(jié)構(gòu)。開挖方案由于風(fēng)積沙地層結(jié)構(gòu)松散、自穩(wěn)能力差，錨桿的組合作用及懸吊作用無法發(fā)揮。實際在進行風(fēng)積沙徑向錨桿施工時，由于鉆孔作業(yè)對拱部沙層的擾動，有可能誘發(fā)拱部出現(xiàn)流沙或漏沙，嚴重時甚至造成拱部出現(xiàn)大量涌沙，造成隧道拱部以上出現(xiàn)部分空洞，在施工中需要進行注漿處理。因為crd法在每一開挖步序都用噴射混凝土封閉成環(huán)，故地層發(fā)生的變形要比cd法小，但其噴射混凝土初期支護的彎矩和軸力一般要大于cd法。改進臺階法其墻腳兩側(cè)仰拱先行，加上環(huán)形臺階法開挖時核心土對掌子面的穩(wěn)定效應(yīng)，其地層最終的變形位于crd法和cd法之間，比cd法要小，襯砌的應(yīng)力總體上相對二者也較小，加之改進臺階法能有效的縮短支護和臨時仰拱懸空時間，使臨時仰拱在控制風(fēng)積沙地層及支護下沉的效果更加明顯。因此，從施工方便和控制地層變形等因素綜合考慮，風(fēng)積沙隧道的開挖宜選擇改進臺階法，即一次支護采用網(wǎng)噴+鋼拱架和先行施作二次襯砌仰拱邊墻結(jié)合部聯(lián)合支護形式，開挖采用預(yù)留大核心土臺階法施工技術(shù)。.開挖關(guān)鍵技術(shù)理論分析表明，拱頂、拱與邊墻結(jié)合部以及初期支護墻角應(yīng)力很大，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，針對這種特殊地質(zhì)條件，研究形成了“一次支護采用網(wǎng)噴+鋼拱架和先行施作二次襯砌仰拱邊墻結(jié)合部聯(lián)合支護形式；開挖采用預(yù)留大核心土臺階法施工技術(shù)”（簡稱改進臺階法），該開挖方法通過仰拱結(jié)合部先行，增加了初期支護墻角基礎(chǔ)的承載力，有效抑制了兩側(cè)土體傳遞的側(cè)壓力，同時為二次快速跟進使初支變形最終趨于穩(wěn)定創(chuàng)造了條件；通過對核心土進行噴錨加固，不僅起到維持掌子面穩(wěn)定性作用，還起到支撐上臺階臨時仰拱和中支撐作用，平衡了拱部初期支護傳遞的豎向應(yīng)力，有效控制了落下臺階時沉降及收斂引起的變形。該技術(shù)是針對沙層、風(fēng)積沙層等松散軟弱不穩(wěn)定地質(zhì)條件進行深入研究，并通過應(yīng)用實踐的總結(jié)，成功解決了常規(guī)方法施工多次出現(xiàn)漏沙引起坍塌及支護變形問題。其實施過程中的關(guān)鍵技術(shù)在于施工工藝流程制定技術(shù)、施工步驟、上臺階開挖與初期支護技術(shù)、臨時仰拱與豎向支撐施工技術(shù)、下臺階施工技術(shù)和仰拱結(jié)合部施工技術(shù)。施工工藝流程施工工藝流程圖見圖4-1。圖4-1改進臺階法施工工藝流程圖改進臺階法施工步驟改進臺階法（一次支護采用網(wǎng)噴+鋼拱架和先行施作二次襯砌仰拱邊墻結(jié)合部聯(lián)合支護形式；開挖采用預(yù)留大核心土臺階法施工技術(shù)）開挖見圖4-2及圖4-3。圖4-2開挖正面圖圖4-3開挖剖面圖施工步驟：順序：1第一臺階環(huán)形開挖、2第一臺階初期支護、3臨時仰拱施工、4豎向支撐施工、5第二級臺階開挖、6第二級臺階初期支護、7第三級臺階開挖、8第三級臺階初期支護、9第四級臺階開挖、10第四級臺階初期支護、11第五級臺階開挖、12第五級臺階初期支護、13結(jié)合部仰拱初期支護、14仰拱砼施工、15填充砼施工、16矮邊墻施工。需要說明的是從第二級臺階至第五級臺階，開挖與初期支護交錯進行；下部核心土隨開挖逐級形成；矮邊墻施工結(jié)束后進入二襯施工，二襯施工結(jié)束后進入仰拱成環(huán)及填充砼施工。上臺階開挖技術(shù)1在超前支護體系下，人工手持鐵鏟進行上部預(yù)留核心土環(huán)形開挖。2為避免開挖面過大，出現(xiàn)滑沙或漏沙引起坍方變形，環(huán)形開挖高度控制在90cm內(nèi)，開挖循環(huán)進尺50cm。臨時仰拱與豎向支撐技術(shù)當上部開挖進尺350cm時，隨開挖同步跟進臨時仰拱及豎向支撐施工。時仰拱施工技術(shù)1）按設(shè)計開挖臨時仰拱風(fēng)積沙核心土體。2）清除拱部型鋼與臨時仰拱型鋼連接位置的噴射砼。3）安裝臨時仰拱型鋼，中部采用螺栓連接，兩端與拱部型鋼焊接；型鋼采用焊接822螺紋縱向連接筋，間距100cm。4）噴砼：采用。25早強混凝土先將低洼處大致噴平，再順序分層、往復(fù)噴射至設(shè)計厚度。向支撐施工技術(shù)1）清除臨時仰拱型鋼及拱部型鋼豎向連接位置噴射砼。2）安裝豎向型鋼，兩端與臨時仰拱型鋼和拱部型鋼焊接，型鋼采用焊接822螺紋縱向連接筋，間距100cm。3）安裝單側(cè)模型。4）噴砼：采用。25早強混凝土自下而上、順序分層、往復(fù)噴射至設(shè)計厚度。下臺階開挖技術(shù)上部開挖進尺700cm，進入下臺階開挖。下臺采用中部預(yù)留核心土，分四級臺階左右交錯環(huán)形開挖。下臺階環(huán)形開挖采用小導(dǎo)洞先行、自上而下依次進行。1）每級臺階開挖長度：為確保洞室開挖安全，每級開挖長度進尺為200cm,采用1:0.5坡度放坡，左右交錯進行，循環(huán)進尺50cm；初期支護隨開挖及時跟進。下臺階開挖長度控制在700cm。2）下臺階核心土形成下臺階核心土隨每級臺階環(huán)形開挖進尺自上而下逐步形成。為實現(xiàn)下部核心土成型與穩(wěn)定，充分發(fā)揮核心土穩(wěn)定掌子面機支撐臨時仰拱傳遞的豎向應(yīng)力，以及有效降低落下臺階時拱部沉降變形；施工中采用錨桿與素噴混凝土進行下部核心土加固。核心土支護參數(shù)為@=100cm、l=300cm、S25的錨桿成梅花形布置與5cm厚的早強噴射混凝土組合形成核心土加固體系，見圖4-35。下臺階核心土作用：通過對核心土進行噴錨加固，不僅起到維持掌子面穩(wěn)定性作用，還起到支撐上臺階臨時仰拱和中支撐作用，平衡拱部傳遞的豎向應(yīng)力，有效控制了落下臺階時沉降及收驗引起的變形。圖4-4核心±成形圖仰拱結(jié)合部施工1當?shù)谒募壯龉敖Y(jié)合部開挖進尺滿足200cm時，將成型仰拱鋼架按設(shè)計安放穩(wěn)固（一端與邊墻鋼架連接、另一端頂在下臺階核心土腳上），噴射。25早強砼至設(shè)計厚度，再按設(shè)計安裝二次鋼筋，關(guān)模澆注仰拱、填充及邊墻混凝士，左右交錯施工；2為保證二襯臺車軌道鋪設(shè)與行走，每側(cè)結(jié)合部混凝土上口寬度滿足300cm；3為保證一個循環(huán)二襯砼施工長度（即600cm）,分三次澆注仰拱結(jié)合部混凝土，每次澆注200cm，