1、?公路? 2009 年 11 月? 第 11 期? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? HIGHWAY? Nov ?2009? No ? 11?文章編號: 0451- 0712( 2009)11- 0237- 04? ? ? ? 中圖分類號: U455 ?4? ? ? ? 文獻標識碼: A佛嶺長大隧道洞口段施工方案優化研究方 ? 昱1, 方惠欽1, 劉保國2, 張志剛3( 1? 安徽省高速公路總公司? 合肥市? 230001; 2 ? 北京交通大學土木工程學院? 北京市? 100044;3 ? 中交公路規劃設計院有限公司? 北京市? 1000

2、88)摘? 要: 績黃高速佛嶺長大隧道洞口段存在埋深淺、 圍巖自穩能力差的特點, 采用 FLAC3D 程序對擬定的預留核心土法、 CD 法、 中隔壁法(CRD) 和單側壁導坑法、 雙側導坑法, 進行了施工過程的三維數值模擬。以不同方法施工過程中的圍巖變形、 塑性區體積和支護材料用量作為考察指標, 經過技術和經濟綜合比選, 最終確定采用單側壁導坑法為最優工法, 為佛嶺隧道洞口施工提供了指導。關鍵詞: 長大隧道; 洞口施工; 數值模擬; 方案比選? ? 隧道洞口的安全, 關系到隧道能否順利進洞并安全施工, 是隧道施工的重要環節。目前, 對隧道洞口開挖引起的邊坡變形、 應力場和位移場的重分布及邊坡穩

3、定性研究已經取得一些成果。隧道施工是一個復雜的巖體反復加卸載過程, 不同施工方法, 施工過程也是不相同的, 因而, 必將給圍巖帶來不同的力學效應。尤其是淺埋隧道洞口, 一般受強烈地質風化作用, 圍巖大多軟弱破碎, 此時, 應謹慎選擇施工方法以盡量減少隧道開挖引起的圍巖變形, 最大限度地減小對圍巖的擾動。但同時, 也要考慮施工方法的可操作性和經濟性, 在保證施工安全和工程質量的前提下, 盡可能降低工程造價和縮短工期也是洞口施工方案選擇必須面臨的問題。結合績黃高速佛嶺長大隧道洞口段施工, 采用三維數值模擬技術, 對常用工法對進口段洞口穩定性的影響規律, 結合技術經濟分析, 最終提出佛嶺隧道洞口段最

4、為安全可靠與經濟合理的施工方法, 其成果對類似工程有良好的借鑒作用。1? 工程概況佛嶺隧道設計為雙車道分離式隧道, 左線長3 904 m, 右線長 3 704 m, 該隧道洞口段左、 右線平均中心間距僅為 39 m, 右線隧道比左線隧道晚進洞 30 m。佛嶺隧道左線績溪端洞口位于山谷斜坡坡腳位置, 隧道入口處坡向朝北, 山坡自然坡度約 20?, 上覆角礫土層厚約 0 ?5 2?0 m, 洞門巖石為砂巖與泥巖巖組, 洞門以后夾薄層花崗閃長巖。隧道右線績溪端右線洞口位于山谷斜坡坡腳位置, 隧道入口處坡向朝北, 山坡自然坡度約 30? 40?, 上覆角礫土層厚約 0 ?5 2 ?0 m, 下伏基巖為

5、砂巖。盡管砂巖為厚層狀, 但節理裂隙發育, 巖石較破碎, 強度較低, 隧道入口處 上 部 13 m 圍巖 縱波 速 度 Vp= 750 1 700 m/ s, 13 m 以下圍巖縱波速度 Vp= 2 5004 000 m/ s, 圍巖為 V 級, 因此成洞條件較差, 圍巖易產生坍塌、 冒頂。2? 施工方法比選從隧道圍巖力學響應和技術經濟兩個角度, 進行施工方案的比選, 并著眼于確保施工安全和節省工程造價, 為工程提供建議的施工方法和支護參數。2 ? 1? 計算模型計算中, 采用三維地層結構模型, 為便于對比, 5種工法均采用相同尺寸、 地層參數、 計算參數以及相同邊界約束條件的計算模型。模型水

6、平方向長度 130 m; 模型垂直方向從隧底到底部邊界取 30 m; 縱向長度取 90 m 范圍; 上部為模擬地表起伏的自由邊界; 模型左、 右、 前、 后和下部邊界均施加法向約束, 地表不受任何約束, 見圖 1所示。基金項目: 科技部 863 計劃!資助課題; 安徽省交通廳 通達計劃!資助課題收稿日期: 2009- 03- 22圖 1? 計算模型2 ?2? 計算參數采用三維計算分析, 圍巖材料采用摩爾- 庫侖模型, 噴射混凝土采用彈性材料。錨桿采用?25 mm中空注漿錨桿, L= 4 ?0 m, 間距為 75 cm 100 cm; 隧道初期支護采用 25 cm 厚的噴射 C20 早強混凝土。

7、計算中采用的力學參數見表 1。鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮, 即將鋼拱架彈性模量折算給混凝土, 計算方法為:E= E0+Sg EgSc( 1)表 1? #級圍巖物理力學參數類? ? 別容重kN/ m3彈性模量GPa泊松比黏聚力M Pa內摩擦角/ (?)圍? ? 巖18 ? 01 ? 50 ? 40 ? 1525C20 混凝土2510 ? 50 ? 25-式中: E 為折算后混凝土的彈性模量; Eo為原混凝土的彈性模量; Sg為鋼拱架截面積; Eg為鋼材的彈性模量; Sc為混凝土截面積。2 ?3? 數值模擬采用巖土工程軟件 FLAC3D進行隧道施工的三維數值模擬, 計算時, 巖體初始應力場僅

8、考慮自重應力。2 ?3 ? 1? 單元劃分圍巖均采用八節點六面體實體單元加以模擬,根據佛嶺隧道初步設計資料, 確定噴射混凝土和錨桿的布置位置及力學參數。噴射混凝土采用殼( shell) 單元, 錨桿采用桿( cable) 單元。各種工法劃分的單元數目, 見表 2。2 ?3 ? 2? 施工工序對于模擬的所有工法, 均考慮左、 右線錯開30 m距離開挖, 即左線先開挖 30 m 后, 左右線再同?表 2? 不同工法數值模型單元數目工? ? 法預留核心土法單側壁導坑法雙側壁導坑法CD 法CRD 法單元數量62 04073 62473 62461 36861 368時開挖。另外, 隧道施工時支護總是滯

9、后開挖一段時間。每開挖步進尺為 1 m, 錨噴支護滯后 1 m, 錨桿以梅花形布置。各種工法的模擬工序見圖 2所示。圖 2? 不同工法開挖工序2 ? 3 ?3? 數值模擬結果分析通過模擬計算分析, 考察不同工法動態施工隧道圍巖關鍵點的位移和塑性區的體積, 以評判每種238? ? ? ? ? ? ? ?公? ? 路? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2009 年? 第 11 期?工法在技術上的優劣。首先, 分析模型中的左線隧洞進深為 0?5 m( 即Y= 0 ?5 m) 和右線隧洞進深為 0?5 m ( 即 Y =30 ?5 m) , 通過這些數據對 5 種工法進行比較。(

10、1) 拱頂沉降。如表 3、 表 4 所示, 采用雙側壁導坑工法時, 圍巖豎向位移及其范圍均小于其他工法。將 5 種工法模擬計算至 60 步時, 所得的左線 Y= 0?5 m 斷面和右線 Y= 30 ?5 m 斷面處, 對隧洞拱頂沉降曲線進行直觀的比較, 見圖 3、 圖 4 所示。表 3? 5 種工法左線 Y= 0?5 m 斷面最大拱頂沉降施工方法拱頂下沉/ ( 10- 1mm)預留核心土法- 8?14單側壁導坑法- 6?04雙側壁導坑法- 5?59CD 工法- 8?31CRD 工法- 7?97表 4? 5 種工法右線 Y= 30 ? 5 m 斷面最大拱頂沉降施工方法拱頂下沉/ ( 10- 1m

11、m)預留核心土法- 11 ? 26單側壁導坑法- 8?92雙側壁導坑法- 8?33CD 工法- 11 ? 36CRD 工法- 10 ? 38圖 3? 左線隧道 Y= 0?5 m 斷面拱頂沉降曲線% 采用雙側壁導坑法拱頂下沉值最小, 而單側壁導坑 法拱 頂 沉降 與之 接 近, 相 差 最大 僅 為7 ?45%, 可以認為兩者在拱頂沉降上沒有區別, 而其他 3 種工法拱頂沉降明顯大于這兩種工法。& 各工法均采用了分步開挖方式, 但是從圖中各曲線可以看到, 雙側壁導坑法和單側壁導坑法得?圖 4? 右線隧道 Y= 30 ? 5 m 斷面拱頂沉降曲線到的位移曲線變化速率相對較緩, 這也說明了這兩種工法

12、較其他 3種工法的優越性。( 2) 拱腰水平收斂。將模擬計算所得的左線 Y= 0 ?5 m 和右線 Y=30?5 m 斷面拱腰水平收斂曲線進行直觀的比較, 見圖 5、 圖 6 所示, 具體數值見表 5、 表 6。表 5? 5種工法左線 Y= 0 ? 5 m 斷面最大水平收斂施工方法拱腰水平收斂/ ( 10- 1mm)預留核心土法15 ? 31單側壁導坑法11 ? 81雙側壁導坑法11 ? 12CD 工法14 ? 47CRD 工法12 ? 13239?2009 年? 第 11 期? ? ? ? ? ? ? 方? 昱等 : 佛嶺長大隧道洞口段施工方案優化研究表 6? 5 種工法右線 Y= 30 ?

13、 5 m 斷面最大水平收斂施工方法拱腰水平收斂/ ( 10- 1mm)預留核心土法13?29單側壁導坑法10?99雙側壁導坑法10?83CD 工法12?62CRD 工法14?28對于水平收斂, 其規律與拱頂沉降完全相似。雙側壁導坑法水平收斂值最小, 而單側壁導坑法與之接近, 相差最大僅為 5 ?84%, 可以認為兩者在水平收斂上也沒有區別, 而其他 3 種工法水平收斂明顯大于這兩種工法。可見,從圍巖關鍵點變形來看, 可優先選擇雙側壁導坑或單側壁導坑法,其余工法均會產生較大位移。( 3) 圍巖塑性區體積。由數值模擬計算, 5 種不同施工方法隧道圍巖塑性區體積見表 7, 可見預留核心土法塑性區體積

14、最大, CD法次之, 雙側壁導坑法產生的塑性區體積最小, 對隧道安全施工較為有利, 單側壁導坑法塑性區體積與雙側壁導坑法相差不大。表 7? 五種工法塑性區體積m3施工方法預留核心土法單側壁導坑法雙側壁導坑法CD 工法CRD 工法塑性區體積12 3019 9188 78710 98110 0242 ?4? 技術經濟比選假設各種工法洞室初期支護所用材料相同, 材料參數一致, 進行方案比選時, 直接比較其臨時支護所用材料即可, 這里僅比較臨時支護所用的噴射混凝土體積和臨時鋼支撐的重量。參數如下: 臨時鋼支撐材料為 I20 b 工字鋼, 重量為 31 ?1 kg/ m, 沿隧道縱向間距 1 ?0 m;

15、 噴射混凝土材料為 C20, 厚度均為 20 cm。各工法每延米所用的臨時支護見表 8。表 8? 5種工法臨時支護工程量施工方法預留核心土法單側壁導坑法雙側壁導坑法CD工法CRD工法C20 噴射混凝土/ m31 ? 8561 ? 7581 ? 8501 ? 8363 ? 623鋼支撐/ kg288 ? 6273 ? 4287 ? 7284 ? 9563 ?2無論是噴射混凝土還是鋼支撐, 單側壁導坑法支護工程量均為最小, 除 CRD 工法臨時支護工程量偏大外, 預留核心土、 雙側壁導坑和 CD 三種工法的差別均在 10% 內, 由于支護用量小, 相應帶來了支護工作量的減少, 因而也降低了人力成本

16、。此外, 由于各種工法的臨時支護及開挖的分步不一致, 單側壁導坑法工期最短, 雙側壁導坑法次之, 其次分別是預留核心土法、 CD 工法及 CRD 工法。3? 結論以佛嶺隧道洞口淺埋段施工為研究對象, 重點研究了不同施工方案對圍巖變形控制、 圍巖塑性區分布的影響, 通過對各種不同方案的分析, 可以得出如下結論。( 1) 從隧道圍巖力學響應角度, 就隧道開挖引起的豎向位移、 拱腰水平收斂及圍巖塑性區體積而言, 雙側壁導坑法效果最好, 而單側壁導坑法與之差別極小。( 2) 從技術經濟角度, 就所用的臨時支護材料而言, 單側壁導坑方案最合理, 且工序簡單、 工期最短, 而雙側壁導坑法劣勢比較明顯。綜合

17、比較, 推薦佛嶺隧道洞口段施工使用單側壁導坑方案。參考文獻:1 ? 范曉偉, 徐林生? 長沖隧道進口段開挖方法的優化分析 J? 重慶交通大學學報: 自科版, 2008, 27( 2)?2 ? 任尚強?大跨度隧道洞口淺埋段工法探討及應用J?地下空間與工程學報, 2008, 4(5)?3 ? 劉小兵, 彭立敏, 王薇? 隧道洞口邊仰坡的平衡穩定分析 J? 中國公路學報, 2001, 14(4)?4 ? 蔣樹屏, 劉洪州, 鮮學福? 大跨度扁坦隧道動態施工的相似模擬與數值分析研究 J? 巖石力學與工程學報,2000, 19(5)?5 ? 張頂立, 王夢恕, 高軍, 等? 復雜圍巖條件下大跨隧道修建技

18、術研究J, 巖石力學與工程學報, 2003, 22(2)?6 ? ItascaConsulting Group Inc ? FLAC 3D User Manuals( Version3 ? 0) R ? Minneapolis,Minnesota:ItascaConsultiong Group Inc ? , 2002 ?7 ? JT G D70- 2004? 公路隧道設計規范 S?8 ? 鄧少軍?淺埋偏壓隧道施工數值模擬及方案比選J?地下空間與工程學報, 2005, 1(6)?9 ? 李世輝?隧道支護設計新論 M? 北京: 科學出版社,1999 ?10 ? D ? Brox and H? H

19、agedron Extreme Deformation andDamage during the Construction of Large T unnels J . Tunneling and Underground Space Technology,1999, 14( 1)?240? ? ? ? ? ? ? ?公? ? 路? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2009 年? 第 11 期?公路? 2009 年 11 月? 第 11 期? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? HIGHWAY? Nov ?2009? No ?

20、 11?文章編號: 0451- 0712( 2009)11- 0241- 04? ? ? ? 中圖分類號: U456 ?31? ? ? 文獻標識碼: B蓮花隧道進口小凈距段新奧法施工跟蹤監測研究徐林生( 重慶交通大學土木建筑學院? 重慶市? 400074)摘? 要: 結合蓮花隧道進口小凈距段的臺階法施工實踐, 介紹了地表下沉、 洞周水平收斂、 拱頂下沉、 錨桿軸力、圍巖壓力、 二次襯砌混凝土應力等項目的跟蹤監測工作, 分析和總結了圍巖變形特征及其復合式襯砌結構的受力特點, 所得結果為復雜工況下小凈距隧道支護結構的新奧法施筑與優化提供了科學依據, 也為類似隧道工程的施工提供了經驗。關鍵詞: 小凈

21、距公路隧道; 復合式襯砌結構; 新奧法施工與監測; 錨桿; 圍巖壓力1? 蓮花隧道概況小凈距隧道能夠較好地滿足山區特定地形、 地質條件下高速公路線形優化的需要; 近年來, 隨著我國高速公路的大規模建設, 小凈距隧道的設計與施工已經積累了一些初步的經驗。蓮花隧道是西南某高速公路上的一座上下行 2 車道分離式控制性隧道工程, 隧道全長 1 280 m; 圍巖主要為侏羅系中統沙溪廟組的粉砂巖與砂巖, 巖層產狀為 210?35?。受洞外線形條件的制約, 蓮花隧道進口 K170+ 490+ 600 的(級圍巖洞口加強段設計為小凈距隧道, 中間所夾巖柱之凈距由洞口的 9 m 向內逐漸增大至20 m; 蓮花

22、隧道進口小凈距洞段埋深僅為4?5收稿日期: 2008- 12- 01Research on Design Optimization of Construction Methodin Entrance of Foling Long and Large TunnelFANG Yu1, FANGHui?qin1, LIUBao?guo2, ZHANGZhi?gang3( 1 ? Anhui Expressway Holding Corporation, Hefei 230001, China;2 ? School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong Univ

23、ersity, Beijing 100044, China;3 ? CCCC Highway Consultants, Co? , Ltd, Beijing 100088, China)Abstract: Due to shallow embedded depth and bad self?stabilization capability of surrounding rock inentrance of Foling Long and Large Tunnel of Jihuang Expressway, one of prepared core soil method, CDmethod,

24、 CRD method, single side heading method and twin?side heading method is selected as the excava?tion method in this segment? In order to choose the optimal excavation from above five methods, the con?struction process is simulated in three dimension by the FLAC3D software in this paper? Deformation,p

25、lastic zone volume of surrounding rock and consumption of supporting material by different excavationmethod are considered as the judge index? Last, the single side heading method is determined as the opti?mal excavation method through technical and economical analysis and the guidance for construction in en?trance of Foling T unnel is provided ?Key words: long and large tunnel;construction of entrance;numerical simulation;plan selection