软弱地层大断面隧道施工方案优化与施工技术研析(硕士论文,附示意图).pdf

摘要 论文以湘桂铁路扩改工程大坪隧道为工程背景，针对软弱地层大 断面隧道的c r d 法和三台阶七步法两种施工方案，采用多种方法进 行了方案比选，以论证三台阶七步开挖法应用于软弱地层大断面隧道 的可行性。主要研究内容包括： ( 1 ) 总结软弱地层大断面隧道的发展现状、基本力学特征、现 有研究手段和常用施工工法，为本文研究软弱地层大断面隧道的施工 技术做铺垫。 ( 2 ) 结合大坪隧道的现场情况，讨论c r d 法和三台阶七步法的 施工工序、工艺流程等，提出软弱地层大断面隧道施工方案比选原则， 并对两种施工方案进行初步比选。 ( 3 ) 采用数值分析手段对软弱地层大断面隧道不同施工方案的 围岩变形和支护结构受力进行模拟计算，比较两种方案的围岩变形特 征和支护结构受力特征，进行两种施工方案的优化比选。 ( 4 ) 讨论大坪隧道的现场施工情况、监控量测结果和施工控制 措施，评价c r d 法和三台阶七步法的现场实施效果及其可行性。 关键词软弱地层；大断面隧道；c r d 法；三台阶七步法；施工技术 a b s t r a c t b a s e do nd a p i n gt u n n e lo fx i a n g - g u ir a i l w a ye x t e n s i o np r o je c t ， s c h e m ec o m p a r i s o na n ds e l e c t i o ni sc a r d e do u tu s i n ga v a r i e t yo f m e t h o d s a c c o r d i n g t oc o n s t r u c t i o ns c h e m eo fc r dm e t h o da n d t h r e e - s t a i rs e v e n s t e pm e t h o df o rl a r g es e c t i o nt u n n e li ns o f tg r o u n di n t h i sp a p e r , s oa st od e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h r e e - s t a i rs e v e n - - s t e p m e t h o du s e di ns o f t g r o u n dl a r g e s e c t i o nt u n n e l t h em a i nr e s e a r c h c o n t e n t si n c l u d e ： ( 1 ) s u m m a r i z i n g t h e d e v e l o p m e n ts t a t u s ，b a s i c m e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，e x i s t i n gr e s e a r c hm e a n sa n dc o m m o n l yu s e dc o n s t r u c t i o n m e t h o d so fs o f tg r o u n dl a r g es e c t i o nt u n n e l ，t op a v et h ew a yf o r t h es t u d y o fc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fs o f tg r o u n dl a r g ec r o s ss e c t i o nt u n n e l ( 2 ) c o m b i n a t i o nw i t ht h e s i t ec o n s t r u c t i o nc o n d i t i o no fd a p i n g t u n n e l ，t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s sa n dt e c h n o l o g yp r o c e s so fc r dm e t h o d a n dt h r e e - s t a i rs e v e n s t e pm e t h o di sd i s c u s s e d ，a n dt h es e l e c t i o np r i n c i p l e o fc o n s t r u c t i o np r o g r a mo fs o f tg r o u n dl a r g es e c t i o nt u n n e li sp r o p o s e d ， a n dp r e l i m i n a r yc o m p a r i s o na n ds e l e c t i o nf o rt w oc o n s t r u c t i o np r o g r a m i sc a r r i e do u t ( 3 ) n u m e r i c a la n a l y s i sm e a n si su s e dt os i m u l a t et h es u r r o u n d i n g r o c kd e f o r m a t i o na n dt h e s u p p o r t i n g s t r u c t u r es t r e s so fd i f f e r e n t c o n s t r u c t i o n p r o g r a m s i ns o f t g r o u n dl a r g e s e c t i o n t u n n e l ，t h e c h a r a c t e r i s t i co fs u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o na n ds u p p o r t i n gs t r u c t u r e s t r e s si s c o m p a r e d ，a n dc o m p a r i s o na n ds e l e c t i o n o ft w ok i n d so f c o n s t r u c t i o np r o g r a mi si m p l e m e n t e d ( 4 ) s i t ec o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n ，m o n i t o r i n gm e a s u r e m e n tr e s u l t sa n d c o n s t r u c t i o nc o n t r o lm e a s u r e so fd a p i n gt u n n e la r ed i s c u s s e d ，a n ds i t e i m p l e m e n t a t i o ne f f e c t i v e n e s sa n dt h ef e a s i b i l i t yo fc r dm e t h o da n d t h r e e - s t a i rs e v e n - s t e pm e t h o da r ee v a l u a t e d k e yw o r d ss o f tg r o u n d ，l a r g es e c t i o nt u n n e l ，c r dm e t h o d ，t h r e e - s t a i r s e v e n s t e pm e t h o d ，c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 引言l 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 软弱地层大断面隧道的发展现状1 1 2 2 软弱地层大断面隧道的基本力学特征3 1 2 3 软弱地层大断面隧道的研究手段4 1 2 4 软弱地层大断面隧道施工工法6 1 3 本文主要研究内容9 第二章大坪隧道工程概况及施工方案1 0 2 1 工程概况1 0 2 2 施工方案比选原则1 1 2 3 施工方案介绍1 3 2 3 1c r d 开挖方法1 3 2 3 2 三台阶七步开挖方法1 5 2 4 施工方案初步比选1 8 2 5 本章小结1 9 第三章大坪隧道施工方案的优化比选2 0 3 1 引言2 0 3 2f l a c 基本原理简介2 0 3 2 数值模型建立2 l 3 3 模拟步骤2 3 3 3 1c r d 法施工模拟步骤2 3 3 3 2 三台阶七步法施工模拟步骤2 4 3 4 材料参数选取2 4 3 5 数值模拟结果分析2 5 3 5 1 位移场分析2 5 3 5 2 围岩扰动分析2 9 3 5 3 初期支护结构内力分析3 2 3 5 4 二衬安全系数分析3 4 3 5 5 综合分析3 7 i i i 3 6 本章小结3 8 第四章大坪隧道现场施工技术及效果评价3 9 4 1 引言3 9 4 2 现场实际施工概况3 9 4 3 现场监控量测4 0 4 3 1 地表沉降量测4 0 4 3 2 周边及拱顶下沉量测4 1 4 4 施工控制措施4 1 4 5 施工效果评价4 3 4 5 1 整体施工效果4 3 4 5 2 不同方案效果对比4 4 4 6 施工效果反馈4 5 4 7 本章小结4 7 第五章结论与展望4 8 5 1 本论文的主要结论4 8 5 2 进一步研究工作的展望4 9 参考文献5 0 致谢5 5 攻读硕士学位期间发表论文及参加科研情况5 6 i v 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 社会的不断发展和交通需求量的日益增大，我国公路、铁路和市政隧道等交 通隧道的建设规模越来越大，交通隧道的建设为我国交通运输事业和经济社会发 展做出了重要贡献，也成为了我国实施可持续发展战略的必要条件【1 】。 铁路隧道大多环境地质条件复杂，分布区域广，建设规模大，并且随着铁路 运输能力和运输速度的大幅度提高，铁路隧道数量逐渐增多，长度逐渐增长，开 挖跨度也在逐渐增大，l o o m 2 以上的大断面铁路隧道大量涌现，有些铁路客运专 线隧道的开挖断面面积甚至高达1 5 0 “ 、“ 1 8 0 m 2 ，铁路隧道的建设已逐步步入“大断 面化”时代。大断面铁路隧道要达到合理、安全、快速施工的目的，必须从根本 上对传统的施工和设计技术进行重新认识，同时采用新理念、新方法和新工艺来 解决大断面铁路隧道施工和设计过程中产生的诸多新问题。目前，世界上已有很 多国家逐渐将大跨度、大断面交通隧道的设计、施工技术列为一个重点课题进行 研刭2 1 。 随着隧道工程建设理论的不断完善和施工技术的不断发展，以及节约土地资 源的需要，在软弱地层中修建的隧道越来越多，特别是在软弱地层中修建的大断 面铁路隧道，其对施工技术、施工工艺、施工流程、施工控制、施工管理等方面 提出了更高的要求，而目前可供借鉴的施工、设计和管理经验仍旧偏少，加之软 弱地层大断面铁路隧道对于整条线路来讲，一般均较为重要。因此，开展软弱地 层中大断面隧道的施工技术研究，具有重要而现实的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 软弱地层大断面隧道的发展现状 国外一些国家，如奥地利、英国、德国、瑞典、挪威、日本、韩国【3 卅等都 十分重视软弱地层大断面隧道的建设。例如，日本第二布引隧道变宽段由2 车道 逐渐加宽至4 车道，呈喇叭口分岔状，4 车道段最大开挖面积达到2 4 0 m 2 ；韩国 清溪隧道是一个典型的高速公路四车道大断面隧道，开挖断面面积达1 8 6 4 2 m 2 ； 跨越英吉利海峡的英法海峡隧道分界处部分断面的开挖高度达1 5 4 m ，宽度达到 2 1 2 m ，最大断面面积达2 5 2 m 2 ；德国的恩格贝格山隧道是一座高速公路三车道 公路隧道，最大开挖断面面积达2 6 5 m 2 ；德国的瓦尔德克i i 号抽水蓄能水电站隧 道的开挖高度宽度为5 43 3 5 m 的超大断面。由此可以看出，国外的大断面隧 硕士学位论文 第一章绪论 道发展较早，且开挖断面越来越大，技术难度越来越高，软弱地层大断面隧道的 施工和设计技术在不断向前发展。 我国的大断面隧道相对起步较晚。2 0 世纪9 0 年代，我国开始在铁路、公路 等领域修建大断面隧道，开挖断面面积一般在l o o m 以上。目前，已经涌现了众 多的大断面隧道，如曾家坪一号隧道1 7 最大开挖面积达2 4 0 m 2 ，龙头山隧道瞄j 开 挖断面面积达2 3 0 m 2 ，沈大高速公路韩家岭隧道1 9 1 是改扩建工程的单洞四车道公 路隧道，最大开挖跨度达2 1 2 m ，贵州大阁山隧道【lo 】的最大开挖高度为11 4 5 m ， 开挖跨度为2 1 0 4 m ，厦门翔安海底隧道【1 1 】的开挖跨度为1 7 0 4 m ，断面面积超过 2 1 4 m 2 ，武广客运专线狮子洋隧道【坨】的设计最大开挖宽度为1 4 8 6 m ，断面开挖面 积最大达1 8 9 m 2 。总体来看，国内建设的这些隧道均具有开挖断面大、地层条件 差、技术要求高等特点，是典型的软弱地层大断面隧道。下面总结国内近些年修 建的其他典型软弱地层大断面隧道工程实例，列于表1 1 。 表1 1 国内近年修建的部分大断面隧道 序号工程名称隧道名称 修建时间最奋器面 开挖方法 2 硕士学位论文 第一章绪论 王震【27 j 等分别依据不同的工程背景，对大断面隧道地形条件复杂、地质条件软弱、 地下水丰富等特殊情况下的超前支护、开挖、初期支护、辅助施工措施、施工工 艺等方面进行了分析，探讨了软弱地层大断面隧道的施工技术特点、工艺原理等， 优化了施工工法，拓展了工艺。 郝哲【2 引、3 撇t 2 9 j 、李强【3 0 1 、蒋树屏【3 1 1 、鲁加宝【3 2 1 、3 三应富t 3 3 】、s u n g0 c h o i 3 4 1 、 s o t i r i o ss v a r d a k o s 3 5 】等各自采用数值分析方法，对复杂地质条件下大断面隧道 的施工力学特性进行了较全面的理论分析，并实际指导施工。 综合以上研究成果，可以得出软弱地层大断面隧道的基本力学特征具有如下 特点： ( 1 ) 大断面隧道由于跨度增加，多呈“扁平”的拱形结构，近似为椭圆结 构受力，承载力较小，且使得隧道开挖所引起的围岩应力在重分布过程中趋于不 利，拱脚处围岩应力较为集中，围岩应力较大，隧道变形比较难以控制，并且对 地基的承载能力要求很高。 ( 2 ) 拱顶部位会产生比较大的松弛围岩压力，导致围岩稳定性降低。隧道 开挖高度和宽度越大，要求隧道拱底的埋深就越大，在地层条件差、埋深很小、 围岩成拱拱作用不能得到充分发挥时，围岩松散下落，就会产生比较大的松弛围 岩压力。因此，对于软弱地层修建的大断面隧道而言，隧道拱顶部位会产生比较 大的松弛围岩压力。 1 2 3 软弱地层大断面隧道的研究手段 目前，在隧道工程领域的研究方法有很多，针对软弱地层大断面隧道的研究 方法主要有现场测试、模型试验、数值分析等。 ( 1 ) 现场测试 现场测试方法较为成熟和有效，以围岩与支护结构实体为研究对象，通过监 控量测，对施工过程中隧道围岩与支护结构的应力、位移与变形等进行考察，进 而验证和指导工程设计与施工。 目前针对大断面隧道施工力学行为的研究，现场测试工作进行了许多。雷金 山等针对河南省宛坪高速公路大跨度偏压连拱隧道，进行了系统的现场监测与受 力分析【3 6 】；贾瑞华【3 7 1 、董敏分别针对武广高速铁路金沙洲隧道下穿沙贝立交 桥、浏阳河隧道下穿机场高速公路复杂环境与地层条件下大断面隧道施工围岩稳 定与地表变形进行了测试研究。 现场测试的项目主要包括：地表沉降、地质和支护状态观察、周边收敛、拱 顶沉降、锚杆轴力量测、钢支撑内力量测、二次衬砌内力量测等。这些项目的测 试既可直接反映隧道围岩与支护结构的变形和受力特性，又可以预测围岩稳定 4 硕士学位论文第一章绪论 性，以便及时对设计施工进行反馈，从而为设计与施工提供计算数据，检验设计 与施工的合理性，并方便实时对开挖与支护参数做出适当的调整。还可以为相同 地质条件下类似工程的设计和施工积累极为宝贵的数据和经验。 ( 2 ) 模型试验 模型试验在隧道和岩土工程领域具有广泛的应用，与现场试验具有同等重要 的作用，是研究隧道围岩与支护结构力学特征的又一有效手段，主要是通过模拟 来观察隧道围岩的变形过程，以及测试相似模型中隧道围岩与支护结构的受力等 情况。对大断面隧道相似模型试验方面，已取得了不少成就。 王明年【3 9 】通过模型试验对三车道公路隧道在不同构造应力作用下的力学行 为进行了研究，表明构造应力对三车道公路隧道的承载能力、破坏形态、位移规 律都有很大影响。林冈l j 4 0 】等利用相似模拟试验研究了级围岩条件下大断面四车 道连双拱公路隧道支护结构的合理性，并与现场原位试验进行印证和补充。吴梦 军、黄伦海【4 1 】利用“公路隧道结构与围岩综合实验系统( c t s s s r h ) ”和有限元分 析程序，对大断面四车道公路隧道在不同施工方法下的施工动态过程进行相似模 型试验与数位模拟，得到了四车道公路隧道在不同施工方法下的动态施工力学特 征，并提出合理的施工方法。 黄伦海【4 2 】采用模型试验的方法研究了四车道大断面高速公路隧道在不同围 岩条件下采用不同开挖方法施工时围岩的受力特征和变形特征，并指出了在级 和v 级围岩条件下施工建议采用的施工方式和应该采取的措施。万明引4 3 j 依托沈 大高速公路韩家岭隧道，采用室内模型试验的方法对台阶法施工方案进行了模型 试验研究，揭示了开挖过程中围岩的力学行为及其变化规律。 ( 3 ) 数值分析 计算机技术的发展，促进数值分析方法在隧道及岩土工程中的应用范围越来 越广，a b a q u s ，a n s y s ，f l a c 等数值软件纷纷出现，能够模拟隧道，对其 静力、非线性静力以及动力学分析；还可以模拟应力场、渗流场、温度场或双场 耦合分析等，基本能够满足隧道工程数值模拟的各种要求。借助数值分析，我国 不少学者对隧道进行了深入的研究。 郝哲【删对沈大高速公路韩家岭大断面隧道采用g e of b a 有限元分析软件， 进行了有限元数值模拟，并对隧道围岩的稳定性进行了分析。王应富【4 5 j 、鲁加宝 4 6 】、蒋树屏【4 7 1 、李科4 8 1 、霍卫华【4 9 1 、奚正兵【5 0 】、王松权【5 1 】等分别依托不同工程 实例，利用有限元方法对不同施工工法的开挖支护效果及围岩受力变形等情况进 行了研究，并得到了各自的结论与建议。 刘松涛等【5 2 】以湘桂铁路石头岗隧道为依托，采用数值模拟手段对可能选用的 几种开挖方法进行对比研究，提出了上软下硬地层大断面铁路隧道下穿既有高速 硕士学位论文第一章绪论 公路合理施工方法研究，并应用于实际施工。 h o e k 【5 3 】认为岩体的围岩压力是影响隧道围岩稳定的重要因素，介绍了预测 隧道围岩压力的有效方法。s a k u r a i m i t s u o l 5 4 】对锚喷支护方法在大跨度公路和铁 路隧道中的应用进行了分析，重点论述了围岩所承受围岩压力的大小与初期支护 喷射混凝土厚度之间的关系。s u n go c h o i 和h e e s o o ns h i n e 5 5 j 采用f l a c 3 d 软 件分析了软弱围岩隧道的开挖力学行为以及最佳的支护方式。s o t i r i o ss v a r d a k o s 和m a r t es g u t i e r r e z 等【5 6 】应用离散元程序u d e c 软件，分析了日本的清水隧道 大跨度的施工方法和力学响应特征及地表沉降规律。 综上所述，国内外众多学者通过现场测试、模型实验、数值分析等手段，对 软弱地层大断面隧道进行了广泛的研究，并取得了不少成就。但是，鉴于隧道工 程本身受力的复杂性，以及各隧道的相异性，因而，针对具体工程展开实际的研 究，显得十分必要。 1 2 4 软弱地层大断面隧道施工工法 软弱地层大断面隧道由于地层条件差、埋深浅、开挖断面大、施工风险高等， 施工难度较大。目前，国内外都越来越重视大断面铁路隧道和公路隧道的施工管 理与控制，并加强光爆效果、监控量测、锚喷支护和反馈分析这四个隧道信息化 动态化施工关键控制技术的研究、实践与落实，以确保软弱围岩大跨度隧道的围 岩与支护结构体系的稳定。因此，研究软弱地层大跨度铁路隧道的受力和变形特 性，选择合理的施工方法、支护参数及辅助工法，并尽量简化其施工工序显得非 常重要【5 7 , 5 8 】。 从目前的施工水平、设计水平、设备水平和技术水平来看，适合于软弱地层 大断面隧道施工的隧道开挖方法主要有： ( 1 ) 台阶法 台阶法开挖一般情况下可以分为三种形式：短台阶法、超短台阶法和长短台 阶法。三种台阶法开挖方式中，台阶长度一般是由初期支护结构封闭成闭合断面 过程中的时间长短来决定的，围岩越软弱，地层条件越差，闭合成环所要求的时 间就会越短。对于软弱地层的大断面隧道，选择合适长度的台阶形式，能够较好 地适应软弱地层围岩条件差的特点。 台阶法采用可靠性强的超前支护以确保掌子面的稳定。从改善开挖前地层的 角度来看，超前支护可在一定程度上控制拱顶范围的松弛。同时因其开挖空间大， 适合大型机械快速施工；施工条件有利于作业，可以说该方法在超前支护、辅助 工法的配合下，能适应各类围岩条件下的施工并能形成有效的支护体系，适应性 强。由于传统的施工方法的影响，我国大多数隧道都采用了这种方法，这种施工 6 硕士学位论文第一章绪论 方法使用设备简单、费用较低、工序简单。但由于隧道开挖跨度大、高跨比小， 开挖时应特别注意初期支护的及时性及各工序间的衔接。 ( 2 ) 中隔壁工法( c d 法1 在掌子面不稳定，不适合使用台阶法的情况下可使用中隔壁法。该法可较好 的使用于浅埋、围岩特别差、地表沉陷要求严格的工程施工。它将开挖断面分成 左右两部分，使开挖掌子面减小，变大跨度为小跨度开挖，促进掌子面和顶板稳 定，抑制拱顶沉降和地表下沉。 ( 3 ) 交叉中隔壁工法( c r d 法) 此工法源于日本，是中隔壁工法和台阶法的综合。c r d 法是n a t m 施工中 解决大断面施工的有效方法之一，其最大特点是将大断面化成小断面，步步成环， 每个施工阶段都是一个完整的受力体系，结构受力明确，变形小，沉降量小。采 用c r d 法施工必须坚持“管超前，严注浆，早成环，环套环”的施工方针，控制 台阶长度即施工进尺，同时坚持及时量测，并根据量测信息调整施工进尺。根据 大量的实测资料，c r d 法比c d 法减少地表沉降将近5 0 ；但c d 法引起的地 表沉降又小于眼睛工法。 但在c d 法、c r d 法的施工过程中，拆除中隔壁作业复杂，施工条件相对较 差，不宜采用大型机械快速施工，而且临时施工支护多，投入大，不经济。 ( 4 ) 侧壁导坑法 在不适合使用上半断面台阶法，承载力不足的地段，可采用双侧壁导坑法。 该法可较好的适用于浅埋、围岩特别差、地表沉陷要求严格的工程施工。双侧壁 导坑法因分割面细，能确保掌子面的稳定和有效控制隧道周边的松弛范围。超前 的导坑能探明前方的地质情况，遇到不良地质时可在开挖前采取预防措施，但当 地质变好时改变工法困难。另外因开挖断面小，大型机械使用受限，施工条件差。 该方法多用于城市地下工程，对地表沉降要求严格的工程以及不良地质地段。施 工中与上半断面台阶法、中隔壁法互换困难，若隧道全长均采用同一方法，开挖 效率低。 采用上述施工方法的部分工程实例叙述如下： 京张高速公路石佛寺l 号隧道，跨度达到1 3 1 m ，i v 级以上围岩初期支护以 锚喷为主，二衬用全断面整体式模板台车衬砌，级以及更差的围岩用拱部打超 前锚杆一开挖弧形导坑并初期支护一开挖核心土一开挖下部并及时封闭仰拱的 开挖方法【5 9 】；京珠高速大宝山隧道，开挖断面为1 4 m 9 m t 6 0 1 ，采用长管棚注 浆、小导管注浆及超前锚杆支护。南段为i v 级围岩，用双侧壁导坑法施工， 北段为i i i i i 级围岩，全断面开挖，以喷锚网及轻型钢架为初支，模注混凝土衬 砌。长涪高速公路铁山坪隧道开挖断面为1 3 6 m x7 3 m ，采用双侧导洞超前开 硕士学位论文 第一章绪论 挖一侧墙支护一先拱后核施工法施工。 北京地铁天安门西客站先在中部暗挖一洞，洞内间隔修柱，柱间设纵梁支撑 两洞内拱脚，两洞外侧用c r d 工法施工，再开挖上半部，使两洞拱部支承在纵 梁和边墙上，最后挖核心土使各部位连接起来【6 1 1 。沈大高速公路韩家岭隧道，开 挖最大宽度2 2 4 8 2 m ，轴线处最大高度1 5 5 m ，采用上下台阶法作为施工方案【6 2 1 ， 同线的金州隧道采用正台阶和侧壁导坑法顺利完成施工【6 3 】；惠州至深圳沿海高速 公路上的牛湖山隧道开挖面积为1 5 8 8 5 m 2 ，采用双侧壁导坑法施工深圳福龙路横 龙山隧道开挖面积3 0 4 m 2 ，采用正台阶和双侧壁导坑法施工。郑西客专高桥隧道 开挖面积达2 0 5 m 2 ，弧形导坑法顺利旌t 6 4 。 武广铁路客运专线牛轭湾隧道【6 5 】，穿越地层地质复杂，地质风险大，不良地 质较多，存在断层破碎带和岩面接触不整合等不良工程地质现象，开挖断面面积 约1 6 0 m 2 ，采用三台阶( 临时仰拱) 法施工，成功的解决了大断面隧道开挖的难题。 导坑法、c d 法、c r d 法、台阶法、t b m 法等，作为较常使用的施工方法， 在软弱围岩大断面隧道施工中的应用，同样越来越多，并且取得了较好的效果。 不同的工法，其适用性稍显不同，各种工法的性能比较见表1 2 。 表1 - 2 各工法性能比较表 硕士学位论文第一章绪论 1 3 本文主要研究内容 湘桂铁路扩改工程大坪隧道所穿越的岩层主要为软质岩，绝大部分为全、强 风化层，岩体破碎，节理发育，其强度与稳定性均较差，且隧道开挖断面较大。 本文以大坪隧道为工程依托，采用数值计算对软弱地层大断面隧道的施工技术及 其效果进行研究，确定最优方案应用于施工，并在实际施工过程中，对施工技术 及其效果进行评价。主要研究内容如下： ( 1 ) 调研国内外相关文献资料，了解软弱地层大断面隧道的发展动态、基 本力学特征、研究手段，以及相应的施工工法，为本文以大坪隧道为工程依托， 研究软弱地层大断面隧道的施工技术提供支持。 ( 2 ) 对大坪隧道的工程概况和施工方案、工艺流程等进行详细分析，提出 施工方案比选原则，并对不同施工方案进行初步比选。 ( 3 ) 利用数值计算对隧道拟采用的施工方案进行模拟，分析施工过程中围 岩与支护结构的受力及变形状况，并确定可应用于施工的具体方案。 ( 4 ) 通过对现场施工情况和施工控制措施的介绍，结合现场监控量测结果 对不同施工方案的实施效果进行评价，说明所采取的施工方法与施工工艺的有效 性。 9 硕士学位论文 第二章大坪隧道工程概况及施工方案 1 d k 3 9 1 + 6 6 4 “ - - d k 3 9 1 + 6 7 61 2 斜切段明挖 2d k 3 9 1 + 6 7 6 “ d k 3 9 1 + 6 7 93 斜切延伸明挖 3d k 3 9 1 + 6 7 9 “ - 一d k 3 9 1 + 7 0 2 2 3 懒擎明明挖一 4d k 3 9 1 + 7 0 2 - d k 3 9 1 + 7 3 2 3 。懒擎加c r d “ 法蒜器簪怒蓬摹孑 双层巾4 2 小导管 5d k 3 9 1 + 7 3 2 “ - 一d k 3 9 1 + 7 8 2 5 0 吻爹加c r d 法淼，3 翥麓 一：“法j ：二。：= ：。： 6d k 3 9 1 + 7 8 2 d k 3 9 1 + 9 6 5 1 8 3 蝴擎加 一环 中4 2 小导管支护， c r d 法3 9 根环，4 m 根， 7 d k 3 9 1 + 9 6 5 d k 3 9 2 + 0 1 5 5 0 蝴爹加c r d 纵向2 4 m 一环 双层c b4 2 小导管 支护，3 9 根环， 4 m 根，纵向1 2 m 一环 全环1 2 0 b 型 钢钢架，间 距0 6 全环1 2 0 b 型 钢钢架，间 距0 6 m 全环1 2 0 b 型 钢钢架，间 距0 6 m 8 d k 3 9 2 + 0 1 5 d k 3 9 2 + 0 4 5 3 。懒爹加c r d “ 法煮篙攀麓罐豢 9d k 3 9 2 + 0 4 5 - - - d k 3 9 2 + 0 4 83 斜切延伸明挖 1 0 d k 3 9 2 + 0 4 8 d k 3 9 2 + 0 6 01 2 斜切段明挖 2 2 施工方案比选原则 在确定软弱地层大断面隧道施工方案比选原则之前，首先应该明确隧道的基 本力学特性，通过在工程实践的基础上定性分析可知： ( 1 ) 大断面隧道矢高比较大，为减小开挖面积，隧道开挖轮廓线基本呈扁 平的拱形形状。 ( 2 ) 对于一般的隧道埋深而言，若没有构造应力的影响，围岩压力主要以 竖向为主，侧向压力较竖向小，因此，矢高比较小的洞室对于围岩稳定性有利， 而矢高比较大的洞室在这种情况下对围岩稳定性最不利。 ( 3 ) 由于隧道矢高比较大，拱部轮廓扁平，拱部支护结构的受力、特别是 施工期间拱部受力将接近于梁结构，可能受到较大的拉应力。为保证结构安全， 支护参数需要加强。 ( 4 ) 当隧道开挖跨度较大时，施工过程隧道拱脚、边墙、墙脚等位置易产 硕士学位论文第二章大坪隧道工程概况及施工方案 生应力集中。如果围岩软弱，承载力不足，则易发生整体的下沉，这些特点从现 场监测到的拱顶下沉与周边收敛数据可反映得到。 ( 5 ) 隧道轮廓扁平大大削弱了隧道开挖后围岩的成拱效应，也就是说自然 平衡拱的形成需围岩自身强度较高、埋深较大，特别当施工控制不当引起较大的 下沉量时，往往产生松动压力，大大增加支护结构所承担的荷载。 ( 6 ) 大断面隧道对支护结构特别是初期支护的整体性要求很高。考虑到支 护结构可能承担较大的荷载，因此在整个断面特别是支护接头部位，应保证拱架 良好的刚性连接，以保持初支的刚度和承载能力。同时，各接头位置初支与围岩 也应可靠连接，以便充分发挥初支与围岩共同作用、抵抗围岩变形并共同承载的 特性。 正是由于大断面隧道具有上述特点，因此对于软弱地层大断面隧道的施工方 法应慎重选择。在保证施工安全的基础上，当需要严格控制隧道开挖引起的沉降 量时，需采取c d 法、c r d 法或侧壁导坑法；当隧道施工对地层沉降量要求不严， 隧道施工需保证围岩与支护结构稳定时，可考虑采用三台阶法。 c d 法又叫中隔壁法。当隧道跨度较大、拱部围岩稳定性较差时，可采用将 隧道断面主要分为左右两部分的c d 法。通过左右侧分开开挖并设置临时支撑， 变大跨度为小跨度开挖，可有效的控制地层变形，增加掌子面和顶板稳定性。 c r d 法又称为交叉中隔壁法，该法是解决大断面大跨度隧道施工的有效方 法。与c d 法类似，也是将隧道断面主要分为左右两部分，但在每部分内又变为 上下台阶法施工，更重要的是，施工工程中每个较小的分部开挖都设置临时支护 使得小断面均成环。通过这些临时支护发挥的纵横支撑作用，可有效的抑制隧道 开挖过程中的围岩变形量。 目前软弱地层大断面隧道施工设计多采用双侧壁导坑法、c r d 法( c d 法) 等施工方法，并且在高速公路、客运专线和地铁工程中取得了良好的应用效果， 但是三台阶法、核心土法等其他工法也都得到了大量应用，并取得了良好的效果 1 6 6 , 6 7 】。现场施工中有必要根据实际情况进行施工方案综合比选，以确定合理的施 工方法。 根据现有施工经验，参考国内已有研究成果【6 8 7 1 1 ，归纳总结出软弱地层大 断面隧道施工方法的比选应遵循以下原则： ( 1 ) 首先考虑施工安全，根据不同开挖方法制定相应措施应对施工中的各 种风险因素。 ( 2 ) 根据设计文件、现场情况、地质条件、断面型式及工期等因素全面考 虑。 ( 3 ) 条件允许情况下，优先选用分部较少的开挖方法，以适应大型机械化 作业，提高施工工效。 ( 4 ) 考虑加快封闭成环，在围岩自稳时间内完成初支封闭。 1 2 硕士学位论文 第二章大坪隧道工程概况及施工方案 ( 5 ) 考虑易于前后衔接的施工方法，以应对围岩突变区域的工法转化，节 省投资。 2 3 施工方案介绍 大坪隧道原设计拟采用c r d 法开挖，结合施工现场的具体情况和已有工程实 例，参照软弱地层大断面隧道施工方案比选原则，考虑实际开挖成本及工期要求， 提出三台阶七步开挖法施工方案作为比选方案。两种施工方案介绍如下： 2 3 1c i m 开挖方法 ( 1 ) 施工工序 c r d 法开挖将断面分为上部、中部、下部及左右两侧共六个部分开挖。根据 c r d 法的施工工艺，大坪隧道v 级围岩开挖工序如图2 2 所示。具体施工工序如 下： 施作1 部，开挖单循环0 5 m ，喷射4 c m 厚混凝土，架设工字钢架，喷混凝 土至2 8 c m 。 l 部累计开挖长度达3 - - 5 m 后，开挖2 部，开挖单循环0 5 m ，喷射4 c m 厚混 凝土，架设工字钢架，喷混凝土至2 8 c m 。 2 部累计开挖长度达3 “ - 5 m 后，开挖3 部，开挖单循环0 5 m ，喷射4 c m 厚 混凝土，架设工字钢架，喷混凝土至2 8 c m 。 3 部累计开挖长度达3 “ - 5 m 后，开挖4 部，开挖单循环0 5 m ，喷射4 c m 厚混 凝土，架设工字钢架，喷混凝土至2 8 c m 。 4 部累计开挖长度达3 “ - - 5 m 后，开挖5 部，开挖单循环0 5 m ，喷射4 c m 厚混 凝土，架设工字钢架，喷混凝土至2 8 c m 。 5 部累计开挖长度达3 “ 5 m 后，开挖6 部，开挖单循环0 5 m ，喷射4 c m 厚混 凝土，架设工字钢架，喷混凝土至2 8 c m 。 6 部累计开挖达一定长度后，逐步拆除临时钢架，灌注部仰拱回填。 利用隧道衬砌模板台车一次性浇筑隧道二次衬砌结构。 ( 2 ) 施工工艺流程 总结大坪隧道v 级围岩段采用c r d 法施工的工艺流程，见图2 3 。 硕士学位论文第二章大坪隧道工程概况及施工方案 每部分台阶开挖必须控制开挖长度，开挖后必须及时进行支护，下部台阶开 挖及时进行落底，然后将初期支护结构封闭，并尽快施作仰拱，尽早将支护结构 封闭成环，保证结构受力均匀。 ( 2 ) 施工工艺流程 三台阶七步法开挖的施工工艺和流程如图2 6 所示。 图2 - 6 三台阶七步法开挖工艺流程图 具体的施工工艺流程如下： 第l 步，开挖上部台阶的弧形导坑：开挖之前先对隧道掌子面进行超前支护， 打设直径为 2 2 的超前药卷锚杆，外插角约1 0 “ - - 1 5 度，环向间距为0 4 m ，在山体 偏压的一侧适当进行加密处理。对隧道拱部进行超前支护后，开始环向开挖上部 的弧形导坑，预留核心土，预留的核心土长度一般控制在3 “ - 5 m ，核心土宽度约 为l 3 1 2 倍的隧道开挖断面的宽度。开挖的循环进尺根据隧道初期支护的钢拱 架的问距来确定，钢拱架间距为l m 榀时，每循环开挖长度为l m ，钢拱架的间距 为0 5 m 榀时，每循环开挖长度为0 5 m ，开挖后应该立即初喷3 “ 一5 c m 厚的喷射混 凝土，然后架设钢拱架，在钢拱架的拱脚处垫设槽钢，在钢拱架拱脚向上3 0 c m 高的地方，按3 0 0 的下倾角紧贴钢拱架打设锁脚锚杆，锁脚锚杆应与钢拱架牢固 地焊接在一起，必须采用双面焊缝，架设钢筋网片，做好喷锚网系统支护，最后 再复喷喷射混凝土至设计的厚度。 第2 步和第3 步，开挖左侧和右侧的中台阶部分：每循环的开挖进尺仍旧是根 1 7 硕士学位论文第二章大坪隧道工程概况及施工方案 据初期支护的钢拱架间距来确定，钢拱架间距为l m 榀时，每循环开挖长度为l m ， 钢拱架的间距为0 5 m 榀时，每循环开挖长度为0 5 m ，左侧和右侧错开2 “ - - 3 m 台阶 进行开挖，开挖后喷3 “ - - 5 c m 的喷射混凝土，安装边墙位置的钢拱架，并采用高 强螺栓与拱部的钢拱架进行连接，对于对接不紧密的部分必须采用双面焊缝牢固 焊接，钢拱架的底部需要垫设槽钢以加固钢拱架的基础，然后打设锁脚锚杆，并 复喷喷射混凝土至设计的要求厚度。 第4 步和第5 步，开挖左侧和右侧的下台阶部分：每循环的开挖进尺根据初期 支护结构的钢拱架间距来确定，钢拱架间距为l m 榀时，每循环开挖长度为l m ， 钢拱架的间距为0 5 m 榀时，每循环开挖长度为0 5 m ，其他步骤同第3 步和第4 步 的开挖和支护流程。 第6 步，上、中、下台阶预留核心土：各台阶分别开挖预留的核心土，开挖 进尺与各台阶循环进尺相一致。 第7 步，隧底开挖：每循环开挖长度视具体岩质情况而定，开挖后及时施作 仰拱初期支护，完成两个隧底开挖、支护循环后，及时施作仰拱。 2 4 施工方案初步比选 根据以上对大坪隧道v 级围岩c r d 法和三台阶七步开挖法施工工序和工艺 流程的介绍，对c r d 法和三台阶七步开挖法从质量、安全、施工进度三个方面进 行初步比选，比选结果见下表。 表2 - 2c r d 法和三台阶七步开挖法初步比选 硕士学位论文第二章大坪隧道工程概况及施工方案 国内在两种施工方案对比应用中已经有不少工程应用实例。例如：郑西客运 专线潼洛川隧道和风凰岭隧道均为双线大断面软弱地层黄土隧道，隧道围岩多为 砂质黄土和粘质黄土，设计围岩级别均为、v 级围岩。对于v 级围岩段设计为 c r d 法，前期施工也采用过c r d 法，后因施工进度缓慢，工序多，安全、质量隐 患较多，将c r d 法变更为三台阶七步开挖法进行施工，坚持“管超前、严注浆， 短进尺、强支护、勤量测、早封闭“的隧道施工原则，使围岩收敛和下沉得到较 好控制，并创下了黄土、浅埋、双线铁路隧道施工，单口月成洞7 8 m 的快速开挖 纪录。 根据以上分析，采用c r d 开挖方法的主要优点就是控制变形，将大断面改为 小断面；但是在进度、质量、安全中缺点较多，特别是在施工进度方面，改用三 台阶七步开挖法开挖进度约为c r d 法的两倍，同时根据相关图纸及铁道部相关文 件要求，三台阶七步开挖法在全、强风化层中且地下水不发育的v 级围岩地段均 可采用。因此，在采取有效措施保证施工质量、安全和工期的前提下，本文选用 三台阶七步开挖法作为c r d 法的重点比选方案。为更有效的比较两种开挖方法的 优劣和对变形控制的效果，保证大坪隧道的施工安全，下一部分将采用数值模拟 手段对两种施工方案进一步进行分析。 2 5 本章小结 通过以上对工程概况和施工方案的介绍及施工方案的初步比选，可以得出以 下结论： ( 1 ) 大坪隧道施工场地地层条件差，埋深浅，且隧道开挖断面大，是典型 的软弱地层大断面隧道。 ( 2 ) 软弱地层大断面隧道常采用双侧壁导坑法、单侧壁导坑法、c r d 法( c d 法) 、台阶法等施工方法，本文根据实际施工设计资料，拟选用c r d 法和三台阶 七步开挖法作为两种比选施工方案。 ( 3 ) 通过对两种施工方案的初步比选，认为这两种工法在实际应用中各有 其优缺点。c r d 法在控制围岩变形和改大断面为小断面开挖方面较优优势，而在 进度、质量、安全中缺点较多。三台阶七步开挖法在施工进度方面有显著优势， 且应用范围较为广泛。 1 9 硕士学位论文第三章大坪隧道施工方案的优化比选 第三章大坪隧道施工方案的优化比选 3 1 引言 由于地层结构的复杂性，在定量评价中，采用数值分析方法的是十分必要的。 根据前文对两种施工方案的初步比选分析，借助f l a c 2 d 软件，利用有限差分原 理，对拟选用的c r d 法和三台阶七步开挖法方案进行对比分析，从而确定最优施 工方案并最终应用于施工。 3 2f l a c 基本原理简介 2 0 世纪7 0 年代中期，c u n d a l l 研究开发出了f l a c 通用软件系纠5 7 j 。f l a c 软件不同于有限元软件，但它可以用于多种边界条件和材料模式的非规则连续问 题的求解，同有限元软件功能相似。在用f l a c 程序进行计算的过程中，程序将