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软弱土层隧道开挖工法研究 罗 春 (重庆交通大学,重庆 400000) 收稿日期:206 -2 -05 作者简介:罗春(989 - ),男,四川德阳人,在读硕士研究生,研究方 向:隧道及地下工程。 摘 要:为了研究隧道穿越软弱土层时的开挖工法,结合我 国某软弱土层隧道施工的案例,采用有限元计算模型模拟了 隧道采用台阶法、CD 法开挖时的围岩变形规律,表明隧道穿 越软弱土层采用台阶法施工时,隧道拱脚附近的横向位移受 隧道开挖的影响较大,对竖向位移的影响主要在拱部与拱底 附近处;采用 CD 法施工时,隧道边墙附近的横向位移受隧道 开挖的影响最大,对竖向位移的影响主要在拱部与拱底附近 处;在软弱土层中隧道施工时,相对台阶法而言,应考虑采用 CD 法,并加强支护措施。 结论可为有针对性的隧道设计施 工提供参考。 关键词:软弱土层;台阶法;CD 法;围岩变形 中图分类号:U455 4文献标志码:B 文章编号:62 -40(20)0 -008 -02 DOI:0 3969/ j issn 62 -40 20 0 036 0 前 言 随着我国经济建设的发展,交通建设的进程也越来越 快,隧道也越来越多,隧道开挖所揭示的地质条件更是差异 甚大,砂卵石和黄土都是物理力学性质很差的围岩。 黄土地 层具有明显的垂直节理,土质疏松,遇到水的侵蚀后极易湿 陷。 对这两种特殊的软弱土地层隧道的修建,所采取的施工 工法必须慎重考虑。 针对施工工法的研究,国内外已有不少 成果,谢红山 论述了在不良地质条件下施工病害的成因, 同时提出了相应的治理方案,给其他相关的工程病害隧道治 理提供参考依据;章新生 2研究了顺层软弱围岩条件下隧道 洞口段的施工工艺,提出洞口段地表加固、采用超前管棚、在 顺层软岩中打入自进式注浆锚杆等加固措施;刘彤 3 提出 “在偏压条件下,侧壁导坑法优于台阶分部法,侧壁导坑法先 浅后深工序优于先深后浅工序”的施工方案。 本文在参照上述研究成果的基础上,依托青海东部南山 #隧道工程,从隧道在管棚、小导管预支护及无预支护穿越 软弱土地层的围岩稳定性变化规律以及对小导管不同管径、 环距、管长、开挖步长等参数条件下进行了探讨研究。 1 工程概况 某软弱土层隧道设计路线为双线,隧道断面为三心圆, 初步设计为分离式隧道,根据线路调查,隧道穿越地区为砂 卵石和黄土软弱土地层。 整个隧道围岩级别均为级,埋深 0 65 0 m,隧道洞身均为砂卵石地层,卵石无胶结 - 弱胶 结,其围岩稳定性较差,开挖时成洞困难,遇水后洞顶以及侧 壁极易变形。 局部洞身段埋深为 30 m 左右,处于上部黄土 与下部卵石层交界面,由于上部黄土湿陷厚度最大可达 8 m,且洞顶可见黄土湿陷穴、坑等,隧道开挖时极易形成冒 顶、坍塌,因此,施工时应注意采取措施。 隧道设计横断面如 图 所示。 图 隧道横断面图 2 开挖工法研究 2 1 数值模型及参数的选定 为了比较同一断面采用不同开挖方法时围岩的应力及 变形情况,选定隧道同一断面分别采用 CD 法和台阶法,通过 二维数值模拟研究。 水平方向左、右两侧均取为 5B (B 为隧 道跨度),共计 2 m,隧道底部取 4B,上部到地面,竖直方向 为 95 m。 所施加的约束条件为水平方向约束和竖直方向 约束 4。 单元选取: 模型中,围岩、加固区采用平面应变单元,衬 砌结构为梁单元,锚杆采用了杆单元。 有限元分析参数见 表 。 表 围岩及衬砌计算参数 项目 弹性模 量 E/ GPa 泊松比 重度 / (kNm -3 ) 粘聚力 C / MPa 摩擦角 / () 黄土0 30 3820 04526 卵石0 0450 3220 00642 风化砂泥岩20 35200 22 锚杆200 3 初期支护(软)20 222 加固区0 50 3220 452 初期支护(硬)50 222 仰拱20 222 2 2 计算结果分析 隧道洞周变形与洞周围岩应力是评价隧道围岩稳定性 的重要指标,因此,选取隧道在台阶法开挖、CD 法开挖所引 8 万方数据 起的围岩洞周变形和内力变化特点。 为了方便分析,取如图 2 所示监测点。 图 2 隧道监测点布置示意图 )台阶法施工数值模拟结果分析。 台阶法所引起隧道 围岩位移场变化如图 3 4 所示,控制点位移变化见表 2。 图 3 台阶法开挖围岩横向位 移图/ m 图 4 台阶法开挖围岩竖 向位移图/ m 表 2台阶法开挖主要控制点位移mm 控制点 左边墙 2 左拱肩3 拱顶4 右拱肩 5 右边墙 6 右拱脚 拱底8 左拱脚 横向位移 Ux 26 654 54 40 86926 5643 6090 20543 420 竖向位移 Uy 5 3256 823 6 55350 9632 44840 2033 288 从图 3 4 可以看出:采用上下台阶法开挖隧道,下台阶 开挖支护完成后,隧道周边位移基本呈对称分布,拱脚与边 墙中间处横向位移最大,向洞内变形;拱顶和两侧拱肩下沉 量最大。 从表 2 可以看出:台阶法开挖隧道初期支护完成以后, 拱顶和拱底处的横向位移很小,分别为 40 mm 和 0 205 mm,左右拱肩处的横向位移值为 54 mm,小于边墙处的 横向位移值,左右拱脚处的横向位移为比拱肩和边墙位移值 大,说明隧道拱脚附近受隧道开挖的影响最大;而拱顶、拱肩 处竖向位移较大,最大值为 6 82 mm,左右边墙处的位移 为 5 325 m 和 50 96 mm,左右拱脚处位移为 32 448 mm, 拱底竖向位移最大为 40 203 mm,说明隧道开挖对隧道竖 向位移的影响主要在拱部与拱底附近处。 2)CD 法施工数值模拟分析。 CD 法开挖施工过程所引 起隧道围岩位移场变化如图 5 6 所示。 主要控制点位移变 化见表 3。 图 5 CD 法开挖围岩横向位 移图/ m 图 6 CD 法开挖围岩横向位 移图/ m 从图 5 6 及表 3 可以看出: 采用 CD 法开挖隧道,右侧 导坑开挖支护完成后,位移场趋于均匀分布。 CD 法开挖隧 道初期 支 护 完 成 以 后, 右 边 墙 处 的 横 向 位 移 最 大 为 32 34 mm,其次为右侧拱脚横向位移值 29 255 mm,左侧拱 脚处的横向位移值为 26 24mm,说明隧道边墙附近受隧道 开挖的影响最大;从主要控制点的竖向位移变化情况来看, 拱顶处竖向位移最大,最大值为 58 234 mm,左侧拱肩处竖 向位移值为 56 05 mm 小于右侧拱肩处竖向位移值为 59 32 mm,左边墙处的竖向位移为 39 499 mm 大于右边墙 处的 竖 向 位 移 为 3 866 mm, 右 拱 脚 处 竖 向 位 移 为 52 94 mm大于左拱脚处竖向位移为 42 33 mm,拱底竖向 位移最大为 03 98 mm。 表 3CD 法主要控制点位移表mm 控制点 左边墙 2 左拱肩3 拱顶4 右拱肩 5 右边墙 6 右拱脚 拱底8 左拱脚 横向位移 Ux 28 38 45-0 09 4 -6 509 -32 34 -29 2555 6226 24 竖向位移 Uy -39 499 -56 05 -58 234 -59 32 -3 86652 9403 9842 33 3)两种工法对比分析。 取两种工法的横向及竖向位移 最大值分析,如表 4 所示。 表 4两种工法最大位移对比情况 位移类型CD 法/ mm 台阶法/ mm增加比例/ % 横向位移32 3443 42035 2 竖向位移03 9840 20334 83 从表 4 可以看出:采用 CD 法开挖时,最大横向位移相 比台阶法增加了 35 2%,最大竖向位移相比台阶法增加了 34 83%,说明在软弱土层中隧道施工时,相对台阶法而言, 应考虑采用 CD 法,并加强支护措施。 3 结论及建议 本文针对软弱土层隧道所采取的两种开挖工法运用有 限元数值模拟方法进行了分析,得出以下结论。 )隧道穿越软弱土层采用台阶法施工时,隧道拱脚附近 的横向位移受隧道开挖的影响较大,对竖向位移的影响主要 在拱部与拱底附近处。 2)隧道穿越软弱土层采用 CD 法施工时,隧道边墙附近 受隧道开挖的影响最大,竖向位移的影响主要在拱部与拱底 附近处。 3)CD 法最大横向位移相比台阶法增加了35 2%,最大 竖向位移相比台阶法增加了 34 83%,说明采用在软弱土层 中隧道施工时,相对台阶法而言,应考虑采用 CD 法,并加强 支护措施。ID:0032 参 考 文 献: 谢红山 软弱围岩、富水、浅埋隧道病害分析及整治J