大断面富水黄土隧道开挖支护技术.pdf

大断面富水黄土隧道开挖支护技术 Ex ca v a t io n S u p p o Te ch n o l o g y f o r La r g e S e ct io n T u n n e l in Rich W a t e r a n d Lo e s s Co n d it io n s 鲍海荣 中铁十二局集团第二工程有限公司 太原0 3 0 0 3 2 摘 要 以郑西线张茂隧道工程为例 采用数值分析的方法对富水大断面黄土隧道的施工方法进行了研究 并得到以下 结论 富水大断面黄土隧道采用弧形导坑七步开挖的方法是可行的 但施工过程中要加强初期支护等手段 以保证施 工安全 关键词 大断面隧道 富水黄土施工开挖支护 中图分类号 U 4 5 5 4 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 1 0 0 1 2 0 1 2 0 4 0 3 5 9 0 2 1 工程概 况 郑 西线张 茅隧 道开挖 跨度 约 1 6 m 开挖 断面积 达 1 7 0 m 隧道全长 8 4 8 3 m 其中富水黄土段 3 1 9 0 m 在富 水黄土地层中修建如此大断面隧道在国内外尚无先例 如 何按照工程要求实现安全和快速施工 需要对 目前修建大 断面隧道的主要施工方法进行对比分析和综合评价 为此 在综合分析工程特点的基础上 采 用数值分析 的方法对大 断面黄土隧道的施工方法进行研究 2 计算方法和参数选取 2 1 计算假定 计算采用基于有限差分算法原理的大型有限差分岩土 工程软件 F L A C 将岩体 进行单元 的离散化 且按常应力模 式进行计算 在计算前对岩体和支护结构作 以下假定 a 采用模型 的岩体材料性质均假定为均质 各向同 性 不考虑节理 层理 剪切带等地质软弱面造成的介质不 连续情况 b 模型的塑性屈服 破坏 准则采用较为适 用岩土材料 的 M o h r C o u l o m b准则 c 本次计算模型埋深 1 0 0 m 为了加快计算进度 根据 实际研究断面地质及埋深情况 研究断面的力学计算模型 计算实际建模 覆土厚度为 7 0 m 在横 向上取 6 5 m 下部边 界离轨面 7 5 m 从计算结果显示的位移场来看 边界条件 对计算结果的影响可以忽略 即认为无边界效应 d 假定变形模量 岩体密度 摩擦角 黏聚力等物理参 作者简介 鲍 海荣 1 9 7 2 一 男 本科 高级工程师 作者地址 山西省太原市小店区人 民南路 1 7号 0 3 0 0 3 2 收稿 日期 2 0 1 2 一 O l 一 1 9 量在计算中保持不变 不考虑岩体的变形致密效果 也不考 虑模量 泊松比等参数随深度的变化 e 为加快计算进度 初期支护采取实体单元进行模 拟 通过后期得到的实体单元应力反算钢架应力 判定安全 1 生 2 2 地层及支护物理力学参数 计算所采用的地层及支护物理力学参数见表 1 表 1 围岩 及支护材料物理力学参数 I 围 岩地质 密度 m 弹性模量 a l7 自 松比 黏聚力 k P a 内 摩擦角 新黄土 1 6 2 6 0 l 0 4 2 l 5 5 l 5 老黄土 1 9 7 3 5 0 1 0 3 0 6 0 5 2 6 5 初期支护 2 5 2 9 5 0 0 l 0 2 2 3 计算模型 本次研究主要针对 4个施工方法 C D 法 C R D 法 双侧 壁导坑法和弧形导坑七步开挖法 计算模型及施工工序见 图 1 图 4 图 1 C D法三维模型 图 2 CR D法三维模型 图 3 双侧壁导坑法三维模型 图 4 弧形导坑七步开挖法三维模型 建筑施工 第 3 4 卷 第 4 期I 3 5 9 3 计算结果分析 3 1 拱顶沉降 通过数值计算得到 4 种 工法的拱顶沉降见图 5 所示 0 5 1 0 l 5 2 0 2 5 j 3 5 4 0 4 5 5 0 图 5 各工法计 算拱顶 沉降随开挖推进距离的变化 曲线 通过图 5 可知 4 种工法各开挖工序引起的拱顶沉降比 例 从而确定采用相应工法时的关键工序 对 比 这 4种 工 法 最 后 的 拱 项 沉 降 值 C D法 为 2 3 0 2 m m C R D法为 1 5 7 8 m m 双侧壁导坑法为 8 8 4 m m 弧 形导坑七步开挖法为 1 6 0 m m 可见双侧壁导坑法控制沉降 能力最强 C R D 次之 而 C D 法控制沉降能力最弱 3 2 水平收敛 4 种工法的计算水平收敛见图 6 量 静 坦 靛 推进距离 m 图 6 各工法拱脚处水平相对位移计算值随推进 距离变化 曲线 对 比这 4种 工 法 的 拱 脚 水 平 收 敛 值 C D法 为 1 3 8 5 m m C R D法为 5 5 2 m m 双侧壁导坑法为 5 8 1 m m 弧 形导坑七步开挖法为 8 2 2 m m 可见 C R D 法控制水平收敛 的能力最强 从 以上的计算结果可以发现 双侧壁导坑法在控制隧 道拱顶沉降方面的能力较强 而 C R D 法在控制隧道水平收 敛方面的能力较强 弧形导坑七步开挖法在控制拱顶沉降 和水平收敛方面不及双侧壁导坑法和 C R D 法 但要明显好 于 C D法 4 张茅隧道施工方法的比较与选择 张 茅隧道洞 身主要穿越 Q 2 老黄土 含水量大 在这种 地层 中开挖隧道应尽量及早封闭初期支护 及早切断水的 渗入途径 因此 在施工方法选择上 除了要比较各种工法 对拱顶沉降和隧道变形的控制能力外 还要综合考虑施工 3 6 0 l 2 o 1 2 4 B 1坷 血g 工序的作业时间以及经济性等问题 4 1 作业时间比较 从弧形导坑七步开挖法与 C D 法 C R D 法及双侧壁导坑 法的施工作业时间比较可以看出 若采用弧形导坑七步开 挖法具有以下优点 4 1 1 大断 面开挖 整个隧道的开挖断面达 1 6 0 m 弧形导坑七步开挖法 只采用 3 个台阶 这样使得每一个台阶开挖面积很大 有利 于大型施工设备的运用 而 C D 法 C R D 法及双侧壁导坑法 则都是小断面的开挖 无法使用大型机械开挖 4 1 2 施工步骤 简明 弧形导坑七步开挖法的开挖步序简单明了 并且无临 时侧壁的施作和拆除 对工艺流程更容易把握 4 1 3 封 闭及 时 C D 法 C R D 法及双侧壁导坑法每次开挖断面较小 封 闭加快 但全断面封 闭较慢 而富水黄土隧道施工只有全断 面封闭后才能稳定 因此全断面封闭越快越好 弧形导坑七 步开挖法的全断面的封 闭时间为 1 5 d 而双侧壁导坑法导 坑封 闭时间都需要 1 0 d 全断面的封 闭远没有弧形导坑七 步开挖法及时 4 1 4 施 工进度 快 弧形导坑七步开挖法可使用大型机械 能做到及时陕 速封 闭 并且施工步序简单 使得这种工法开挖进度较快 可以达到 7 0 m 月 7 5 m 月 因此 从施工工序来看 弧形导坑七步开挖法能做到及 时封 闭 优于其它方法 4 2经济性比较 采用弧形导坑七步开挖法在经济性方面具有可引入大 型机械 多作业面平行施工 施工效率高 无临时支护结构 费 用及节省临时支护施作 时间 无需投入特殊的施工设备 工 艺清晰明了等优点 通过综合 比较 对于大断面富水黄土隧 道 我们推荐采用弧形导坑七步开挖的方法 5 结语 一 般情况下 大断面富水黄土隧道采用弧形导坑七部 开挖法是安全的 但施工过程中 要及时封 闭开挖面 增设 锁脚锚杆 初期支护仰拱及时闭合 参考文献 1 辛振省 砂质黄土大断面隧道施工方法优化研究 铁道工程学报 2 0 1 1 1 5 8 6 1 2 蔺云宏 任飞大 断面黄土隧道开挖支护技术lJ 1 铁道建筑技术 2 0 0 5 6 4 2 4 5 3 贺廷西 苏万军 石太铁路客运专线大断面黄土隧道施 T技术f