连拱隧道两导洞工法施工力学特性分析与应用.doc

连拱隧道两导洞工法施工力学特性分析与应用 摘 要 对渝怀铁路金洞隧道出口连拱隧道段采用两导洞工法开挖施工，着重介绍了经过理论计算分析的隧道洞周位移、支护内力及安全系数变化情况，判断分析施工方案是否可行，确定出影响工程地质体稳定的关键部位。在施工过程中，采取相应必要的加固措施，减少施工盲目性，确保工程施工的安全稳定，取得了良好的工程效果。 关键词 隧道工程 连拱隧道 两导洞工法 力学特性 应用 工程效果 分类号 U 455 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)增2-5153-05 1 工程概况及施工工法的比诜 1.1 工程概况 渝怀铁路金洞隧道，全长9 108 m。出口1 53 m采用燕尾式隧道设计，由大跨隧道、连拱隧道、小间距分离隧道3部分组成。连拱隧道段长42.2 m，中隔墙厚度1.02.89 m。1.2连拱隧道3导洞工法 3导洞工法施工工序为中导洞开挖、支护、中隔墙混凝土施工；左导洞上半断面开挖、支护，下半断面开挖、支护，仰拱及填充、2次混凝土衬砌施工；右导洞上半断面开挖、支护，下半断面开挖、支护，仰拱及填充、2次混凝土衬砌施工。左、右导洞距离前后错开3050 m。施工步骤见图1。 1.3 两导洞工法施工 两导洞工法施工工序为：左导洞上半断面开挖、支护，下半断面开挖、支护，仰拱及填充、2次混凝土衬砌施工：右导洞上半断面开挖、支护，下半断面开挖、支护，仰拱及填充、2次混凝土衬砌施工。左、右导洞距离前后错开3050 m。施工步骤见图2。 1.4 连拱隧道施工工法的比选 3导洞工法是连拱隧道普遍采用的施工工法，该工法的缺点：中导洞开挖、支护、中隔墙混凝土完成，再进行左右两导洞的施工，平行交叉作业时间相对较少，施工工期长，对长大隧道的总工期影响较大。在确保工程地质体稳定的前提条件下，有效克服3导洞工法施工弱点是解决问题的关键。通过方案比较，采用两导洞工法施工。图1 连拱隧道3导洞工法施工步骤图2 连拱隧道两导洞工法施工步骤图 2 两导洞工法施工力学特性分析 2.1 力学特性分析的目的和内容 通过理论计算分析结果，确定出影响岩土体稳定的关键部位，并在施工过程中采取必要的加固措施对其进行加固。主要内容为分析连拱隧道两导洞工法施工导致隧道洞周位移、支护内力及安全系数变化情况。 2.2 力学特性计算分析结果 2.2.1 计算条件 (1) 计算断面选择。连拱隧道选在中隔墙较薄处，该断面位置埋深约100 m。 (2) 计算参数。围岩力学指标，根据铁路隧道设计规范(TBl00032001，J117-2001)进行选取，支护参数依据设计图，具体参数详见表1，2。表1 隧道围岩力学指标表2 支护参数 (3) 计算条件。横向计算范围左、右各取3倍洞跨，竖向上、下各取3倍洞高。 计算中，围岩及2次衬砌采用二维实体单元模拟，隧道初期支护采用梁单元模拟，锚杆采用杆单元模拟，并采用Drucker-Prager屈服准则。 2.2.2 连拱隧道两导洞工法施工计算结果 连拱隧道两导洞上法施工，计算模型网格划分见图3。其初期支护及锚杆有限元模型图见图4。图3 连拱隧道两导洞工法施工计算模型网格图图4 连拱隧道初期支护及锚杆有限元模型图 具体计算结果如下： (1) 洞周位移 理论计算分析表明：拱顶最大位移2.5 cm，发生在第5步施工；拱腰位移1.5 cm，边墙位移2.2cm。 (2) 初期支护内力 各施工步初期支护最大内力见表3。从表3的计算结果可以看出：初期支护最大轴力为-1 686.4kN(压力)，位于中隔墙上部偏下部位；最大拉力为434 kN，位于仰拱中部，对于C20喷射混凝土，该拉力将大于其极限拉力值。初期支护设计有钢支撑。因此，该初期支护能够基本维持隧道施工安全。 (3) 锚杆轴力 经计算锚杆承受的最大拉力为19.77 kN，因此，锚杆受力是安全的。 (4) 2次衬砌内力连拱隧道两导洞工法施工二次衬砌弯矩图见图5。二次衬砌轴力(左、右洞相同)、剪力(左、右洞相同)图见图6。图5 二次衬砌弯矩图图6 二次衬砌轴力和剪力图 最大弯距发生在仰拱与边墙相接处，其值为78.5 kNm；拱顶弯距较小，为1 7.7 kNm；仰拱弯距为19.9 kNm；其他部位的弯矩均较小。 最大轴力发生在边墙与拱部的交界处，其值为652.7 kN，最小轴力发生在拱部，其值为88.1kN，拱部与中隔墙相连部位为339 kN。 最大剪力发生在隧道墙脚处，其值为240kN，次大剪力在隧道中隔墙脚处，其值为80 kN，其余位置剪力均比较小。 二次衬砌安全系数：连拱隧道两导洞工法施工，二次衬砌安全系数最小值为3.6，达到了设计规范要求。因此，采用该工法施：的连拱隧道结构是安全的。 3 施工要点及注意事项 3.1 开挖工序表3 各施工步初期支护最大内力值 级围岩，围岩稳定性相对较差，施工过程必须确保围岩的稳定。爆破对围岩存在不同程度的破坏，其破坏程度与选用的爆破技术及爆破参数有关，开挖中采用减震控制爆破技术。 3.1.1 爆破振动控制指标的确定 结合设计文件提供的工程地质资料、工程结构和国家及行业标准，对不同的建筑物制定不同的临界振动速度值。连拱隧道开挖质点安全振动速度控制标准：左导洞Vkp10 cm/s；右导洞上半断面Vkp6 cm/s，右导洞下半断面Vkp8 cm/s。 3.1.2 同时起爆最大允许装药量 同时起爆最大允许装药量为式中：Qmax为同时起爆最大药量(kg)；Vkp为安全振动速度(cm/s)；R为爆破安全距离(m)；k为地质影响系数，本隧道选取k=150；为衰减系数，本隧道取=1.6。 3.1.3 微差爆破、光面爆破、预裂爆破和线状钻孔爆破技术的应用 (1) 微差爆破技术的应用。大量的工程实践表明，相邻两段位爆破时间间隔大于等于100 ms时，相当于2次独立的爆破，相互之间爆破震动效应不相互叠加，减震效果比较明显：间隔时间小于100ms时，有一定的影响，且间隔时间越小，影响越大。施工过程中，间隔时间选取100 ms。 (2) 光面爆破技术的应用。光面爆破是钻爆法施工应用最广泛的爆破技术，不仅可以提高开挖质量，而且施工速度比较快，只要施工条件允许，应优先选取。隧道施工过程中只要不会对工程地质体和相邻隧道工程结构造成不利影响，均采用光面爆破技术。 (3) 光面爆破、预裂爆破和线状钻孔爆破技术的组合应用。预裂爆破形成预裂缝后，就形成了一个不透射而全反射的界面，爆破形成的入射应力波被反射到开挖区内，阻隔对开挖区以外工程岩体或工程结构物的破坏，减震效果明显，振动强度可以削弱60左右。线状钻孔爆破技术，其钻孔密度较光面爆破、预裂爆破都大，装药量更小，爆破破坏性影响更少，其爆破参数根据爆破限制条件确定，见表4。连拱隧道右导洞开挖，爆破对左导洞影响非常大，爆破控制不好，就会对两洞之间衬砌结构造成破坏。因此，爆破开挖成为保证质量的关键工序。连拱隧道右导洞开挖过程中，上半断面开挖采用光面爆破、预裂爆破和线状钻孔爆破技术的组合，下半断面开挖采用光面爆破和预裂爆破技术的组合，见图7。表4 爆破参数图7 连拱隧道组合爆破技术示意图 3.2 支护工序 3.2.1 超前支护 两连拱之间的工程岩体，冈重力作用，自身不能确保稳定，施工中采用超前锚杆进行锚同。 3.2.2 初期支护 每一步开挖完成后，立即进行初期支护，限制工程岩体的松脱变形，针对施工力学特性计算分析确定的薄弱部位加强支护。主要措施：增加锚杆密度和长度、增加钢筋网片、增加喷混凝土的厚度、增加钢支撑等，同时加强对工程岩体和支护结构稳定性监控量测。 3.3 2次混凝土衬砌 施工力学特性计算分析表明，连拱隧道开挖后仅进行锚喷支护，不能长期满足工程岩体和初期支护结构的稳定，部分部位可能发生破坏的反应。施工过程中，左导洞开挖、支护和二次混凝土衬砌完成后，才能进行右导洞施工作业，左导洞二次混凝土衬砌未施工或二次衬砌混凝土强度未达到设计强度对应地段，严禁右导洞施工。 4 工程效果 (1) 施工工期。连拱隧道采用两导洞工法较3导洞工法施二l可以节省3545的时间。 (2) 工程质量和施工安全。施工实践证明，连拱隧道采用两导洞工法开挖施工方案是完全可行的。施工过程中，没有出现工程岩体超限变形或坍塌掉块，右导洞后序开挖没有对已施工的左导洞二次衬砌结构造成破坏，确保了工程施工安全。 (3) 经济效益。减化了部分施工工序及部分临时支护，施工工期缩短，施工成本降低，经测算分析，每延米隧道节省费用1.368万元。 5 结 语 (1) 对确定的施工方案进行力学特性分析是必要的。它最重要的价值在于通过理论计算，判断分析施工方案是否可行及可能存在问题的薄弱部位，使施工过程中能及时采取相应的工程措施，减少施工的盲目性，确保工程施工安全。 (2) 采用连拱隧道两导洞工法代替连拱隧道3导洞工法施工，是连拱隧道施工工法的优化创新，可以增加各工序之间平行作业的时间，提高施工工效，缩短施工工期，降低施工成本，能够取得良好的经济和社会效益。 (3) 连拱隧道施工的关键工序是右导洞开挖，其难点是确保开挖过程中不对左导洞衬砌结构造成破坏。施工过程中，根据工程结构和工程地质情况，采用多种减震措施是必要的。 (4) 通过理论计