留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

软弱地层大断面隧道三台阶七步法与临时仰拱法适应性分析的对比研究

陈洁金 高超 晋婉晴 阳军生

陈洁金, 高超, 晋婉晴, 阳军生. 软弱地层大断面隧道三台阶七步法与临时仰拱法适应性分析的对比研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 180-186. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S033
引用本文: 陈洁金, 高超, 晋婉晴, 阳军生. 软弱地层大断面隧道三台阶七步法与临时仰拱法适应性分析的对比研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 180-186. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S033
Jie-jin CHEN, Chao GAO, Wan-qing JIN, Jun-sheng YANG. COMPARATIVE STUDY ON ADAPTABILITY ANALYSIS OF THREE BENCHING SEVEN STEPS AND TEMPORARY INVERT METHOD FOR LARGE-SECTION TUNNEL IN SOFT STRATUM[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 180-186. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S033
Citation: Jie-jin CHEN, Chao GAO, Wan-qing JIN, Jun-sheng YANG. COMPARATIVE STUDY ON ADAPTABILITY ANALYSIS OF THREE BENCHING SEVEN STEPS AND TEMPORARY INVERT METHOD FOR LARGE-SECTION TUNNEL IN SOFT STRATUM[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 180-186. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S033

软弱地层大断面隧道三台阶七步法与临时仰拱法适应性分析的对比研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S033
基金项目: 土木工程湖南省优势特色重点学科项目(16ZDXK08)
详细信息
    作者简介:

    陈洁金(1975−),男,湖南人,讲师,博士,主要从事隧道与岩土工程教学与研究工作(E-mail: chenjjin1975@163.com)

    高 超(1994−),男,湖南人,硕士生,主要从事隧道工程研究(E-mail: 812753379@qq.com)

    晋婉晴(1996−),女,河南人,硕士生,主要从事岩土和隧道工程研究(E-mail: 1066545488@qq.com)

    通讯作者: 阳军生(1969−),男,湖南人,教授,博士,主要从事隧道与岩土工程教学与研究工作(E-mail: 1227095464@qq.com)
  • 中图分类号: U455.4

COMPARATIVE STUDY ON ADAPTABILITY ANALYSIS OF THREE BENCHING SEVEN STEPS AND TEMPORARY INVERT METHOD FOR LARGE-SECTION TUNNEL IN SOFT STRATUM

  • 摘要: 软弱围岩力学性质较差、强度低、自稳能力差。目前在软弱围岩隧道施工中常采用的三台阶七步法经大量工程实践表明存在初期支护变形大、地表沉降大、难以及时封闭、对突发事件的应变能力较差等特点。针对广东赤竹、高栋两座高速铁路隧道洞口段软弱围岩具体条件,进行三台阶七步法和三台阶临时仰拱法两种施工工法的对比试验,在隧道拱顶沉降、周边收敛和地表沉降测试基础上,从工程应用效果以及数值仿真模拟等方面进行了系统的工法适应性研究。结果表明:在该类软弱围岩地层大断面隧道施工中,三台阶临时仰拱法在控制拱顶沉降、地表沉降、围岩应力、塑性区扩展面积及深度方面要优于三台阶七步法,所得结论对其他类似工程具有借鉴意义。
  • 图  1  赤竹隧道进口段纵断面图[6]

    Figure  1.  Profile of entrance section of chizhu tunnel

    图  2  高栋隧道进口段纵断面图[6]

    Figure  2.  Profile of entrance section of gaodong tunnel

    图  3  隧道进口段结构断面图 /cm

    Figure  3.  Structural section of tunnel entrance section

    图  4  三台阶七步法施工工序图

    Figure  4.  Three-step seven-step construction procedure drawing

    图  5  三台阶临时仰拱法施工工序图

    Figure  5.  Construction procedure drawing of three-step temporary invert method

    图  6  三台阶七步法开挖进尺情况

    Figure  6.  Three-step seven-step excavation footage

    图  7  三台阶临时仰拱法开挖进尺情况

    Figure  7.  Excavation footage of three-step temporary invert

    图  8  地表测点沉降图 /mm

    Figure  8.  Subsidence map of surface measurement points

    图  9  三台阶七步法各施工步序沉降图 /mm

    Figure  9.  Settlement diagram of each construction step sequence with three steps and seven steps

    图  10  三台阶临时仰拱法各施工步序沉降图 /mm

    Figure  10.  Settlement diagram of each construction step of three-step temporary invert method

    图  11  三台阶七步法数值模拟网格划分

    Figure  11.  Three-step seven-step numerical simulation of mesh generation

    图  12  三台阶临时仰拱法数值模拟网格划分

    Figure  12.  The three-step temporary invert method numerical simulation of mesh generation

    图  13  总竖向位移云图 /m

    Figure  13.  Total vertical displacement cloud map

    图  14  两隧道开挖前大、小主应力云图 /Pa

    Figure  14.  Large and small main stress nephogram before excavation of two tunnels

    图  15  三台阶七步法开挖后大、小主应力云图 /Pa

    Figure  15.  Large and small main stress nephogram after three-step seven-step excavation

    图  16  三台阶临时仰拱法开挖后大、小主应力云图 /Pa

    Figure  16.  Large and small principal stress cloud maps after three-step temporary invert excavation

    图  17  两隧道塑性区分布云图

    Figure  17.  Distribution of plastic zone in two tunnels

    表  1  数值模拟计算参数

    Table  1.   Numerical simulation calculation parameters

    材料名称 弹性模量/
    MPa
    重度/
    (kN/m3)
    泊松比 粘聚力/
    kPa
    内摩擦角/
    (°)
    粉质黏土 4 20.5 0.30 6 28
    全风化石英片岩 30 24.0 0.28 29 29
    C25喷射混凝土 2.58×104 23.5 0.21
    下载: 导出CSV
  • [1] 何满潮, 景海河, 孙晓明. 软岩工程力学 [M]. 北京: 科学出版社, 2003.

    He Manchao, Jing Haihe, Sun Xiaoming. Engineering mechanics of soft rock [M]. Beijing: Science Press, 2003. (in Chinese)
    [2] 铁道部. 软岩铁路隧道台阶七步开挖法施工作业指南 [M]. 北京: 中国铁道出版社, 2007.

    Ministry of Railway. Guide for construction of soft rock railway tunnel with seven-step excavation method [M]. Beijing: China Railway Publishing House, 2007. (in Chinese)
    [3] 孙韶峰. 古迹坪隧道进口浅埋黄土层进洞施工技术[J]. 现代隧道技术, 2012, 49(4): 83 − 88. doi:  10.3969/j.issn.1009-6582.2012.04.017

    Sun Shaofeng. Construction technique for the gujiping tunnel portal section in shallow-buried loess [J]. Modern Tunnelling Technology, 2012, 49(4): 83 − 88. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1009-6582.2012.04.017
    [4] 李兵, 何英伟, 阳军生, 等. 云阳山隧道亚粘土地层台阶七步开挖施工技术[J]. 公路工程, 2008, 33(5): 96 − 103. doi:  10.3969/j.issn.1674-0610.2008.05.024

    Li Bing, He Yingwei, Yang Junsheng, et al. Construction technology of short step and seven-step-excavation in silt stratum of Yunyangshan Tunnel [J]. Highway Engineering, 2008, 33(5): 96 − 103. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1674-0610.2008.05.024
    [5] 许瑞宁, 王志杰. 昔格达组地层大断面隧道施工工法比选分析[J]. 公路, 2017, 62(1): 231 − 236.

    Xu Ruining, Wang Zhijie. Comparative analysis on construction methods of large section tunnels in xigeda formation strata [J]. Highway, 2017, 62(1): 231 − 236. (in Chinese)
    [6] 中铁第四勘察设计院集团有限公司. 新建铁路赣州至深圳客运专线施工图, 赤竹, 高栋隧道设计图 [M]. 武汉: 中铁第四勘察设计院集团有限公司, 2017.

    China Railway Siyuan Survey and Design Group Company Limited. Construction drawing of the new railway Ganzhou-Shenzhen passenger dedicated line, Chizhu, Gaodong Tunnel Design Drawing [M]. Wuhan: China Railway Siyuan Survey and Design Group Company Limited, 2017. (in Chinese)
    [7] Q/CR 9218−2015, 铁路隧道监控量测技术规程 [S]. 北京: 中国铁道出版社, 2015.

    Q/CR 9218−2015, Technical specification for monitoring measurement of railway tunnel [S]. Beijing: China Railway Publishing House, 2015. (in Chinese)
    [8] TB 10601−2009, 高速铁路工程测量规范 [S]. 北京: 中国铁道出版社, 2009.

    TB 10601−2009, Code for engineering survey of highspeed railway [S]. Beijing: China Railway Publishing House, 2009. (in Chinese)
    [9] 陈育民, 徐鼎平. FLAC/FLAC3D基础与工程实例 [M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2013.

    Chen Yumin, Xu Dingping. Basic of FLAC/FLAC3D and engineering examples [M]. Beijing: China Water and Power Press, 2013. (in Chinese)
    [10] Itasca. FLAC3D user’s manual [M]. Version. 5.0. Mineapolis: Itasca Consulting Group, Incorporated, 2012.
  • [1] 胡杰, 何满潮, 李兆华, 张龙飞, 冯吉利.  基于三维离散-连续耦合方法的NPR锚索-围岩相互作用机理研究 . 工程力学, 2020, 37(7): 27-34. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.07.0390
    [2] 孟栋梁, 杨孟刚, 费凡.  碰撞对高铁简支桥梁横向地震响应影响的振动台试验研究 . 工程力学, 2019, 36(8): 161-170,181. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.07.0419
    [3] 熊仲明, 韦俊, 陈轩, 张朝, 程攀.  跨越地裂缝框架结构振动台试验及数值模拟研究 . 工程力学, 2018, 35(5): 214-222. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.06.0473
    [4] 孙振宇, 张顶立, 房倩, 台启民, 于富才.  基于超前加固的深埋隧道围岩力学特性研究 . 工程力学, 2018, 35(2): 92-104. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.09.0743
    [5] 温科伟, 刘树亚, 杨红坡.  基于小应变硬化土模型的基坑开挖对下穿地铁隧道影响的三维数值模拟分析 . 工程力学, 2018, 35(S1): 80-87. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.05.S011
    [6] 龚顺明, 周颖, 吕西林.  带黏弹性阻尼器结构振动台试验数值模拟 . 工程力学, 2015, 32(增刊): 226-232. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.05.S051
    [7] 王娟, 李庆斌, 卿龙邦, 管俊峰.  混凝土单轴抗压强度三维细观数值仿真 . 工程力学, 2014, 31(3): 39-44. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.10.0768
    [8] 张广, 于开平, 周景军.  通气空泡重力效应三维数值仿真研究 . 工程力学, 2012, 29(8): 366-371,384. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0844
    [9] 黄 恺, 张振南.  三维单元劈裂法与压剪裂纹数值模拟 . 工程力学, 2010, 27(12): 51-058.
    [10] 邹新军, 赵明华, 刘光栋.  基于无单元Galerkin法的软土区高承台超长嵌岩基桩屈曲分析 . 工程力学, 2009, 26(1): 125-130.
    [11] 杨 峰, 阳军生.  浅埋隧道围岩压力确定的极限分析方法 . 工程力学, 2008, 25(7): 0-184.
    [12] 袁 驷, 邢沁妍, 王 旭, 叶康生.  具有最佳超收敛阶的EEP法计算格式:II 数值算例 . 工程力学, 2007, 24(11): 0-006.
    [13] 代明君, 陈志刚.  对接仿真试验台对接动力学的数值仿真研究 . 工程力学, 2006, 23(7): 54-59.
    [14] 谢峻, 江见鲸, 韩大建, 王国亮.  大跨度斜拉桥损伤识别的三步法 . 工程力学, 2006, 23(8): 53-56,4.
    [15] 鞠杨, 徐广泉, 毛灵涛, 段庆全, 赵同顺.  盾构隧道衬砌结构应力与变形的三维数值模拟与模型试验研究 . 工程力学, 2005, 22(3): 157-165.
    [16] 韩大建, 陈太聪, 苏成.  随机结构数值模拟分析的神经网络法 . 工程力学, 2004, 21(3): 49-54.
    [17] 刘宏民, 王英睿, 金丹.  条层法及其对板带轧制三维变形的仿真 . 工程力学, 2003, 20(6): 39-45.
    [18] 金峰, 邵伟, 张立翔, 徐艳杰.  模拟软弱夹层动力特性的薄层单元及其工程应用 . 工程力学, 2002, 19(2): 36-40.
    [19] 陈水福, 孙炳楠, 唐锦春.  建筑表面风压的三维数值模拟 . 工程力学, 1997, 14(4): 38-43.
    [20] 赵平, 薛克宗.  空间柔性机械臂三维动力学数值仿真 . 工程力学, 1996, 13(1): 103-114.
  • 加载中
图(17) / 表ll (1)
计量
  • 文章访问数:  16
  • HTML全文浏览量:  3
  • PDF下载量:  6
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-03
  • 修回日期:  2019-12-30
  • 网络出版日期:  2020-06-01
  • 刊出日期:  2020-06-01

软弱地层大断面隧道三台阶七步法与临时仰拱法适应性分析的对比研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S033
    基金项目:  土木工程湖南省优势特色重点学科项目(16ZDXK08)
    作者简介:

    陈洁金(1975−),男,湖南人,讲师,博士,主要从事隧道与岩土工程教学与研究工作(E-mail: chenjjin1975@163.com)

    高 超(1994−),男,湖南人,硕士生,主要从事隧道工程研究(E-mail: 812753379@qq.com)

    晋婉晴(1996−),女,河南人,硕士生,主要从事岩土和隧道工程研究(E-mail: 1066545488@qq.com)

    通讯作者: 阳军生(1969−),男,湖南人,教授,博士,主要从事隧道与岩土工程教学与研究工作(E-mail: 1227095464@qq.com)
  • 中图分类号: U455.4

摘要: 软弱围岩力学性质较差、强度低、自稳能力差。目前在软弱围岩隧道施工中常采用的三台阶七步法经大量工程实践表明存在初期支护变形大、地表沉降大、难以及时封闭、对突发事件的应变能力较差等特点。针对广东赤竹、高栋两座高速铁路隧道洞口段软弱围岩具体条件,进行三台阶七步法和三台阶临时仰拱法两种施工工法的对比试验,在隧道拱顶沉降、周边收敛和地表沉降测试基础上,从工程应用效果以及数值仿真模拟等方面进行了系统的工法适应性研究。结果表明:在该类软弱围岩地层大断面隧道施工中,三台阶临时仰拱法在控制拱顶沉降、地表沉降、围岩应力、塑性区扩展面积及深度方面要优于三台阶七步法,所得结论对其他类似工程具有借鉴意义。

English Abstract

陈洁金, 高超, 晋婉晴, 阳军生. 软弱地层大断面隧道三台阶七步法与临时仰拱法适应性分析的对比研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 180-186. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S033
引用本文: 陈洁金, 高超, 晋婉晴, 阳军生. 软弱地层大断面隧道三台阶七步法与临时仰拱法适应性分析的对比研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 180-186. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S033
Jie-jin CHEN, Chao GAO, Wan-qing JIN, Jun-sheng YANG. COMPARATIVE STUDY ON ADAPTABILITY ANALYSIS OF THREE BENCHING SEVEN STEPS AND TEMPORARY INVERT METHOD FOR LARGE-SECTION TUNNEL IN SOFT STRATUM[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 180-186. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S033
Citation: Jie-jin CHEN, Chao GAO, Wan-qing JIN, Jun-sheng YANG. COMPARATIVE STUDY ON ADAPTABILITY ANALYSIS OF THREE BENCHING SEVEN STEPS AND TEMPORARY INVERT METHOD FOR LARGE-SECTION TUNNEL IN SOFT STRATUM[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 180-186. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S033
  • 软弱围岩一般强度不高、完整性不好、结构相对松散,围岩力学性质较差,自稳能力差[1]。我国隧道工程施工过程中,不可避免遇到大量的软弱围岩。目前三台阶七步法在隧道施工中应用较为广泛[2],围岩条件合适时具有施工速度快、机械作业空间充足、初期支护操作便捷、开挖面稳定性好等优点[3-4]。然而,在大量的工程实践表明存在初期支护变形大、地表沉降大、对突发事件的应变能力较差等特点。在软弱地层中,三台阶临时仰拱法亦是较为常见的开挖工法,其结合支护措施增强了围岩的稳定性,能较好的控制隧道开挖支护过程中塑性区的范围[5]

    需要指出的是三台阶七步法在软弱地层中大量采用,其应用效果有待于进一步量化评价。基于此,依托地质条件基本一致且相邻的广东赤竹隧道和高栋隧道,分别采用三台阶七步法和三台阶临时仰拱法进行对比研究,结合现场存在拱顶沉降、地表沉降较大的问题,从工程应用效果以及数值仿真模拟两个方面对三台阶七步法和三台阶临时仰拱法进行系统分析对比,并分析其产生的原因。通过对比表明:在该地层中三台阶临时仰拱法优于三台阶七步法,并提出类似软弱围岩地层大断面隧道施工方法的建议。

    • 赤竹隧道、高栋隧道位于广东省河源市,其中赤竹隧道全长947.74 m,隧道进口段,表层为 ${\rm Q}_{4}^{\rm el+dl} $ 粉质黏土,厚度为1 m~1.6 m。洞身主要位于泥盆系中下统桂头群(D1-2gt)全风化石英片岩地层中,全风化,黄褐色,结构构造均被破坏,岩体破碎,主要岩层产状为359°∠40°,隧道进口段围岩等级为Ⅴ级[6];高栋隧道全长944 m,隧道进口段,表层为 ${\rm Q}_{4}^{\rm el+dl} $ 粉质黏土,硬塑,黄褐色,厚约1 m~2 m,洞身主要位于泥盆系D1-2gt石英片岩地层中,全风化,黄褐色,岩体风化较完全,呈砂土状,层厚约5 m~8 m,岩层产状为8°∠34°,隧道进口段围岩等级为Ⅴ级[6]。两隧道进口段纵断面图如图1图2所示。

      两隧道采用复合式衬砌,隧道主要支护参数如图3所示,其中,赤竹隧道钢拱架为HW175钢架,高栋隧道钢拱架为I22a钢架,其余支护参数相同。两隧道进口段结构断面图如图3所示。

      图  1  赤竹隧道进口段纵断面图[6]

      Figure 1.  Profile of entrance section of chizhu tunnel

      图  2  高栋隧道进口段纵断面图[6]

      Figure 2.  Profile of entrance section of gaodong tunnel

      图  3  隧道进口段结构断面图 /cm

      Figure 3.  Structural section of tunnel entrance section

    • 赤竹隧道进口段采用三台阶七步法施工,上台阶采用弧形开挖并预留核心土,中、下台阶左右错开开挖,左右错开3 m,台阶长度为5 m。中、下台阶预留核心土长度5 m,开挖后及时施做初支,仰拱按照施工要求及时施做。三台阶七步法施工工序图如图4所示。

      高栋隧道进口段采用三台阶临时仰拱法施工,上、中台阶开挖,台阶长度为5 m,开挖后及时施做初支及临时仰拱。下台阶开挖,台阶长度为5 m,开挖后及时施做初支,仰拱按照施工要求及时施做。三台阶临时仰拱法施工工序图如图5所示。

      图  4  三台阶七步法施工工序图

      Figure 4.  Three-step seven-step construction procedure drawing

      图  5  三台阶临时仰拱法施工工序图

      Figure 5.  Construction procedure drawing of three-step temporary invert method

    • 赤竹隧道进口段,隧道开挖面积约为160.46 m2,洞径为15.1 m。上台阶每日开挖进尺1.2 m,台阶长度达5 m时,开挖中右、中左、下右、下左台阶,每日开挖进尺1.2 m,仰拱紧跟下左台阶,距离下左台阶5 m。核心土每2.4 m开挖一次。

      高栋隧道进口段采用三台阶临时仰拱法施工,隧道开挖面积约为160.46 m2,洞径为15.1 m。上台阶每日开挖进尺0.6 m,台阶长度达5 m时,开挖中台阶;中台阶每日进尺1.2 m,台阶长度达5 m时,开挖下台阶;下台阶每日进尺1.2 m,仰拱紧跟下台阶,距离下台阶5 m。两隧道进尺情况如图6图7所示。

      图  6  三台阶七步法开挖进尺情况

      Figure 6.  Three-step seven-step excavation footage

      图  7  三台阶临时仰拱法开挖进尺情况

      Figure 7.  Excavation footage of three-step temporary invert

    • 针对赤竹隧道进口段和高栋隧道进口段进行监控量测,根据相关规范[7-8]布置测点。选取地表监测断面及隧道结构典型断面。根据现场实测数据,绘制出地表特征点沉降图及隧道拱顶沉降如图8图9图10所示。

      图8可以看出:两种开挖工法在隧道中心线上方地表沉降均为最大,且由隧道中心线向两侧逐渐递减;采用三台阶七步法开挖地表最终沉降大于三台阶临时仰拱法。由图9图10看出:① 在各施工步序中三台阶七步法与三台阶临时仰拱法拱顶沉降、地表沉降趋势基本一致,仰拱施做前沉降速率均较大,施做仰拱后沉降速率减小,沉降趋于稳定。主要原因是,仰拱施做后,初期支护封闭成环状结构,能很好的抵抗围岩压力、形成支护整体,并充分利用围岩的自稳能力。② 从隧道开挖至仰拱施做完成,三台阶临时仰拱法拱顶沉降、地表沉降值均小于三台阶七步法。主要是由于三台阶临时仰拱法在上、中台阶开挖时均施做临时仰拱,每一台阶开挖都能使开挖区及时支护,形成闭合的环状支护结构,利于隧道快速及时稳定,减小因初期支护闭合时间过长而引起较大的沉降。

      图  8  地表测点沉降图 /mm

      Figure 8.  Subsidence map of surface measurement points

      图  9  三台阶七步法各施工步序沉降图 /mm

      Figure 9.  Settlement diagram of each construction step sequence with three steps and seven steps

      图  10  三台阶临时仰拱法各施工步序沉降图 /mm

      Figure 10.  Settlement diagram of each construction step of three-step temporary invert method

      由此可见,尽管赤竹隧道采用HW175钢架,较高栋隧道I22a强度和刚度更大,采用三台阶七步法现场变形控制效果相对较差,因此,高栋隧道采用的三台阶临时仰拱法与围岩条件更相适应。

    • 为了进一步量化评价三台阶临时仰拱法和三台阶七步法施工导致的围岩反应,根据现场地质条件和施工过程建立三维隧道开挖数值模型,为消除模型边界对隧道开挖数值模拟的影响,模型的横向宽度取为160 m,隧道纵向长度为30 m,竖向自隧底向下取50 m,模型侧面限制水平位移,底面限制竖向位移。岩体采用三维实体单元(brick)模拟,服从Mohr-Coulomb屈服准则,初期支护、仰拱采用三维实体单元,初期支护、仰拱均按弹性体考虑,数值计算采用FLAC3D[9-10],考虑到对于开挖工法的评价,模型中不考虑二次衬砌施作。三维数值计算网格划分如图11图12所示。

      图  11  三台阶七步法数值模拟网格划分

      Figure 11.  Three-step seven-step numerical simulation of mesh generation

      图  12  三台阶临时仰拱法数值模拟网格划分

      Figure 12.  The three-step temporary invert method numerical simulation of mesh generation

      1)三台阶七步法数值模拟过程

      ① 初始地应力场模拟;② 开挖上弧导坑,循环进尺1 m,施作初期支护;③ 左右中台阶交错开挖,循环进尺1 m,且左右保持错开3 m,台阶长5 m,施作初期支护;④ 左右交错开挖下台阶,循环进尺1 m,且左右保持错开3 m,台阶长5 m,施作初期支护;⑤ 预留核心土开挖;⑥ 仰拱断面土体开挖,仰拱每6 m施作一次。

      2)三台阶临时仰拱法数值模拟过程

      ① 初始地应力场模拟;② 开挖上台阶,循环进尺1 m,施作初期支护;③ 开挖中台阶,循环进尺1 m,台阶长5 m,施作初期支护;④ 开挖下台阶,循环进尺1 m,台阶长5 m,施作初期支护;⑤ 仰拱断面土体开挖,仰拱每6 m施作一次。

    • 两隧道地质情况基本一致,三维数值计算模型选取土体范围地层从上至下依次是粉质黏土、全分化石英片岩,初期支护采用C25喷射混凝土。具体参数选取如表1所示。

      表 1  数值模拟计算参数

      Table 1.  Numerical simulation calculation parameters

      材料名称 弹性模量/
      MPa
      重度/
      (kN/m3)
      泊松比 粘聚力/
      kPa
      内摩擦角/
      (°)
      粉质黏土 4 20.5 0.30 6 28
      全风化石英片岩 30 24.0 0.28 29 29
      C25喷射混凝土 2.58×104 23.5 0.21
    • 通过数值模拟隧道纵向深度30 m的开挖支护过程,提取三台阶七步法、三台阶临时仰拱法开挖后的总竖向位移云图、两隧道开挖前大小主应力云图、两隧道开挖施做仰拱后大小主应力云图以及两隧道开挖支护后塑性区分布云图,进行如下分析:

      图13(a)图13(b)分别为三台阶七步法开挖、三台阶临时仰拱法开挖总竖向位移云图。从图中可以看出:① 两隧道开挖后竖向沉降最大值均位于拱顶处,且最大值分别为99.4 mm、70.8 mm,地表沉降最大值分别为75.8 mm,48.6 mm。对比可知,在拱顶沉降以及地表沉降方面三台阶七步法均大于三台阶临时仰拱法,这应是由于三台阶七步法在开挖过程中各台阶分左右两块错开同时开挖,使得上台阶掌子面离仰拱施做段较远,隧道开挖纵深过长,从而导致拱顶及地表沉降较大,而三台阶临时仰拱法每开挖一次便及时施做临时仰拱,使得初期支护及时封闭成环,更好的控制隧道开挖时沉降;② 三台阶七步法地表沉降横向影响范围约为2.0倍开挖洞径,三台阶临时仰拱法地表沉降横向影响范围约为1.7倍开挖洞径。由此可以看出两种开挖工法对隧道沉降影响范围的影响具有一定差别,这应是由于三台阶七步法施工时,其自身工法特点使其仰拱封闭较为滞后,导致沉降得不到有效的控制,沉降持续增加,沉降范围扩大,从而使得三台阶七步法地表沉降横向影响范围大于三台阶临时仰拱法。

      图  13  总竖向位移云图 /m

      Figure 13.  Total vertical displacement cloud map

      对比图13图8图9图10,结合现场实测数据及三维数值仿真分析可知,现场实测数据与三维数值模拟结果相差较小,两者结果互为验证,证明了本文三维数值理论模型的正确性。

      图14(a)图14(b)图15(a)图15(b)图16(a)图16(b)分别为大小主应力云图,从图中可以看出:① 隧道开挖施做仰拱后最大主应力最大值位于均位于隧道拱顶处,且最大值分别为1.83 MPa、1.65 MPa,且前者的最大主应力最大值大于后者。说明在隧道开挖后,拱顶处围岩一定范围内存在拉应力,三台阶七步法由于仰拱施做较滞后,使得开挖纵深过长,围岩暴露在外较多,导致最大主应力最大值大于三台阶临时仰拱法;② 两者拱脚处最小主应力分别为−1.3 MPa、−1.04 MPa,前者为后者1.25倍。表明采用三台阶七步法开挖时拱脚处压应力较大,且为三台阶临时仰拱法开挖时拱脚处压应力的1.25倍,其原因是三台阶七步法在开挖过程中,仰拱未封闭前,对于变形的控制主要是拱脚以上的初期支护,初期支护所受的力传递至拱脚,引起拱脚处压应力较大。

      图  14  两隧道开挖前大、小主应力云图 /Pa

      Figure 14.  Large and small main stress nephogram before excavation of two tunnels

      图  15  三台阶七步法开挖后大、小主应力云图 /Pa

      Figure 15.  Large and small main stress nephogram after three-step seven-step excavation

      图  16  三台阶临时仰拱法开挖后大、小主应力云图 /Pa

      Figure 16.  Large and small principal stress cloud maps after three-step temporary invert excavation

      图17塑性区分布云图可以看出,三台阶七步法与三台阶临时仰拱法的塑性区分布云图基本相似。然而,在塑性区范围方面存在一定差异:① 由拱部塑性区范围可以看出三台阶七步法拱部塑性区范围大于三台阶临时仰拱法,亦证明了三台阶七步法拱顶及地表沉降大于三台阶临时仰拱法;② 三台阶七步法塑性区从拱肩处贯通至拱脚处,而三台阶临时仰拱法未贯通。由此可以得,在控制塑性区方面,三台阶临时仰拱法优于三台阶七步法。

      图  17  两隧道塑性区分布云图

      Figure 17.  Distribution of plastic zone in two tunnels

      通过现场应用效果和三维数值仿真分析,从拱顶沉降、地表沉降、应力及塑性区等方面对三台阶七步法和三台阶临时仰拱法进行了对比分析,采用三台阶临时仰拱法可以取得更好效果。

      因此,软弱地层大断面隧道三台阶七步法建议慎重采用,临时仰拱法能够快速封闭,围岩条件合适时可以取消临时仰拱,且便于大型设备施工和工法的调整,其对于软弱围岩隧道适应性更强。

    • 针对地质条件相似的两大断面高铁隧道,分别进行三台阶七步开挖法和三台阶临时仰拱法对比试验,对于工法的适应性进行研究,主要结论包括:

      (1) 现场试验表明,赤竹隧道采用三台阶七步法,尽管采用HW175钢架,较高栋隧道I22a强度和刚度更大,现场变形控制效果相对较差;高栋隧道采用的三台阶临时仰拱法围岩变形和地表沉降数值均小于赤竹隧道。

      (2) 建立三维数值模型,从地层位移、地层应力、围岩塑性区分布三个方面对三台阶七步开挖法与三台阶临时仰拱法进行了系统对比,数值分析结果表明三台阶临时仰拱法在控制隧道拱顶沉降、地表沉降、围岩应力、塑性区范围方面均优于三台阶七步法。

      (3) 在软弱围岩地层大断面隧道施工中,三台阶临时仰拱法的适应性优于三台阶七步法,在该类地层中可优先采用分步较少的施工方法以满足施工要求。

参考文献 (10)

目录

    /

    返回文章
    返回