預(yù)切槽法黃土隧道仰拱合理封閉距離研究

靳寶成，王秀英

（1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西西安710043；2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044）

預(yù)切槽法黃土隧道仰拱合理封閉距離研究

靳寶成1，王秀英2

（1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西西安710043；2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044）

仰拱封閉能夠有效地控制軟弱圍巖隧道變形。本文以洪亮營隧道為工程背景，研究在黃土隧道施工中預(yù)切槽法的合理仰拱封閉距離。利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立三維模型，研究仰拱封閉距離分別為15，20，25，30，40，50m共6種工況下，隧道上方預(yù)筑拱凈空收斂、結(jié)構(gòu)受力變化規(guī)律以及地層變位情況。研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)仰拱封閉距離為50m時，收斂位移曲線和地層沉降曲線開始不收斂，開挖到研究斷面時，預(yù)筑拱出現(xiàn)拉應(yīng)力，并且大于素混凝土的極限抗拉強度，不滿足安全性要求；當(dāng)仰拱封閉距離為15，20，25，30，40m時，開挖面通過研究斷面時，拱頂沉降值分別占到總沉降值的72%，69.1%，66%，64%，52%；綜合考慮地層變位和支護結(jié)構(gòu)受力，應(yīng)控制仰拱封閉距離在30m內(nèi)，如果施工條件允許，應(yīng)盡早封閉支護結(jié)構(gòu)。

預(yù)筑拱；仰拱封閉距離；地層變位；凈空收斂；結(jié)構(gòu)受力

仰拱封閉對控制隧道變形至關(guān)重要，仰拱封閉可以有效地控制軟弱圍巖隧道變形，對開挖后整個圍巖變形的穩(wěn)定起到重要作用。因而研究和確定仰拱封閉距離在隧道領(lǐng)域受到極大重視?！惰F路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：在Ⅴ級圍巖情況下，仰拱與掌子面的距離不得超過40m。黃土隧道拱腳穩(wěn)定性差，施工變形大，地基承載能力較低，容易發(fā)生洞室坍塌和支護下沉，影響施工的安全。淺埋黃土隧道施工時，地表沉降大，易產(chǎn)生地表裂縫，對地表環(huán)境和建筑物有較大影響。影響黃土隧道施工變形的因素主要與黃土本身的物理特性、隧道埋深、圍巖級別、支護措施、施工方法等有關(guān)［1-3］。黃土隧道采用的“快開挖，強支護，快封閉”施工原則，充分體現(xiàn)了支護結(jié)構(gòu)的快封閉和強支護對控制黃土隧道裂縫、支護結(jié)構(gòu)的受力分布以及地表施工變形的重要性［4-10］。因此在黃土隧道施工時，更應(yīng)盡可能地縮短仰拱封閉距離和施工時間，改善隧道的整體受力，減少隧道整體下沉量。在施工過程中，預(yù)切槽法隧道的預(yù)筑拱仰拱封閉還受到施工空間和機身尺寸的限制。在國內(nèi)尚無預(yù)切槽法施工案例，因此研究預(yù)切槽法的合理仰拱封閉距離，對預(yù)切槽法的成功應(yīng)用有著至關(guān)重要的作用。目前軸心式預(yù)切槽機械已經(jīng)由中鐵重工集團研制成功，計劃在寶蘭客專洪亮營隧道開展工法試驗。本文依托此工程，通過FLAC3D數(shù)值模擬，研究預(yù)切槽法在大斷面黃土隧道施工中合理的仰拱封閉距離，以期為實際工程提供指導(dǎo)。

1　工程概況

洪亮營隧道地處黃土高原梁峁區(qū)。地面高程1880～2008m，相對高差100～150m，在水流切割侵蝕作用下進口端沖溝、黃土陷穴發(fā)育。隧道進口端位于龍王溝左岸黃土斜坡，出口端位于洪亮營村附近的洪積平原上。隧道洞身通過的地層主要為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土，第四系中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土。試驗段位于洪亮營隧道出口，埋深30～40m，屬于砂質(zhì)黃土，圍巖按《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》［11］定為Ⅴ級。

2　計算模型建立

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立預(yù)切槽法三維計算模型［12-14］，埋深30m，模型縱向長度60m，隧道兩側(cè)到邊界位置為80m，隧道底部到下邊界為100m，見圖1。

圖1　預(yù)切槽法隧道三維計算模型

研究中，切槽的填充材料為C30素混凝土，切槽厚度35cm，長度5m，搭接長度1m。為建模方便，不考慮切槽的傾角，搭接處依據(jù)剛度等效原則提高參數(shù)，從而加強預(yù)筑拱強度，并在施工到一環(huán)搭接位置時，激活下一步預(yù)筑拱。隧道預(yù)切槽切灌完畢后，采用全斷面開挖，開挖步距1m。考慮到預(yù)筑拱強度的形成需要一個過程，預(yù)筑拱混凝土的初始彈性模量設(shè)定為20GPa，其后每環(huán)逐步增加，最終達到C30混凝土彈性模量。模型物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　模型物理力學(xué)參數(shù)

為研究預(yù)筑拱在不同仰拱封閉距離工況下的變形特性，對預(yù)筑拱施工進行監(jiān)測。隧道監(jiān)測點分布見圖2。

圖2　隧道監(jiān)測點分布

為研究預(yù)筑拱在不同施工階段的最大主應(yīng)力變化，將隧道施工分為3個步序進行研究。步序1為隧道開挖通過研究斷面，步序2研究斷面仰拱封閉，步序3為仰拱全部封閉。

圖3　仰拱封閉距離為30m時地層變位曲線

圖4　不同仰拱封閉距離拱頂變位曲線

3　計算結(jié)果分析

3.1地層變位分析

圖3給出了仰拱封閉距離為30m，開挖面距研究斷面不同距離時的地層變位曲線。從圖3可以看出，仰拱封閉距離為30m時，不同位置的地層變位曲線變化規(guī)律基本相同。隨著開挖面由研究斷面后方向研究斷面前方推進，各位置的沉降值均增大，并且在開挖到研究斷面前方約30m時，各位置的沉降均出現(xiàn)了收斂。地表沉降最小，收斂時約為88mm；拱頂沉降最大，收斂時約為150mm。

圖4給出了在其他條件不變的情況下，只改變仰拱的封閉距離，仰拱封閉距離由15～50m變化時，隧道拱頂變位曲線。從圖4可以看出，當(dāng)仰拱封閉距離分別為15，20，25，30，40，50m時，隨著開挖面由研究斷面后方向研究斷面前方推進，隧道拱頂沉降值逐漸增大，趨勢基本相同。當(dāng)開挖到相同位置時，隨著仰拱封閉距離增加，拱頂沉降值逐漸增加，各仰拱封閉距離的最終拱頂沉降值分別為126，131，143，152，156，162mm。仰拱封閉距離為50m時的拱頂沉降值為15m時的1.3倍。開挖到一定位置時，不同仰拱封閉距離的拱頂沉降值開始出現(xiàn)不同程度的收斂趨勢，且收斂趨勢的大小與仰拱封閉距離有關(guān)系。當(dāng)仰拱封閉距離為15m時，開挖到掌子面前方約25m時拱頂沉降值開始出現(xiàn)收斂。當(dāng)仰拱封閉距離為20，25，30m時，開挖到掌子面前方約30m時拱頂沉降值開始出現(xiàn)收斂。當(dāng)仰拱封閉距離達到40，50m時，拱頂沉降值收斂不明顯，甚至不收斂。說明仰拱封閉距離越小，拱頂沉降收斂得越早，當(dāng)仰拱封閉距離過大（＞50m）拱頂沉降不再收斂。建議在實際工程中盡早進行仰拱封閉。

隧道拱頂沉降值對比見圖5。從圖5可以明顯地看出，隨著仰拱封閉距離增加，地層變位曲線總體呈上升趨勢。隧道仰拱封閉距離由25m增大到30m時，拱頂沉降曲線上升趨勢明顯比其他區(qū)間變化大，這說明仰拱封閉距離由25m增大到30m時，拱頂沉降增長速率明顯快于其他區(qū)間。

圖5　隧道拱頂沉降值對比

3.2拱圈收斂值分析

圖6給出了仰拱封閉距離為30m時，開挖面距研究斷面不同距離時的凈空收斂曲線。從圖6可以看出，仰拱封閉距離為30m時，不同位置處的拱圈收斂曲線變化規(guī)律略有差異，隨著開挖面由研究斷面后方向研究斷面前方推進，拱腳和拱腰的沉降值均增大，且拱腳收斂更加明顯。在開挖到研究斷面前方約25m時，拱腳收斂值開始穩(wěn)定。在開挖到研究斷面前方約20m時，拱腰收斂值開始穩(wěn)定。拱肩收斂值基本沒有變化。拱腳、拱腰、拱肩的最終收斂值分別為102，28，3mm。

圖6仰拱封閉距離為30m時凈空收斂曲線

圖7給出了在其他條件不變的情況下，只改變仰拱封閉距離，仰拱封閉距離由15～50m變化時，隧道拱腳收斂曲線。從圖7中可以看出，當(dāng)仰拱封閉距離分別為15，20，30，40m時，隨著開挖面由研究斷面后方向研究斷面前方推進，隧道拱腳凈空收斂值逐漸增大，趨勢基本相同。在開挖到相同位置時，隨著仰拱封閉距離增大，收斂值也增大。各仰拱封閉距離的最終拱腳收斂值分別為70，82，102，112mm，仰拱封閉距離為40m時的拱腳收斂值為15m時的1.7倍。開挖到一定位置時，不同仰拱封閉距離的拱腳收斂值開始出現(xiàn)不同程度的穩(wěn)定趨勢，且穩(wěn)定趨勢的大小與仰拱封閉距離有關(guān)系。當(dāng)仰拱封閉距離為15，20m時，開挖到掌子面前方約15m時拱腳收斂值開始穩(wěn)定。當(dāng)仰拱封閉距離為30m時，開挖到掌子面前方約25m時拱腳收斂值開始穩(wěn)定。當(dāng)仰拱封閉距離達到40m時，拱腳收斂值呈一直增長趨勢。說明仰拱封閉距離越小，拱腳收斂值穩(wěn)定得越早，當(dāng)仰拱封閉距離過大（＞30m）拱腳收斂值不再穩(wěn)定，基本呈持續(xù)增長狀態(tài)。建議在實際工程中盡早進行仰拱封閉。

圖8給出了在不同仰拱封閉距離情況下，預(yù)筑拱的變位。由圖8可知，當(dāng)仰拱封閉距離為50m時，隧道拱肩和拱腳處凈空收斂值明顯大于其他情況，拱腳部位最大收斂值為15m封閉情況的1.7倍，且拱腳處變形出現(xiàn)了不收斂趨勢，與沉降曲線變化規(guī)律基本吻合。

圖7　不同仰拱封閉距離拱腳收斂曲線

圖8　不同仰拱封閉距離預(yù)筑拱的變位（單位：mm）

3.3應(yīng)力對比分析

從不同施工階段預(yù)筑拱各部位最大主應(yīng)力可以看出，當(dāng)仰拱封閉距離分別為15，20，25，30，40m時，隧道開挖過程中，除拱腳部位外，預(yù)筑拱其他部位的最大主應(yīng)力均為負值，且數(shù)值比較小。即隧道開挖時，預(yù)筑拱拱腳受拉，且出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，其他部位受壓。隧道仰拱封閉后，預(yù)筑拱成環(huán)，應(yīng)力重分布，支護結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力發(fā)生了變化，拱腳最大主應(yīng)力為負值，拱肩最大主應(yīng)力變成正值，拱頂和拱腰最大主應(yīng)力方向沒有發(fā)生改變，即拱肩受拉，其他部位均受壓。仰拱封閉完成后，直到貫通整個隧道，預(yù)筑拱最大主應(yīng)力的變化不大。整個過程中，拱頂和拱腰的最大主應(yīng)力始終為負，即開挖過程中拱頂與拱腰一直處于受壓狀態(tài)。

仰拱封閉距離為40m時，在隧道貫通后拱肩最大主應(yīng)力達到1.67MPa。由于C30素混凝土極限抗拉強度為2.2MPa，考慮到預(yù)筑拱澆灌不均勻造成的強度損失，將其強度折減70%，折減后的極限抗拉強度為1.54MPa。拱腳最大主應(yīng)力和貫通后拱肩最大主應(yīng)力均已超出折減后的C30素混凝土的極限抗拉強度1.54MPa，因此應(yīng)在施工中采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?。在整個過程中，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂，大小為9.41MPa，小于C30素混凝土的極限抗壓強度，滿足要求。當(dāng)仰拱封閉距離為50m時，開挖到研究斷面，隧道各部位均為拉應(yīng)力，其值為7.6，1.83，1.65，1.57MPa，均大于C30素混凝土的極限抗拉強度1.54MPa，顯然不可取。

觀察仰拱全部封閉后預(yù)筑拱最不利部位的受力，可以畫出如圖9所示的拱肩最大主應(yīng)力隨仰拱封閉距離的變化曲線。由圖9可知，隨著仰拱封閉距離的增大，拱肩部位應(yīng)力逐漸增大。當(dāng)仰拱封閉距離超過25m時，拱肩處最大主應(yīng)力增大急劇，當(dāng)仰拱封閉距離達到30m時，最大主應(yīng)力已經(jīng)超過預(yù)筑拱抗拉強度。

圖9　拱肩最大主應(yīng)力隨仰拱封閉距離變化曲線

根據(jù)以上分析，在V級砂質(zhì)黃土地層中采用預(yù)切槽法，預(yù)筑拱應(yīng)采用C30素混凝土澆筑，埋深30m時，建議仰拱封閉距離為25～30m。

4　結(jié)論

1）隨著仰拱封閉距離的增大，拱頂沉降逐漸增大，仰拱封閉距離由25m增大到30m時，拱頂沉降增長速率明顯快于其他區(qū)間。

2）當(dāng)仰拱封閉距離為15，20，25，30，40m時，隨著仰拱封閉距離增大，隧道各監(jiān)測部位的凈空收斂值逐漸增大，但趨勢基本相同。當(dāng)仰拱封閉距離為50m時，隧道拱肩和拱腳凈空收斂值明顯大于其他仰拱封閉距離，拱腰凈空收斂值小于其他仰拱封閉距離，拱腳的收斂曲線開始不收斂。

3）當(dāng)仰拱封閉距離為15，20，25，30，40m時，預(yù)筑拱澆筑完成后，全斷面開挖時，拱頂和拱腳都產(chǎn)生了較大變形，且拱肩和拱腳出現(xiàn)了拉應(yīng)力，拉應(yīng)力值超出了C30素混凝土的極限抗拉強度，影響了預(yù)筑拱的安全性。當(dāng)仰拱封閉距離為50m時，預(yù)筑拱各部位均不滿足安全性要求。

4）在Ⅴ級砂質(zhì)黃土地層中采用預(yù)切槽法，預(yù)筑拱應(yīng)采用C30素混凝土澆筑，埋深30m時，建議仰拱封閉距離為25～30m。

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AbstractInvert closure couldeffectivelycontrol tunnel deformationof soft surroundingrock.T akingthe Hongliangying tunnel as engineering background，this paper studied the reasonable invert closure distance of loess tunnel construction by pre-cutting method.T he clearance convergence of pre-arch above the tunnel，variation law of structure stress and stratum deformation situation were studied in six kinds of working conditions with invert closure distances of 15，20，25，30，40，50 m respectively by establishing three-dimensional model with FLAC3D numerical simulation software.T he study showed that there is no convergence trend in the convergence displacement curve and stratum subsidence curve when invert closure distance is 50 m，from excavation face to research cross-section the tensile stress is produced by pre-built arch and more than the ultimate tensile strength of the plain concrete，which does not meet the safety requirements.If invert closure distance is 15，20，25，30，40 m the vault settlement value accounts for 72%，69.1%，66%，64%and 52%of the total settlement value respectively when excavation face passing through research cross-section，invert closure distance should be controlled within 30 m by comprehensive consideration of stratum deformation and supporting structure stress，and supporting structure should be closure as soon as possible if construction conditions permit.

Research on Reasonable Distance of Invert Closure in Loess Tunnel by Pre-cutting Method

JIN Baocheng1，WANG Xiuying2
（1.China Railway First Survey＆Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710043，China；2.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

Pre-built arch；Invert closure distance；Stratum deformation；Clearance convergence；Structure stress

U455.49

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.14

1003-1995（2016）04-0051-05

（責(zé)任審編趙其文）

2015-09-29；

2015-12-06

國家科技支撐計劃課題（2013BAF07B06）

靳寶成（1976—），男，教授級高級工程師。