不同開挖方式對黃土淺埋隧道地表變形影響研究

丁 點(diǎn) 點(diǎn)

(宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

不同開挖方式對黃土淺埋隧道地表變形影響研究

丁 點(diǎn) 點(diǎn)

(宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

目的研究影響隧道開挖引起的圍巖變形與上覆地表沉降規(guī)律。方法以山西省某黃土特長隧道為工程背景，利用Midas-GTS軟件模擬淺埋黃土隧道開挖與支護(hù)過程，分別選擇環(huán)形留核心土法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法研究不同開挖方法對黃土隧道開挖過程中地表沉降和圍巖變形的影響。結(jié)果與環(huán)形留核心土方法比較，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時隧道左線軸線上方地表豎向位移降低57.3%，右線降低53.9%；隧道左線拱頂下沉降低36.1%，右線降低38.4%；隧道左線拱底豎向位移降低47.2%，右線降低40.9%；隧道左線拱腰處水平位移降低73.7%，右線降低66.3%。結(jié)論采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法更適合黃土淺埋隧道的施工，對類似黃土隧道的施工提供參考。

隧道；開挖方式；留核心土法；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

對于特長、大跨度隧道，特別是淺埋黃土隧道，黃土濕度大、強(qiáng)度低，隧道開挖過程會引起圍巖擾動，當(dāng)開挖至上覆土體較淺處時，要特別注意開挖方式與開挖進(jìn)尺，避免因開挖過快引起塌方等事故。國內(nèi)外學(xué)者對隧道開挖過程中地表沉降與變形規(guī)律進(jìn)行了研究，李雷[1]以鄭西客運(yùn)專線黃土隧道為工程背景，對大斷面黃土隧道采用弧形導(dǎo)洞法施工的變形特點(diǎn)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，弧形導(dǎo)洞法同時適用于不同埋深條件下的砂質(zhì)及粘土老黃土隧道和淺埋非飽和砂質(zhì)新黃土隧道。段慧玲[2]等人結(jié)合已成功修建的大跨度公路隧道為例，介紹了不同圍巖等級條件下雙向六車道大跨度的施工方法，并利用有限元軟件對不同開挖方法進(jìn)行模擬，并總結(jié)不同開挖方法下隧道圍巖應(yīng)力、位移變化規(guī)律。鄭毅[3]等以深圳市某過境高速公路為背景，通過對不同開挖方式下地表位移、洞周位移及襯砌最大主應(yīng)力進(jìn)行模擬分析，并給出采用單側(cè)壁導(dǎo)洞法和CD法開挖的合理最佳支護(hù)間距范圍。王清標(biāo)[4]等人利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分別研究臺階法、眼鏡法及CRD法3種開挖方式下交疊區(qū)圍巖及既有隧道襯砌的變形及應(yīng)力-應(yīng)變發(fā)展規(guī)律、交疊區(qū)圍巖塑性破壞規(guī)律。A.S.OSMAN[5]、金鑫[6]、王劍晨[7]、李文江[8]、臺啟民[9]、張承林[10]等人對隧道地表變形與圍巖應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行了研究。

本文以山西省某淺埋黃土隧道為工程背景，基于Midas-GTS模擬軟件，對比留核心土和雙側(cè)壁導(dǎo)坑兩種開挖方法下隧道圍巖變形與地表沉降特征。

1 工程背景

鴛鴦會隧道位于朔州市山陰鴛鴦會村和凍牛坡村之間，設(shè)計(jì)為分離式隧道，右線進(jìn)口里程為RK178+044，出口里程為RK+831，全長4 787 m；左線進(jìn)口里程為LK178+102，出口里程LK182+830，全長4 728 m。左右兩線共設(shè)斜井一處。隧道底板最大埋深左線316 m、右線317 m，屬特長隧道。

2 數(shù)值模擬

為了研究隧道的開挖方法對隧道地表沉降的影響，本文選取兩種隧道開挖方法：環(huán)形留核心土法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行對比分析。其中雙側(cè)壁導(dǎo)坑法中需要設(shè)置臨時壁墻支撐，待灌注仰拱混凝土之后再拆除臨時壁墻。初次襯砌支護(hù)材料參數(shù)見表1，隧道三維有限元模型和雙側(cè)壁臨時壁墻見圖1所示。

表1 隧道初襯支護(hù)材料參數(shù)

(a) 隧道三維有限元模型 (b) 模擬臨時壁墻支撐

圖1 Midas-GTS隧道模型圖

分別模擬環(huán)形留核心土法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工對隧道4個監(jiān)測點(diǎn)處位移的影響。4個位移控制點(diǎn)的位置為：點(diǎn)①為開挖斷面正上方地表處；點(diǎn)②為隧道拱頂處；點(diǎn)③為隧道開挖斷面拱底；點(diǎn)④為隧道的拱腰處。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和環(huán)形留核心土法施工過程中，隧道圍巖變形情況如圖2和圖3所示。

圖2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖隧道圍巖位移場變化圖

圖3 環(huán)形留核心土法開挖隧道位移場變化圖

不同的開挖方法對應(yīng)的兩種工況下各控制點(diǎn)處位移見表2、表3。

表2 不同開挖方法對隧道左線監(jiān)測點(diǎn)位移影響(單位：mm)

表3 不同開挖方法對隧道右線監(jiān)測點(diǎn)位移影響(單位：mm)

對比兩種施工方法對監(jiān)測點(diǎn)位移的影響，可以看出，以環(huán)形留核心土法各控制點(diǎn)位移量為基準(zhǔn)，隧道左線軸線上方地表豎向位移雙側(cè)壁導(dǎo)坑法比環(huán)形留核心土法降低57.3%，右線降低53.9%；隧道左線拱頂下沉雙側(cè)壁導(dǎo)坑法比留核心土法降低36.1%，右線降低38.4%；隧道左線拱底豎向位移雙側(cè)壁導(dǎo)坑法比留核心土法降低47.2%，右線降低40.9%；隧道左線拱腰處水平位移雙側(cè)壁導(dǎo)坑法比留核心土法降低73.7%，右線降低66.3%。從上述數(shù)據(jù)看出，當(dāng)隧道上覆巖土體的厚度、開挖進(jìn)尺、開挖孔徑、圍巖性質(zhì)等因素一定的情形下，不同的開挖方法對地表沉降的影響是顯著的，因而選擇合理的開挖方法有利于隧道的安全施工。

3 結(jié) 論

隧道開挖過程中，不同的開挖方式對圍巖變形產(chǎn)生顯著的影響。

(1)以環(huán)形留核心土法各控制點(diǎn)位移量為基準(zhǔn)，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的隧道左線軸線上方地表豎向位移、拱頂下沉量、拱底豎向位移和拱腰周邊收斂值均明顯降低。

(2)對于黃土淺埋隧道，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法可以減少圍巖擾動和變形帶來的不利影響。因而要合理選擇隧道的開挖方式。

[1] 李雷.大斷面黃土隧道弧形導(dǎo)洞法施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009,46(02)：50-56.

[2] 段慧玲，張林.大跨度公路隧道合理開挖方法對比研究[J].土木工程學(xué)報，2009,42(09)：114-119.

[3] 鄭毅，張子新.淺埋暗挖隧道開挖方式對地層擾動優(yōu)化分析[J].地下空間與工程學(xué)報，2014,10(06)：1372-1379.

[4] 王清標(biāo)，蔣金泉，路林海，等.不同開挖方式對近距離交疊隧道影響模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013,32(10)：2079-2087.

[5] OSMAN A S，BOLTON M D，MAIR R J.Predicting 2D ground movements around tunnels in undrained clay[J].Geotechnique，2006,56(09)：597-604.

[6] 金鑫，朱文岳.復(fù)雜條件下大斷面隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工穩(wěn)定性分析[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011,13(02)：104-107.

[7] 王劍晨，張頂立，張成平，等.北京地區(qū)淺埋暗挖法下穿施工既有隧道變形特點(diǎn)及預(yù)測[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014,33(05)：947-956.

[8] 李文江，孫明磊，朱永全，等.軟弱圍巖隧道臺階法施工中拱腳穩(wěn)定性及其控制技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012,31(S1)：2729-2737.

[9] 臺啟民，張頂立，房倩，等.暗挖重疊地鐵隧道地表變形特性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014,33(12)：2472-2480.

[10] 張承林.雙線隧道施工對地表沉降的影響數(shù)值模擬分析[J].公路交通科技，2016(10)：168-171.

[責(zé)任編輯：毛微曦英文編輯：劉彥哲]

InfluencesofDifferentExcavationMethodsonSurfaceDeformationofShallowBuriedTunnel

DINGDian-dian

(School of Resources and Civil Engineering,Suzhou University,Suzhou,Anhui 234000,China)

ObjectiveTo study the influence of tunnel excavation on the deformation of surrounding rock and the overlying surface settlement.MethodsTaking a shallow buried tunnel in Shanxi Province as the engineering background,simulating the excavation and supporting process of the tunnel by using the software of Midas-GTS,the research selected double-side heading method and annular pit with core rock support method to study the impact on surface subsidence and deformation of surrounding rock during excavation of loess tunnel.ResultsCompared with the annular pit with core rock support method,the method of double-side heading led to reduction of vertical surface displacement by 57.3%,and in the right line by 53.9%;left tunnel vault was reduced by 36.1%,and the right line by 38.4%;arch bottom vertical displacement of the left tunnel decreased by 47.2%,and in the right line by 40.9%;arch waist horizontal displacement of the left tunnel was reduced by 73.7%,and the right line by 66.3%.ConclusionDouble-side heading method is more suitable for the construction of shallow buried loess tunnel,providing reference for similar tunnel project.

tunnel;excavation method;annular pit with core rock support method;double-side heading method

來稿日期：2017-01-13

宿州區(qū)域發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心青年人才培養(yǎng)開放課題:“巷道支護(hù)中噴錨回彈量優(yōu)化研究”(2014SZXTQP08)；宿州學(xué)院校級教研項(xiàng)目:“基于工程教育背景的巖土工程課程群建設(shè)與改革”(szxyjyxm201421)

丁點(diǎn)點(diǎn)(1989-)，男，安徽淮北人，碩士，助教，主要研究方向：邊坡工程穩(wěn)定性分析。

U 456

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2017.11.009