大拱腳三臺階法開挖淺埋軟弱紅黏土隧道的力學(xué)特性及適用性研究

劉聰，彭立敏，雷明鋒，施成華

大拱腳三臺階法開挖淺埋軟弱紅黏土隧道的力學(xué)特性及適用性研究

劉聰，彭立敏，雷明鋒，施成華

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

依托渝黔鐵路青岡山隧道工程，針對軟弱紅黏土自穩(wěn)能力差、承載能力低的特點，原設(shè)計采用CRD法進(jìn)行開挖，以減小圍巖變形。為進(jìn)一步提高作業(yè)效率，在三臺階法的基礎(chǔ)上采取增設(shè)管棚、大拱腳等改進(jìn)措施，并通過數(shù)值模擬分析2種不同工法下軟弱紅黏土隧道開挖后的力學(xué)特性。研究結(jié)果表明：采用改進(jìn)的大拱腳三臺階法開挖，隧道拱頂沉降比CRD法增大165.90%，與此同時，初期支護(hù)第1和第3主應(yīng)力也分別增大17.99%和24.59%，但是隧道拱頂沉降以及初期支護(hù)應(yīng)力均滿足相關(guān)要求，施工現(xiàn)場沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬所得結(jié)果較為吻合，驗證了軟弱紅黏土隧道采用大拱腳三臺階法開挖的合理性，同時建議隧道開挖避開雨期施工，以降低圍巖失穩(wěn)風(fēng)險。

紅黏土；大拱腳三臺階法；CRD法；沉降

在隧道開挖工法的比選過程中，常常需要綜合考慮安全性與經(jīng)濟(jì)性2方面的因素，而工法的安全性與經(jīng)濟(jì)性通常是一種“此消彼長”的關(guān)系，當(dāng)采用全斷面法、臺階法[1]掘進(jìn)時，隧道作業(yè)面開闊，工序簡單，因此進(jìn)尺迅速，經(jīng)濟(jì)性好，但是其對圍巖變形控制較弱，適用于圍巖條件好，松動變形小的隧道；而交叉中隔墻法(CRD)對圍巖變形控制較好[2?3]，安全性高，被廣泛用于軟弱圍巖大跨隧道 中[4?5]，但是由于工法工序繁雜，作業(yè)面小，隧道進(jìn)尺較為緩慢。紅黏土是一種特殊性土，在貴州地區(qū)的分布極廣[6]，與其他黏土相比，紅黏土具有弱膨脹性、大孔隙、高含水率、高塑性和低壓縮性等特點，且易失水干裂、遇水強(qiáng)度驟降[7?8]，給工程帶來極大的風(fēng)險，如云南某淺埋紅黏土隧道，進(jìn)洞15.6 m即發(fā)生了拱架失穩(wěn)、洞內(nèi)塌方事故[9]。軟弱圍巖中，拱腳穩(wěn)定性是控制軟巖大變形的關(guān)鍵[10]，為尋求淺埋軟弱紅黏土隧道的合理開挖工法，進(jìn)一步提升隧道的作業(yè)空間及作業(yè)效率，本文采用數(shù)值模擬研究大拱腳三臺階法[11]開挖隧道的力學(xué)特性，并與原設(shè)計CRD法開挖進(jìn)行對比以探討該工法的可行性。

1 工程背景

1.1 工程背景

渝黔新線北起重慶西站，南至貴陽北站，全長344.39 km，青岡山隧道全長2 331 m，出口淺埋段范圍其上覆土層為紅黏土，厚10~25 m，吸水易膨脹開裂，承載力降低，失水收縮變形，壓縮性高，圍巖級別為Ⅴ級，原設(shè)計開挖工法為交叉中隔壁法(CRD法)。CRD法開挖隧道支護(hù)體系如圖1(a)所示。

在紅黏土地層中，采用臺階法施工的隧道有成功的案例[12]，也有失敗的案例[9]，究其原因主要是由于紅黏土承載力過低導(dǎo)致拱架底部失穩(wěn)，因此針對拱腳地基承載不足這一問題，在三臺階法的基礎(chǔ)上增設(shè)大拱腳以及管棚，減小上覆圍巖壓力，大拱腳三臺階法開挖隧道支護(hù)體系如圖1(b)，大拱腳如圖1(c)所示，其他設(shè)計施工參數(shù)同原設(shè)計。

(a) CRD法；(b) 大拱腳三臺階法；(c) 大拱腳

1.2 數(shù)值仿真模型

根據(jù)青岡山隧道設(shè)計資料建立隧道?圍巖三維數(shù)值計算模型，隧道覆土20 m，圍巖橫向取100 m，豎向取100 m，縱向30 m，隧道整體模型尺寸如圖2所示。

圖2 有限元模型

原設(shè)計按CRD法開挖，開挖步長為1.2~1.8 m，開挖至掌子面距洞口16 m處，CRD法開挖順序及支護(hù)體系如圖3所示。

(a) 開挖順序；(b) 支護(hù)體系

三臺階法對圍巖擾動大，引起圍巖沉降變形高，其安全性低于CRD法，但其具有作業(yè)空間大，大型機(jī)械施工方便，施工進(jìn)度快等優(yōu)點，大拱腳三臺階法開挖順序及支護(hù)體系如圖4所示。

(a) 開挖順序；(b) 支護(hù)體系

隧道初期支護(hù)的接觸關(guān)系如圖5所示，超前小導(dǎo)管、超前管棚鎖腳錨管、錨管與初期支護(hù)之間采用綁定約束，超前小導(dǎo)管、管棚、鎖腳錨管、錨桿等與圍巖之間采用內(nèi)部植入，與圍巖共同變形，初期支護(hù)與圍巖之間為有限滑移接觸[13]，在外力作用下可產(chǎn)生相對移動，兩者之間的切向作用服從庫倫摩擦，當(dāng)?shù)刃Ъ羟辛Ψ氖?1)，兩接觸面不會產(chǎn)生相對滑移。

式中：eq為等效切應(yīng)力；1和2為接觸面上兩垂直方向的切應(yīng)力；crit臨界切應(yīng)力；摩擦因數(shù)；為法向接觸壓強(qiáng)。

法向接觸力采用指數(shù)形式的罰函數(shù)關(guān)系進(jìn)行定義，如式(2)。

式中：p為接觸法向力；h為嵌入量；kin為接觸面嵌入剛度。

1.3 模型參數(shù)

含水量提高能夠顯著降低軟巖和軟土的抗剪強(qiáng)度及其強(qiáng)度參數(shù)粘聚力和摩擦角，從青岡山隧道DK211+580處掌子面實地取回紅粘土土樣，針對4種正應(yīng)力和5種含水量的重塑試樣進(jìn)行了固結(jié)快剪試驗，得到紅黏土的粘聚力和摩擦角隨含水率的變化曲線如圖6。

(a) 黏聚力c；(b) 摩擦角φ

原狀土含水率為9.54%，對應(yīng)紅黏土的力學(xué)參數(shù)如表1，同時參照規(guī)范[14]選取隧道支護(hù)材料的物理力學(xué)參數(shù)表1所示。

表1 模型的力學(xué)參數(shù)

1.4 特征點布置

為獲取判斷隧道拱頂圍巖的沉降及隧道結(jié)構(gòu)受力情況，針對2種開挖工法的特點，設(shè)置如圖7所示的特征線及特征點。

(a) 圍巖地表沉降特征線/m；(b) 隧道結(jié)構(gòu)受力特征點

2 CRD法結(jié)果分析

2.1 圍巖位移

2.1.1 地表沉降

采用CRD法開挖16 m至隧道中部目標(biāo)斷面處(模型長30 m)，此時圍巖的沉降分布如圖8所示。

由圖8可知：

1) 從隧道拱頂往上至地表，土體沉降值依次減小，從仰拱底部往下，土體的隆起值依次減小。

2) 地表沉降呈非對稱分布，在拱頂偏導(dǎo)坑③一側(cè)最大。

3) 沿隧道軸線方向，距隧道洞口越遠(yuǎn)，隧道的開挖斷面越小，地表沉降也越小。

(a) 沉降正面云圖；(b) 沉降分布軸測圖

由地表沉降分布圖8可得沉降特征線上的沉降規(guī)律，如圖9所示。由圖9可知：

1) 在垂直隧道軸線方向，地表沉降為非對稱分布，最大值為3.51 mm，位于隧道中線偏導(dǎo)坑③一側(cè)，由該處往兩側(cè)邊界地表沉降逐漸衰減，在距中線25 m處，CRD法開挖引起的地表沉降接近于0。

2) 在隧道軸線方向，在掌子面前方未開挖區(qū)域也會產(chǎn)生一定地表沉降，且沿掌子面前進(jìn)地表沉降逐漸減小，在掌子面后方隨著開挖斷面的擴(kuò)大，地表沉降增大并趨于穩(wěn)定。

2.1.2 隧道周邊圍巖位移

隧道結(jié)構(gòu)與圍巖共同受力，共同變形達(dá)到最終穩(wěn)定，因此隧道外輪廓上圍巖沉降及水平位移即隧道結(jié)構(gòu)的沉降及水平位移，其包絡(luò)線如圖10，由此可知：

1) 隧道輪廓線上圍巖最大沉降為13.40 mm，位于隧道拱頂偏導(dǎo)坑③一側(cè)，底部圍巖產(chǎn)生卸荷回彈，最大回彈42.53 mm，位于仰拱底部中心偏導(dǎo)坑②一側(cè)，最大水平位移為10.59 mm，位于中隔壁 下部。

(a) 垂直隧道軸線方向地表沉降；(b) 隧道軸線方向地表沉降

(a) 豎向位移；(b) 水平位移

注：豎向位移以上為正，下為負(fù)；水平位移以左向為正，右向為負(fù)。

2.2 初期支護(hù)應(yīng)力

隧道每步開挖后，立即施加支護(hù)體系，使初期支護(hù)與圍巖共同變形直至圍巖穩(wěn)定，當(dāng)掘進(jìn)至掌子面距隧道入口16m(封閉成環(huán)4.2 m)處時，中隔壁臨時支撐中主應(yīng)力高于初期支護(hù)，初期支護(hù)及臨時支撐主應(yīng)力分布如圖11，主應(yīng)力包絡(luò)線如圖12，由圖12可知：

1) 主應(yīng)力最大值產(chǎn)生于導(dǎo)坑③臨時仰拱中，其值為5.79 MPa，主應(yīng)力最小值產(chǎn)生于下部中隔壁，其值為?7.45 MPa。

2) CRD法開挖后，隧道初期支護(hù)產(chǎn)生的主應(yīng)力最大值為2.39 MPa，位于導(dǎo)坑②底部中心靠右一側(cè)；主應(yīng)力最小值為?5.45 MPa，位于導(dǎo)坑②邊墻底部。

(a)σ1；(b) σ3

(a) σ1；(b) σ3

2.3 輔助支護(hù)

輔助支護(hù)措施包括超前小導(dǎo)管、鎖腳錨管、系統(tǒng)錨桿等，均為Q235低碳鋼，其Mises應(yīng)力分布如圖13所示。

1) 超前小導(dǎo)管Mises應(yīng)力最大值為65.58 MPa，位于其中部。

2) 鎖腳錨管Mises應(yīng)力最大值為68.63 MPa，在靠近初期支護(hù)或臨時支撐處達(dá)到最大。

3) 系統(tǒng)錨桿拉應(yīng)力在隧道拱頂及兩側(cè)拱肩范圍內(nèi)較大，最大拉應(yīng)力為39.64 MPa。

(a) 超前小導(dǎo)管；(b) 鎖腳錨管；(c) 錨桿

3 大拱腳三臺階法結(jié)果分析

3.1 圍巖位移

3.1.1 地表沉降

采用大拱腳三臺階法開挖16 m至隧道中部目標(biāo)斷面處(模型長30 m)，此時圍巖的沉降分布如圖14所示。大拱腳三臺階法開挖地表位移關(guān)于隧道中線對稱。距洞口越遠(yuǎn)，距隧道中線越大，沉降越小。隧道軸線方向及垂直隧道軸線方向上地表沉降規(guī)律，如圖15所示。由圖15可知：

圖14 大拱腳三臺階法開挖位移云圖

(a) 垂直隧道軸線方向；(b) 隧道軸線方向

1) 在垂直隧道軸線方向，地表沉降為對稱分布，隧道中線處地表沉降最大值為21.76 mm，由中線往兩側(cè)地表沉降逐漸減小，在距中線25 m處，地表沉降接近于0。

2) 掌子面處最大地表沉降值為19.22 mm，在隧道軸線方向，在掌子面前方未開挖區(qū)域也會產(chǎn)生一定地表沉降，且沿掌子面前進(jìn)地表沉降逐漸減小，在掌子面后方地表沉降隨開挖斷面擴(kuò)大而增大并趨于穩(wěn)定，說明分部開挖有助于控制隧道的 沉降。

3.1.2 隧道周邊圍巖位移

大拱腳三臺階法開挖后隧道結(jié)構(gòu)的沉降及水平位移關(guān)于中線對稱，隧道輪廓線上圍巖沉降及水平位移包絡(luò)線如圖16所示，①隧道輪廓線上圍巖最大沉降為31.03 mm，位于隧道拱頂，底部圍巖產(chǎn)生卸荷回彈，最大回彈55.96 mm，位于仰拱底部中心，最大水平位移為11.62 mm，位于邊墻處。

3.2 初期支護(hù)應(yīng)力

大拱腳三臺階法開挖16 m后，初期支護(hù)主應(yīng)力分布如圖17，主應(yīng)力包絡(luò)線如圖18，由圖17和圖18可知：

初期支護(hù)主應(yīng)力最大值為2.82 MPa，位于仰拱靠近邊墻部位處，主應(yīng)力最小值為?6.79 MPa，位于邊墻與仰拱連接處。

圖16 大拱腳三臺階法隧道輪廓線上位移

注：沉降以向上為正，下為負(fù)；水平位移以左向為正，右向為負(fù)。

(a) σ1；(b) σ3

圖18 大拱腳三臺階法開挖隧道主應(yīng)力包絡(luò)圖

3.3 輔助支護(hù)

管棚、超前小導(dǎo)管、鎖腳錨管、錨桿、大拱腳等輔助支護(hù)措施應(yīng)力分布如圖19，由圖19可知：

1) 沿隧道軸線方向超前管棚Mises應(yīng)力最大值為99.69 MPa，均位于管棚中部；在橫向上管棚的Mises應(yīng)力最大值位于兩側(cè)拱肩處。

2) 隧道軸線方向超前小導(dǎo)管Mises應(yīng)力最大值位于其中部，最大值為80.71 MPa；在在橫向上最大值位于隧道中線拱頂處。

3) 鎖腳錨管Mises應(yīng)力最大值為120.5 MPa，在靠近初期支護(hù)或臨時支撐處一端達(dá)到最大。

4) 系統(tǒng)錨桿拉應(yīng)力在隧道拱頂及兩側(cè)拱肩范圍內(nèi)較大，最大拉應(yīng)力為47.82 MPa，同時系統(tǒng)錨桿在靠近隧道中心一側(cè)較大，深入圍巖一端較小。

5) 大拱腳應(yīng)力最大值位于隧道洞口處，其底板最大應(yīng)力為8.31 MPa。

(a)管棚；(b) 超前小導(dǎo)管；(c) 鎖腳錨管；(d) 系統(tǒng)錨桿；(e) 大拱腳

3.4 開挖工法結(jié)果對比

對比2種開挖工法下圍巖及隧道支護(hù)體系的穩(wěn)定性與力學(xué)特性，如表2，從表2分析可知：

1) 大拱腳三臺階法開挖后隧道的地表沉降、隧道結(jié)構(gòu)沉降及水平位移最大值分別比CRD法大519.94%，165.90%和64.12%。

2) 大拱腳三臺階初期支護(hù)1和|3|最大值分別比CRD法大17.99%和24.59%。

3) 大拱腳三臺階法開挖，其鎖腳錨管和超前小導(dǎo)管的Mises應(yīng)力分別比CRD法大17.69%和75.58%，錨桿拉應(yīng)力比CRD法大20.64%，但輔助支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力在材料允許強(qiáng)度范圍以內(nèi)。

青岡山隧道為V級圍巖，斷面最大寬度為13.6 m，最大高度為11.82 m，據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》[15]及《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[16]，拱頂?shù)淖畲笙鄬ο鲁林禐?.2%~0.8%，即青岡山隧道拱頂最大下沉允許值為27.2~108.8 mm。因此，從施工安全性考慮， CRD法優(yōu)于大拱腳三臺階法，大拱腳三臺階法開挖各項變形指標(biāo)均滿足規(guī)范 要求。

表2 2種工法結(jié)果對比

注：此處為初期支護(hù)輪廓線處位移，CRD最大水平位移位于導(dǎo)坑②與導(dǎo)坑④交界面處。

CRD法及大拱腳三臺階法初期支護(hù)應(yīng)力均在仰拱處最大，且最大值略超C25噴射混凝土的抗拉強(qiáng)度，除此之外，初期支護(hù)拱頂及邊墻等隧道上部結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力均在材料的允許強(qiáng)度范圍內(nèi)，拱頂、邊墻等部位不會產(chǎn)生失穩(wěn)風(fēng)險，因此，采用設(shè)計CRD法及增設(shè)管棚的大拱腳三臺階法進(jìn)行開挖，青岡山隧道淺埋軟弱紅黏土段的位移及應(yīng)力指標(biāo)均能滿足要求。

4 大拱腳三臺階法沉降實測結(jié)果分析

設(shè)計變更后，隧道最終采用大拱腳三臺階法施工，根據(jù)現(xiàn)場施工監(jiān)測得到青岡山隧道紅黏土區(qū)段拱頂最終沉降及水平收斂值如圖20所示。

(a) 拱頂沉降；(b) 水平收斂

由現(xiàn)場位移實測可知：

1)隧道拱頂沉降實測值在18.23~31.20 mm之間，數(shù)值計算所得拱頂最大沉降為31.03 mm，實測最大沉降大于數(shù)值計算結(jié)果，隧道DK211+095段沉降值達(dá)56.72 mm，這是由于該區(qū)段雨季施工，紅黏土自穩(wěn)能力下降所致。

2) 隧道水平收斂實測值在28.42~51.22 mm之間，隧道DK211+095段實測水平收斂達(dá)67.34 mm，數(shù)值計算所得水平收斂最大值為23.24 mm，實測最大收斂大于數(shù)值計算結(jié)果。

5 結(jié)論

1)CRD法地表沉降、隧道結(jié)構(gòu)沉降均遠(yuǎn)小于大拱腳三臺階法，大拱腳三臺階法最大拱頂沉降為31.03 mm，比CRD法大165.90%，但其沉降及水平收斂均滿足規(guī)范要求。

2) 大拱腳三臺階法開挖，隧道初期支護(hù)的1最大值為2.82 MPa，|3|的最大值為6.79 MPa，分別比CRD法增大17.99%和24.59%。

3) 大拱腳三臺階法開挖，超前小導(dǎo)管、鎖腳錨管Mises應(yīng)力最大值分別為80.71 MPa和75.58 MPa，比CRD法增大17.69%和75.58%，錨桿最大應(yīng)力為47.82 MPa，比CRD法增大20.64%。

4) 采用設(shè)計CRD法及增設(shè)管棚的大拱腳三臺階法進(jìn)行開挖，青岡山隧道淺埋軟弱紅黏土段的位移及應(yīng)力指標(biāo)均能滿足要求，考慮工期、作業(yè)效率，推薦采用后者，但應(yīng)采取有效防水措施并盡量避開雨期施工，降低隧道開挖失穩(wěn)風(fēng)險。

[1] 黃龍湘, 楊元洪, 賀威, 等. 淺埋大跨度隧道施工方法的比選與應(yīng)用[J]. 公路工程, 2011, 36(5): 25?32. HUANG Longxiang, YANG Yuanhong, HE Wei, et al. Comparative analysis and application of the construction method in shallow large span tunnel[J]. Highway Engineering, 2011, 36(5): 25?32.

[2] ZHANG Dingbang. The influence of excavation in red clay by six sections with CRD method on the vaults subsidence and structural internal force[C]// Proceedings of the International Conference on Pipelines and Trenchless Technology, Beijing, China, 2011, 1834? 1844.

[3] 李力. 三臺階法與CRD法對隧道圍巖穩(wěn)定性影響的研究[J]. 公路工程, 2012, 37(6): 138?142. LI Li. Research on the influence for stability of surrounding rock between three-step method and CRD method[J]. Highway Engineering, 2012, 37(6): 138?142.

[4] 喬建崗, 關(guān)法志, 高超, 等. 武廣高鐵獅子石隧道CRD法施工技術(shù)研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報, 2010, 7(2): 98?101. QIAO Jiangang, GUAN Fazhi, GAO Chao, et al. Study of CRD method used in construction of Shizishi tunnel[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2010, 7(2): 98?101.

[5] 黃明琦, 付賢倫, 李云超. 大斷面海底隧道軟弱地層CRD法施工穩(wěn)定性控制研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2007, 26(增2): 3804?3809. HUANG Mingqi, FU Xianlun, LI Yunchao. Study of stability control of large-section Subsea tunnels in Weakstrata by CRD construction method[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(Suppl 2): 3804?3809.

[6] 張彥召, 左雙英, 季永新. 紅黏土在原狀及重塑狀態(tài)下的力學(xué)性質(zhì)試驗研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報, 2017, 13(6): 1477?1482. ZHANG Yanzhao, ZUO Shuangying, JI Yongxin. Experimental study on undisturbed and reconstituted mechanical properties of red clay[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2017, 13(6): 1477? 1482.

[7] 劉曉紅. 高速鐵路無砟軌道紅黏土路基動力穩(wěn)定性研究[D]. 長沙: 中南大學(xué), 2011. LIU Xiaohong. Research on dynamic stability of red clay subgrade under ballastless track of high-speed railway[D]. Changsha: Central South University, 2011.

[8] LIU Xin, HUA Junhui, SHAN Hao, et al. Meso- experimental research on the initiation process of shear band in red clay[J]. Journal of Computational and Theoretical Nanoscience, 2016, 13(4): 2320?2327

[9] 肖紅菊. 淺埋紅黏土隧道塌方分析及處理[J]. 山西建筑, 2017, 43(11): 178?180.XIAO Hongju. Analysis and treatment of shallow tunnel collapse in red clay[J]. Shanxi Architecture, 2017, 43(11): 178?180.

[10] 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(增1): 2729?2737. LI Wenjiang, SUN Minglei, ZHU Yongquan, et al. Arch springing stability and its control techniques during construction of tunnels with weak surrounding rocks by bench cut method[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(Suppl 1): 2729?2737.

[11] 夏潤禾, 許前順. 軟弱圍巖地質(zhì)大斷面鐵路隧道大拱腳臺階法施工工法[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計, 2010(增1): 108? 114. XIA Runhe, XU Qianshun. Benching tunneling method with large arch feet in large section railway tunnel in weak surrounding rock geology[J]. Railway Standard Design, 2010(Suppl 1): 108?114.

[12] 趙侃, 李壽福. 新九燕山隧道紅黏土段圍巖變形規(guī)律分析及控制技術(shù)[J]. 鐵道建筑技術(shù), 2010(3): 61?65.ZHAO Kan, LI Shoufu. Rules analysis and controlling techniques for wall rock deformation in red clay section of new jiuyan mount tunnel[J]. Railway Construction Technology, 2010(3): 61?65.

[13] 艾輝軍. 基于三維非連續(xù)接觸模型的管片與接頭結(jié)構(gòu)力學(xué)特性研究[D]. 長沙: 中南大學(xué), 2014.AI Huijun. Research on mechanical characteristics of segments and joints based on three-dimensional discontinuous contact model[D]. Changsha: Central South University, 2014.

[14] TB 10003—2016, 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[S]. TB 10003—2016, Code for design of railway tunnel[S].

[15] TB 10121—2007, 鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程[S]. TB 10121—2007, Technical code for monitoring measurement of railway tunnel[S].

[16] GB 50086—2001, 巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范[S].GB 50086—2001, Technical code for engineering of ground anchorages and shotcrete support[S].

Applicability & mechanical characteristics of shallow buried soft red clay tunnel under 3-step benching tunneling method with large arch feet

LIU Cong, PENG Limin, LEI Mingfeng, SHI Chenghua

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Based on the Qinggangshan tunnel project of Chongqing-Guizhou railway, according to the undesired stability and low bearing capacity of soft red clay, the CRD method was adopted in the original design. Then the modified three steps benching tunneling method by adding pipe shed and large arch feet was suggested to improve the efficiency of excavation, and the mechanical characteristics of the soft red clay tunnel under two different methods were analyzed by numerical simulation. The results reveal: when the three-step benching tunneling method with large arch feet is adopted, the settlement of the tunnel vault increases 165.90%, and the maximum and minimum principal stresses of the initial support are 17.99% and 24.59% greater than the CRD method, respectively; however, the settlement & stresses of the tunnel excavated by three-step benching tunneling method still satisfies the safety requirement. The field measurement of tunnel’s displacements is in good agreement with the numerical simulation results, which verifies the rationality of three-step benching tunneling method; further, excavation should be avoided in the rainy period so as to reduce the risk of surrounding rock instability.

red clay; three steps benching tunneling method with large arch feet; CRD method; settlement

U25

A

1672 ? 7029(2019)08? 2006 ? 12

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.08.018

2018?10?08

國家自然科學(xué)基金資助項目(51508575，U1734208)

雷明鋒(1982?)，男，湖南祁東人，副教授，博士，從事隧道與地下工程方面的教學(xué)與科研工作；E?mail：124520238@qq.com

(編輯 蔣學(xué)東)