大斷面黃土隧道淺埋暗挖法施工力學(xué)特性研究

隋金廷

摘要：針對(duì)大斷面隧道施工的技術(shù)復(fù)雜性問題，結(jié)合實(shí)際的城市軌道交通項(xiàng)目，研究淺埋暗挖法施工力學(xué)特性。在傳統(tǒng)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法基礎(chǔ)上優(yōu)化施工工藝，提出快速施工法。通過FLAC-3D軟件，分析鋼拱架間距、開挖步距和混凝土厚度對(duì)隧道施工穩(wěn)定性的影響。建議鋼拱架的間距取0.5m或1.0m，開挖步距取1m或2m，噴射混凝土厚度取400mm或者450mm。與傳統(tǒng)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相比，快速施工法的位移值較小，應(yīng)力值略大，但各處應(yīng)力值均小于材料本身的屈服強(qiáng)度，鋼拱架受力處于安全狀態(tài)，隧道施工過程穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：大斷面；黃土隧道；淺埋暗挖；力學(xué)特性

0? ?引言

地鐵隧道作為地鐵線路的重要組成部分，其施工質(zhì)量和安全性直接影響著軌道交通項(xiàng)目的建設(shè)效果[1]。近年來，隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大和交通壓力的不斷增加，大斷面的地鐵隧道施工項(xiàng)目逐漸增多，相應(yīng)的施工技術(shù)和力學(xué)特性更為復(fù)雜[2]。本文結(jié)合依托實(shí)際的城市軌道交通項(xiàng)目，研究大斷面黃土隧道的施工技術(shù)和力學(xué)特性，提出雙側(cè)壁導(dǎo)坑快速施工法，分析施工參數(shù)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，為類似工程項(xiàng)目提供有價(jià)值的參考。

1? ?工程概況

某城市軌道交通項(xiàng)目隧道工程總長(zhǎng)約為21km，項(xiàng)目總造價(jià)為87億元?？紤]到施工地的黃土地質(zhì)特點(diǎn)，隧道采用大斷面設(shè)計(jì)，隧道的斷面寬約25.6m，高度約為19.5m。項(xiàng)目采用淺埋暗挖法施工，為了滿足快速施工需要，項(xiàng)目部擬采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行開挖。施工區(qū)域地質(zhì)情況如表1所示。

2? ?淺埋暗挖施工法特點(diǎn)

2.1? ?施工高效

可實(shí)現(xiàn)同時(shí)開挖兩個(gè)隧道壁，兩個(gè)壁面同時(shí)施工，有利于縮短工期[3]。

2.2? ?地面影響小

淺埋暗挖法大部分的施工活動(dòng)都在地下進(jìn)行，對(duì)地面的干擾和破壞相對(duì)較小，降低了對(duì)城市功能的影響。

2.3? ?安全性高

該施工方法可以減少地面塌方和土體滑移的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高施工的安全性。

2.4? ?適應(yīng)性廣

淺埋暗挖施工法適用于各種地質(zhì)條件和地下環(huán)境，可用于軟土、黏土、砂土和巖石地層，具有較大的靈活性和適應(yīng)性。

3? ?快速施工工藝流程

工程項(xiàng)目隧道面積約為420m2，屬于大斷面隧道施工。若采用普通雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，可分9步開挖。在左右導(dǎo)坑開挖完成后，中間部位的上部土體作業(yè)面將處于凌空狀態(tài)，高度為12.8m。此時(shí)存在較大的施工安全隱患，且施工速度較慢[4]。為了排除施工安全隱患，加快施工進(jìn)度，在傳統(tǒng)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化施工工藝提出快速施工法?？焖偈┕すに嚾鐖D1所示，具體施工內(nèi)容如表2所示。

隧道挖掘過程中，應(yīng)盡量減少對(duì)周圍土體的擾動(dòng)。初期支護(hù)采用型鋼鋼架或格柵鋼架，掛上鋼筋網(wǎng)片后，立即噴射混凝土，以使斷面盡早形成閉合結(jié)構(gòu)，有效控制拱頂豎向位移和邊墻水平位移[5]，確保施工穩(wěn)定性和安全性。

4? ?施工參數(shù)影響和力學(xué)特性分析

雙側(cè)壁導(dǎo)坑快速施工法的有關(guān)參數(shù)對(duì)拱頂位移和支護(hù)體系應(yīng)力有重要影響。為了分析得出適合本工程的施工參數(shù)，利用FLAC-3D有限元分析軟件，對(duì)鋼拱架間距、開挖步距和噴射混凝土厚度三個(gè)方面進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析力學(xué)特性。

4.1? ?鋼拱架間距的影響

根據(jù)工程實(shí)際情況，設(shè)定鋼拱架曲率半徑為23m、導(dǎo)坑寬度為9m、噴射混凝土厚度為300mm，在此工況下分析不同鋼拱架間距對(duì)圍巖位移和鋼拱架應(yīng)力的影響。

4.1.1? ?不同鋼拱架間距條件下位移變化

不同鋼拱架間距條件下，隧道10m斷面處的拱頂豎向位移、邊墻水平位移的變化曲線如圖2所示。由圖2可知，鋼拱架間距為0.5～2.0m的4種工況下，拱頂垂直位移和邊墻水平位移的變化規(guī)律基本一致。隨著開挖進(jìn)度，位移逐漸增大，最終基本穩(wěn)定。0.5m的鋼拱架間距，拱頂豎向位移最小，穩(wěn)定在7.3mm，邊墻水平位移穩(wěn)定在4.2mm。僅從位移變化方面考慮，鋼拱架間距可取0.5m或1.0m。

4.1.2? ?鋼拱架應(yīng)力與間距關(guān)系

隧道10m斷面處，鋼拱架最大應(yīng)力與鋼拱架間距的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，鋼拱架間距為1.5m和2.0m時(shí)，最大應(yīng)力達(dá)到235.1MPa和247.6MPa，超過了鋼拱架材料本身的屈服強(qiáng)度，造成安全隱患。因此，建議鋼拱架的間距取0.5m或1.0m。

4.2? ?開挖步距的影響

施工過程中，采取較大的進(jìn)尺進(jìn)行開挖，可提高施工效率，縮短工期。但是開挖步距過大往往會(huì)帶來安全隱患。不同開挖步距條件下，隧道10m斷面處的拱頂豎向位移、邊墻水平位移的變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，拱頂位移和邊墻水平位移與開挖步距呈現(xiàn)正相關(guān)的規(guī)律。開挖步距為1.0m或2.0m時(shí)，最終的拱頂位移比其它步距明顯減小。這是因?yàn)殚_挖步距較小，對(duì)周圍土體的擾動(dòng)較小，拱頂變形量較小。而邊墻水平位移在較小的開挖步距參數(shù)下，最終的穩(wěn)定值也較小。因此，施工工程中建議以1m或2m作為開挖步距。

4.3? ?噴射混凝土厚度的影響

隧道挖掘施工階段，噴射混凝土形成支護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)維持隧道穩(wěn)定性至關(guān)重要。不同混凝土厚度條件下，隧道10m斷面處的拱頂豎向位移、邊墻水平位移的變化曲線如圖5所示。

由圖5可知，隨著噴射混凝土厚度的增加，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性增強(qiáng)，拱頂豎向位移、邊墻水平位移呈現(xiàn)出變小的趨勢(shì)?；炷梁穸葹?50mm時(shí)，拱頂豎向位移穩(wěn)定值為6.3mm，邊墻水平位移為3.9mm。但過厚的混凝土，會(huì)增加施工難度，減緩施工進(jìn)度。因此，實(shí)際施工中，建議噴射混凝土厚度可取為400mm或者450mm。

4.4? ?力學(xué)特性分析

快速施工法是在傳統(tǒng)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的基礎(chǔ)上調(diào)整開挖順序，提前開挖上部核心土，增加豎向支撐，本文通過力學(xué)特性對(duì)比分析，以驗(yàn)證快速施工法的合理性。

4.4.1? ?位移對(duì)比分析

2種施工方法下，10m斷面處的拱頂豎向位移、邊墻水平位移值如表3所示。通過表3的對(duì)比數(shù)據(jù)可知，拱頂豎向位移、邊墻水平位移，快速施工法的位移值均小于普通雙側(cè)導(dǎo)坑法。由此說明施工過程中，隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，變形較小，安全系數(shù)高。

4.4.2? ?鋼拱架應(yīng)力對(duì)比分析

2種施工方法下，10m斷面處的鋼拱架應(yīng)力如表4所示。由表4可以看出，與普通雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相比，快速施工法的各點(diǎn)處的應(yīng)力值略大。2種施工方法的最大應(yīng)力值均出現(xiàn)在豎向臨時(shí)支撐處，但均小于Q235屈服強(qiáng)度，鋼拱架受力處于安全狀態(tài)下，隧道施工過程穩(wěn)定可靠。

通過以上分析可知，雙側(cè)導(dǎo)坑快速施工法能有效地控制施工面的凌空高度，施工過程中隧道變形量較小，安全系數(shù)高，并能縮短施工周期，實(shí)現(xiàn)高效施工。

5? ?結(jié)束語

本文結(jié)合某城市軌道交通項(xiàng)目，對(duì)大斷面隧道施工的力學(xué)特性展開研究，得出如下結(jié)論：

在傳統(tǒng)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化施工工藝，提出快速施工法。該方法有利于減少施工過程中的安全隱患，實(shí)現(xiàn)高效、安全的大斷面地鐵隧道施工。

通過FLAC-3D軟件，分析鋼拱架間距、開挖步距和混凝土厚度對(duì)隧道施工穩(wěn)定性的影響，建議鋼拱架的間距取0.5m或1.0m，開挖步距取1m或2m，噴射混凝土厚度取400mm或者450mm。

對(duì)比分析傳統(tǒng)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和快速施工法可知，快速施工法的位移值較小，應(yīng)力值略大，但各處應(yīng)力值均小于材料本身的屈服強(qiáng)度，鋼拱架受力處于安全狀態(tài)下，隧道施工過程穩(wěn)定可靠，由此驗(yàn)證了快速施工法的合理性。

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