无导洞法双连拱隧道施工方案优化研究_尹镖.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022无导洞法双连拱隧道施工方案优化研究 尹镖,许白杨,庞雷(四川省交通建设集团股份有限公司,成都 610047)摘要:目前,传统的连拱隧道施工方法存在施工工序多、临时支护量大、对围岩扰动频繁等问题。为了避免上述问题,以宜金高速黄角坪隧道工程为依托,提出了两种无中导洞法施工方案,通过数值模拟建立地层结构模型,详细分析了不同方案施工过程中围岩的变形特性以及结构的受力特征。研究表明:后行洞开始掘进时,围岩位移和塑性区会明显增大,最终拱顶处形成一个“人字形”塌落拱;初期支护和二次衬砌上的最大压应力都是位于先行洞中墙墙脚位置;二次衬砌的最大拉应力主要位于拱顶内侧或仰拱内侧,而初期支护的最大拉应力很小影响不大;总体来看,方案一施工效率较高,方案二相对保守安全。研究成果可为今后无中导洞双连拱隧道的施工提供参考和借鉴。关键词:双连拱隧道;数值分析;施工方案;施工力学;无中导洞法中图分类号:U455.41文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0777-08Study on Optimization of Construction Scheme of Double-Arch Tunnel without Middle DriftYin Biao,Xu Baiyang,Pang Lei(Sichuan Transportation Construction Group Co.,Ltd.,Chengdu 610047,P.R.China)Abstract:At present,there exist some problems in the traditional double-arch tunnel construction method,such as complicated construction procedures,a large number of temporary supports and the effect of frequent disturbance on surrounding rock.In order to avoid the above problems,based on a double-arch tunnel project of Yijin freeway,this paper puts forward two construction schemes without middle drift,and then uses numerical simulation method to analyze the stability and deformation of surrounding rock and the mechanical characteristics of the structure in the different construction schemes.The results show that the displacement and plastic zone of surrounding rock will increase obviously when the second tunnel is excavated subsequently,and then a herringbone collapsing arch is formed above the crown of the second tunnel.The maximum compressive stress of the preliminary support and the secondary lining is located at the foot of the wall in the first tunnel.The maximum tensile stress of the secondary lining is mainly located at the inner side of the crown or invert,while the maximum tensile stress of the primary support is small.Overall,scheme 1 has higher construction efficiency,and scheme 2 is relatively conservative and safe.The research results have great significance for theory and practice,and also provide a reference for the construction of double-arch tunnel without middle drift in the future.Keywords:double-arch tunnel;numerical analysis;construction scheme;construction mechanics;tunnel construction without middle drift收稿日期:2022-02-21(修改稿)作者简介:尹镖(1987),男,四川绵阳人,工程师,主要从事隧道工程建设管理工作。E-mail:1006174765 基金项目:川交建公路科研项目(2021YJXJ25-007)0引言随着国民经济的发展和西部大开发战略的深入,山区公路隧道的建设规模逐年加大,其中双连拱隧道具有占用地面积少,桥隧衔接顺畅,线路布设方便等优势而被广泛应用。双连拱隧道的传统施工工法是中导洞法和三导洞法1。三导洞法是将连拱隧道开挖面分为 3 个小洞室(1 个中导洞和2 个侧导洞),其中中导洞超前两侧导洞;而中导洞法是指隧道中导洞先施工,再向两侧拓展新洞室的开挖方法2。目前,针对中导洞法和三导洞法,学者们已经在围岩与隧道结构稳定性分析3-5、施工工序优化6-7,中隔墙施工力学行为8-9,现场监控量测分析10-11等方面开展了较为系统的研究。研究和实践表明,无论采用三导洞法还是中导洞法,都存在施工工序多、临时支护量大,对围岩扰动频繁等问题,导致工期冗长且造价较高。近几年来,随着施工水平的提高,双连拱隧道施工发展出一种新工法无中导洞法。该工法按两个独立的隧道先后施工考虑,并取消了中导洞施工工序,可有效缩短工期,降低造价。然而,研究发现12无导洞法施工过程中,两隧道间存在相互影响,其中后行洞开挖对先行洞影响很大。为此,一些学者在无中导洞连拱隧道的结构设计和施工方法等方面开展了研究,但是其主要集中在无中导洞扩挖法和扩大拱脚法13-18,关于对称的无中导洞连拱隧道开挖的研究不多。李龙喜等19针对无导洞连拱隧道后行洞不同开挖方法,从围岩与结构受力特性,施工可操作性以及经济性等方面进行了综合评价;刘昆钰等20采用极限分析有限元法对无中导连拱隧道后行洞施工的各个开挖阶段进行了强度折减分析,得到了不同施工阶段的稳定系数。然而,以上研究仅进行了初步的定性分析,缺乏更深入而细致的数值试验验证。总之,目前关于无中导洞对称开挖工法的实际应用较少,相关研究尚不充分,特别是关于施工方案的优化研究较为欠缺。因此,本文以宜金高速黄角坪隧道为工程背景,结合地质特点和施工条件,提出了两种无中导洞法施工方案,采用数值模拟的方法,分析了不同施工过程中围岩稳定性,位移变形以及结构受力特征,从而确定不同方案的适用性。研究成果可直接指导黄角坪隧道工程建设,具有较强的现实意义和理论价值,并为今后双连拱隧道无导洞法的施工提供参考和借鉴。1依托工程1.1工程背景黄角坪隧道位坐落于金阳县德溪乡至热水河乡,属于 G4216 线屏山新市至金阳段高速公路控制性工程。隧道采用双洞八车道设计,设计速度为80 km/h,最大纵坡为 3%,最小纵坡为 0.3%。该隧道全长约 6.5 km,从进口到出口依次为分离段,小净距段和连拱段,其中隧道出口处的连拱段即为本文研究对象。双连拱段最大埋深约 280 m,穿越地层为震旦系上统灯影组(Zbd)白云岩,岩体较破碎,自稳能力差,局部无自稳能力,地下水不发育,呈点滴状出水,属于 V 级围岩。围岩的物理力学参数如表 1所示。表 1围岩物理力学参数Table 1Physico-mechanical parameters of surrounding rock重度/(kNm-3)变形模量E/GPa泊送比 内摩擦角/()黏聚力c/MPa18.51.50.423.50.125隧道采用钻爆法进行施工,隧道衬砌设计为复合式衬砌。初期支护采用厚度 26 cm 的 C25 喷射混凝土,内设 I20b 型钢拱架,纵向间距 60 cm;拱间采用小导管注浆加固,周边布设系统锚杆;二次衬砌采用厚度为 60 cm 的 C30 钢筋混凝土,如图 1 所示。1.2拟定方案根据工程背景和围岩条件,本文拟定 2 种施工方案:先行洞采用两台阶预留核心土法,后行洞采用三台阶预留核心土法;先行洞采用三台阶预留核心土法,后行洞采用交叉中隔壁法。具体施工方案如图 2 和表 2。877地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷图 1隧道衬砌及其设计参数Fig.1Tunnel lining and its design parameters图 2拟定施工方案Fig.2Proposed construction schemes2有限元数值计算2.1模型建立本文选取浅埋区间内具有代表性的 148+300断面,该处隧道埋深为 40 m。然后采用 FLAC3D软件建立二维地层结构模型,模型厚度取 1 m。为了消除边界效应的影响,左右边界取隧道开挖宽度的 3 倍,下边界取隧道开挖高度的 3 倍,因此整个模型尺寸 XYZ=200 m1 m80 m,如图 3 所示。模型上表面施加竖向应力,其余各面均施加法向位移约束。计算模型中单元类型均为实体单元,初期支护及二次衬砌结构采用弹性模型,并假定围岩与初期支护、初期支护与衬砌都是紧密接触。此外,围岩假定为理想弹塑性材料,进入塑性区即认为损坏。摩尔 库仑本构模型中岩石单元体发生剪切破坏和拉伸破坏的判据为:表 2拟定方案工序Table 2Proposed construction procedures先行洞后行洞方案一上台阶弧形导坑开挖上台阶初期支护施作上台阶核心土开挖下台阶土体开挖下台阶初期支护施作二次衬砌施作上台阶弧形导坑开挖上台阶初期支护施作上台阶核心土开挖上台阶临时仰拱施作?I1中台阶土体开挖?I0中台阶初期支护施作?I3下台阶土体开挖?I4下台阶初期支护施作?I5拆除临时仰拱?I6二次衬砌施作方案二上台阶弧形导坑开挖上台阶初期支护施作中台阶土体开挖中台阶初期支护施作核心土体开挖下台阶土体开挖下台阶初期支护施作二次衬砌施作左侧上断面土体开挖左侧上断面初期支护和临时支撑施作?I1右侧上断面土体开挖?I0右侧上断面初期支护和临时支撑施作?I3左侧下断面土体开挖?I4左侧下断面初期支护和临时支撑施作?I5右侧下断面土体开挖?I6右侧下断面初期支护?I7 分 段 拆 除 所 有 临 时支撑?I8二次衬砌施作9772022 年增刊 2尹镖:无导洞法双连拱隧道施工方案优化研究图 3计算模型Fig.3Calculation modelFs=2c1+sin1-sin+31+sin1-sin-1(1)Ft=3-t(2)式中:Fs为剪切破坏判据值;1和 3分别为最大主应力和最小主应力;c 为凝聚力;为内摩擦角;Fs为抗拉强度破坏判据值;t为抗拉强度。当 Fs0 时,单元体未发生剪切破坏;当 Fs0时,单元体发生剪切破坏。判断单元体拉伸破坏同理。隧道初期支护以及二次衬砌的计算参数取值采用等效的方法,即将钢拱架、钢筋等的弹性模量等效折算给混凝土,计算公式为:E=Sg EgSc+Ec(3)式中:E 为折算后的混凝土弹性模量;Ec为折算前的混凝土弹性模量;Eg为钢拱架(钢筋)弹性模量;Sg为钢拱架(钢筋)横截面面积;Sc为混凝土截面面积。注浆加固区如图 1 所示分布在隧道周边 3 m的围岩范围,其参数按文献12 的比例取值。本文中有限元计算参数如表 3 所示。表 3有限元计算参数Table 3Calculation parameter for finite element method材料密度/(kgm-3)弹性模量/Pa泊松比黏聚力/Pa内摩擦角/()抗拉强度/Pa注浆加固区2 0003.01090.31.0106453.0105初期衬砌2 3002.110100.2-二次衬砌2 500 2.8510100.2-2.2计算过程首先,在模拟隧道开挖前,对模型的初始应力场进行计算,再将位移矢量初始化。然后,采用空单元置换隧道内部土体,从而模拟隧道的开挖。待隧道开挖与支护完成后,再激活二次衬砌单元,最后计算至稳定收敛。3结果分析通过 2 种方案的施工过程模拟,本节重点对每步施工工序的围岩位移变化以及塑性区发展进行分析。3.1方案一施工过程分析方案一是先行洞(左)采用两台阶预留核心土法,后行洞(右)采用三台阶预留核心土法施工。其施工各阶段的围岩位移演变过程如图 4 所示,围岩塑性区演变过程如图 5 所示。图 4方案一围岩位移演变过程Fig.4Displacement evolution process of surrounding rock in scheme 13.1.1围岩位移由图 4 可知,先行洞上台阶弧形导坑施工后,由于失去周围土体的约束,核心土处发生了明显的087地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷图 5方案一围岩塑性区演变过程Fig.5Plastic zone evolution process of surrounding rock in scheme 1隆起。而实际上核心土并不会产生如此明显的隆起,这是由于数值模拟将问题简化为平面应变模型,无法考虑空间效应的影响。在预留核心土和下台阶开挖后,洞周向内挤压收敛,其中上下位移较两侧位移更明显。在施作二衬结构后,拱顶和仰拱处围岩的位移仍在调整,但二衬结构基本没有变形。当后行洞上台阶开挖后,拱顶处围岩发生明显下沉;随着中台阶和下台阶的开挖,隧道从以上下收敛为主转为沿洞周向内收敛。总体来看,后行洞拱部偏左的区域产生较大的变形,其中最大值约 9.3 mm,说明先行洞开挖对后行洞围岩造成了强烈扰动。3.1.2围岩塑性区由图 5 可知,先行洞上台阶弧形导坑施工后,拱顶、核心土以及拱脚处围岩以受拉破坏为主,而侧墙位置以剪切破坏为主。预留核心土和下台阶施工后,围岩应力重分布,拱顶部位仍处于受拉破坏状态,而拱顶两侧为拉剪破坏,边墙和拱脚为剪切破坏。由于先行洞的开挖导致周边围岩应力释放,当后行洞上台阶开始开挖时,开挖面上方和下方发生较大范围的拉伸破坏,而两拱角以剪切破坏为主。随着中台阶和下台阶的施工,除了拱顶处围岩仍为受拉破坏,边墙和拱脚部位均转为剪切破坏。二衬施作后,围岩塑性区基本不再变化。整体来看,先行洞靠近中墙顶部和底部的塑性区发展较深,约为 3 m;而后行洞在靠近中墙的拱顶处形成一个“塌落拱”,深度约为 7 m。两洞拱顶处的围岩主要表现为拉伸破坏,其他位置主要表现为拉剪破坏,仰拱位置塑性区发展不明显。3.2方案二施工过程分析3.2.1围岩位移由图 6 可知,先行洞上台阶弧形导坑施工后,由于失去周围土体的约束,核心土处发生了明显的隆起。在预留核心土和下台阶开挖后,洞周向内挤压收敛,其中拱底处发生明显的底鼓现象。在施作二衬结构后,拱顶和仰拱处围岩的位移逐渐调整,但二衬结构基本没有变形。当后行洞上台阶左断面开挖后,洞周向内收敛但不明显;随着上断面右侧开挖,洞周上下方位移显著收敛。当后行洞下断面左右两侧依次开挖后,洞周位移转为向内收敛。总体来看,后行洞拱顶偏左的区域产生较大的变形,最大值约 8.8 mm,但相比工况一小,说明通过CRD 法开挖断面有利于围岩变形。由图 7 可知,先行洞上台阶弧形导坑施工后,拱顶、核心土处围岩以受拉破坏为主,而两拱脚角处以剪切破坏为主。开挖预留核心土和中台阶后,由于支护没有封闭成环,塑性区发展规律与上一施工步类似。随着下台阶开挖和支护封闭成环后,拱顶部位仍处于受拉破坏状态,边墙和拱脚转为剪切破坏。由于先行洞开挖导致周边围岩应力已经释放,当后行洞上断面左侧开挖时,开挖面下方产生较大拉剪破坏区,右侧产生剪切破坏区。当后行洞上断面右侧开挖时,开挖面上、下方均产生较大拉剪破坏区。当后行洞下断面左侧开挖时,开挖面右侧产生较大拉剪破坏区。当后行洞下台阶右侧开挖支护后,边墙和拱脚处围岩发生剪切破坏。二衬施作后,围岩塑性区基本不再发展。整体来看,先行洞靠近中墙顶部和底部的塑性区发展较深,约为 3 m;而后行洞的拱顶处形成一个“塌落拱”,深度约为 6 m。两洞拱顶处的围岩主要表现为拉伸破坏,其他位置主要表现为拉剪破坏;仰拱处围岩塑性区发展较小。1872022 年增刊 2尹镖:无导洞法双连拱隧道施工方案优化研究图 6方案二围岩位移演变过程Fig.6Displacement evolution process of surrounding rock in scheme 24对比讨论本节针对两种方案中围岩塑性区的最终状态以及初期支护和二次衬砌的受力特征分别进行对比分析。4.1围岩塑性区对比分析由图 8 围岩塑性区的最终状态可知,2 种方案的围岩塑性区大体相似;两洞拱顶处以拉伸破坏为主,边墙及拱脚以剪切破坏为主;先行洞靠近中墙顶部和底部的塑性区发育明显,后行洞拱顶处形成一个“人字形”塌落拱;仰拱处围岩塑性区发育不明显,说明支护及时封闭成环可以有效控制围岩塑性区的发展;此外,中夹岩是两洞施工扰动最剧烈图 7方案二塑性区演变过程Fig.7Plastic zone evolution process of surrounding rock in scheme 2的区域,方案中对中夹岩进行注浆加固,有效的控制了塑性区进一步扩大和连通。然而,由于施工过程的不同,两种方案的围岩塑性区略有差异:方案一中墙两侧的塑性区连通,且右洞拱顶处产生的塑性区相对较大;方案二右洞塌落拱高度较低且未向中墙处发展。方案一左洞采用两台阶预留核心土法,施工工序较少,因此方案一工作效率较高;方案二右洞采用 CRD 法,每步开挖后及时封闭成环,有利于减小围岩塑性区的发展,因此方案二相对安全。4.2初期支护受力对比分析通过对图 9 中(a)、(c)两种方案的初期支护最大主应力分析可知:两种方案中初期支护的拉应287地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷图 8塑性区对比Fig.8Comparison of plastic zones力主要分布在先行洞的仰拱内侧以及后行洞的拱顶、拱腰、仰拱内侧;其中最大拉应力量值均不大,约为 0.06 MPa 左右,对应安全系数 29.7。通过对图 9 中(b)、(d)两种方案的初期支护最小主应力的分析可知:两种方案初期支护的最小主应力分布非常接近,且都是压应力;最大压应力都位于中隔墙左侧,大约 7 MPa,对应安全系数 2.4。综上,双连拱隧道的初期支护最大拉应力和最大压应力均在 C25 混凝土极限强度内。图 9初期支护主应力对比Fig.9Comparison of principal stress of preliminary support4.3二次衬砌受力对比分析通过对图 10 中(a)、(c)两种方案的二次衬砌最大主应力分析可得:两种方案中二次衬砌的最大拉应力都主要位于后行洞拱顶内侧或仰拱内侧,其中方案一为 0.32 MPa(安全系数 6.2),方案二为0.45 MPa(安 全 系 数 4.4)。通 过 对 图 10 中(b)、(d)两种方案的二次衬砌最小主应力比较可知:两种方案二次衬砌的最小主应力分布比较接近,受压应力控制;最大压应力都位于中隔墙左侧,方案一 为 8.9 MPa(安 全 系 数 2.3),方 案 二 为8.2 MPa(安全系数 2.4)。综上,双连拱隧道的二衬结构最大拉应力和最大压应力均在 C30 混凝土极限强度内。图 10二次衬砌主应力对比Fig.10Comparison of principal stress of secondary lining5结论(1)根据两种方案围岩位移和围岩塑性区演变过程可知:隧道上台阶开挖后位移和塑性区会突增,特别是后行洞开挖时,由于先行洞的开挖已经对周边围岩产生了扰动所以变化更为明显。两洞拱顶处最终发展以拉伸破坏为主,边墙及拱脚处以剪切破坏为主;先行洞靠近中墙顶部和底部的塑性区发育明显,后行洞拱顶处形成一个“人字形”塌落拱;仰拱处围岩塑性区发育不明显。(2)通过对两种方案的衬砌结构进行受力分析可知:初期支护和二次衬砌上的最大压应力都是位于先行洞中墙墙脚位置;初期支护的最大拉应力在先行洞或后行洞中可能都会存在,但量值很小影响不大。二次衬砌的最大拉应力主要位于拱顶内侧或仰拱内侧,最大压应力都位于中隔墙左侧。(3)方案一左洞采用两台阶预留核心土法,施工工序较少,因此方案一施工效率较高;方案二右洞采用 CRD 法,每步开挖后及时封闭成环,有效的控制了围岩位移和围岩塑性区的发展,同时结构受力也得到了改善,因此方案二相对安全。参考文献(References)1李志厚,朱合华,丁文其.公路连拱隧道设计与施工关键技术M.北京:人民交通出版社,2010.2杨其新,王明年.地下工程施工与管理.(第 3 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