岩溶隧道出口段台阶法开挖对比分析.pdf

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1、晶轨道交通与地下工程TrackTraffic＆UndergroundEngineedng岩溶隧道出口段台阶法开挖对比分析黄东辉，邓洪亮，付思远，王思淼，陈鸽，郭洋，邱忠旺(北京工业大学建筑工程学院，北京100124)摘要：结合隧址地质情况，采用大型有限元分析软件MIDAS／GTS，对比分析了刘官屯隧道出口段采用不同台阶法分步开挖条件下围岩及支护结构的变形规律和受力差异，同时结合工程特点和施工工艺对不同开挖方法进行了比选．最后得出了刘官屯隧道出口段采用三步开挖预留核心土法开挖是既符合隧道设计规范，又满足围岩及支护稳定性要求的结论

2、，且该施工工艺经济、简易。该成果可对同类地质条件下的岩溶隧道施工提供指导。关键词：岩溶隧道；有限元；开挖方法；支护结构；围岩应力中图分类号：U455．4文献标志码：B文章编号：1009—7767(2015)01一0074—05ComparativeAnalysisofBenchExcavationatKarstTunnelExitHuangDonghui，DengHongliang，FuSiyuan，WangSimiao，ChenGe，GuoYang，QiuZhongwang隧道洞口段是隧道建设过程中的咽喉部位，洞口段地层岩体

3、一般较为破碎，堆积、风化现象严重，节理裂隙发育，稳定性较差，是隧道施工的薄弱环节。在岩溶地区修建隧道，岩溶发育容易发生各种地质灾害，其洞口段的施工更是重中之重。因此，在掘进过程中需根据地形特点和地质条件对洞口段施工做特殊处理，选择合理的施工开挖方法显得尤为重要。笔者以沪昆高速铁路线刘官屯隧道为例，在查阅规范和工程地质资料确定地质条件的基础上，运用大型有限元分析软件MIDAS／GTS对隧道出口段的开挖施工方案进行了模拟分析。在考察了3种不同台阶法的施工方案后，对隧道周围岩体特征点位移和应力随施工进程的变化，以及锚杆、混凝土喷层的

4、最终变形和应力进行对比分析【1】。以此对围岩稳定性和支护的合理性做出评价，为设计参数的优化及施工工艺的调整，提供了直接、有效的数据，并为同类地质条件下的岩溶隧道施工提供指导。1工程地质概况及有限元模拟1．1工程地质概况刘官屯隧道位于云贵高原丘陵区，最大埋深53m；穿越北西向展布的脊状山梁，两端为沟谷。隧道区基岩大多裸露。为三叠系下统永宁镇组第1段(T，ynl)灰岩夹泥灰岩。隧道主要通过灰岩地层，岩溶中等发育。地74瘩荭笈木2015No．1(Jan．)V01．33表溶蚀洼地等岩溶形态也较发育。开挖时可能会遇到岩溶管道及溶洞，易发

5、生突水、突泥现象。隧道进出口段下伏基岩为灰岩夹泥灰岩，埋深浅，基岩节理较发育，岩体较破碎，洞门及堑坡地质条件较差。围岩稳定性差。所以综合判定该地为Ⅳ级围岩，施工时容易坍塌。1．2计算模型根据隧道现场施工情况，选取出口段桩号里程为DK945+420作为分析断面。各模型上下左右均按照隧道设计中线向各方向延伸40m。各个模型均进行三维模拟1个进尺(1m)地开挖。约束条件为x、y方向两边界面及Z方向下边界面均受方向约束，模型上边界面为自由面。荷载方面只考虑岩体的自重。1．3参数选取刘官屯隧道采用复合式衬砌结构．隧道出口段属于Ⅳ级围岩浅

6、埋段，其初期支护为注浆小导管，规格为042无缝冷轧钢管，壁厚3．5mm，长3．5m。环向间距40cm：025中空注浆锚杆长4．0m，间距80cmxl00cm(纵x环)，梅花形布置；120b工字钢拱架纵向80cm；直径8mm钢筋网，间距20cmx20cm(双层)；C20早强喷射混凝土厚26cm。其中：注浆小导管超前预支护的加固效果可根据规范【2】通过提高围岩的物理力学参数来模拟：锚杆采用杆单元进行模拟；钢拱架的作用也采用等效方法予以考虑，即将钢拱架弹性模量折算给喷射混凝土【31。该模拟过程没有考虑钢筋网的支护作用，只将其作为结构

7、的安全储备。围岩及支护力学参数见表1。表I围岩及支护力学参数模拟过程中材料按照连续、均质且各向同性处理：岩体、混凝土等材料系数可按摩尔库伦准则考虑；混凝土初期支护通过梁单元模拟且考虑混凝土硬化过程．以便更好地模拟施工过程；锚杆通过桁架单元模拟H；材料及岩体的应力应变都在弹塑性的变化范围内．地应力场由重力自动生成。1．4施工过程模拟对于刘官屯隧道出口段的施工．结合工程地质资料。选取3种不同台阶法施工方案进行比选，即：上下台阶法；3步开挖预留核心土法(以下简称“3步法”)；5步开挖预留核心土法(以下简称“5步法”)。其施工工序见图

8、1。吣-心j、避a)上下台阶法b)3步法c)5步法图l各工法开挖步骤及支护示意在MADIS／GrI’S软件中通过数据单元的激活与钝化来模拟隧道施工过程中的开挖与支护。上下台阶法为开挖上台阶1，对上台阶进行支护及l临时支护，开挖下台阶2，对下台阶进行支护；3步法为开挖上台阶1，