特大跨度隧道双侧壁导坑法施工步距优化分析_刘涛.pdf
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1、收稿日期:基金项目:中铁十六局集团有限公司科技开发项目重点课题()。作者简介:刘 涛(),男,年毕业于华东交通大学道路与铁道工程专业,工学学士,工程师,:。文章编号:()特大跨度隧道双侧壁导坑法施工步距优化分析刘 涛(中铁十六局集团第三工程有限公司,浙江湖州)摘 要:大型机械在特大跨度隧道施工中易产生导坑施工步距加大等问题。以厦门机场高速公路巷东隧道工程为例,采用数值分析结合现场实测的方法,针对双侧壁导坑法施工中存在的导坑尺寸偏小、无法满足机械化施工操作空间、工效低等问题,通过扩大各导坑上下台阶的步距,增加掌子面与二衬的间距,提高了洞内机械化作业水平。数值分析表明,优化方案中初支轴力只有个别点
2、的压应力增加较多,大部分的轴力及剪力变化幅度在 以内,初支弯矩极值降低;围岩位移及初支结构内力极值变化都不大,处于合理范围内。地表沉降监测表明,最大沉降值为.,最大变化速率为.,均未超过允许范围,且沉降总体上趋于稳定。关键词:特大跨度隧道;双侧壁导坑法;施工步距;数值模拟法;现场监测中图分类号:.;.文献标识码:开放科学(资源服务)标识码():(,):,;.,:;引言随着车流量的提高,高速公路隧道断面也从常规铁 道 勘 察 年第 期的双向四车道或六车道,增加到双向八车道。对于特大跨度隧道,一般分导坑开挖,各导坑的步距需错开一定的距离。公路工程施工安全技术规范规定,级围岩隧道施工的安全步距不得超
3、过。针对施工安全步距,国内工程人员及学者进行一些研究。陈梦月根据厦门翔安海底隧道出口端地质条件,采用数值分析方法,优化(交叉中隔墙法)工法各部之间的步距和步序,改进隧道开挖支护方案,将拱顶沉降控制在最小的范围内;聂振宇以莞惠城际轨道交通工程松山湖隧道施工为例,通过现场实测研究,修正铁建设 号文在修建城际地下铁路隧道方面存在适应性及可操作性的问题,对步距提出建议;王齐采用 有限差分软件,对深埋隧道级围岩安全步距进行数值模拟分析,并以实际监控量测数据相印证与参考,探求围岩及支护条件下的安全步距理论值;王丽锋基于正交设计原理,通过 有限元软件建立三维动态开挖支护数值模型,对三种大断面隧道分部开挖法(
4、中隔壁台阶法、法及 法)进行了不同开挖步距下的计算,揭示不同开挖步距对大断面隧道围岩与支护结构的变形及受力状态影响规律;王玉林以云南某特长隧道工程为例,通过理论分析研究级围岩段安全步距的合理范围;凌云鹏等以京张高铁清华园隧道上穿北京地铁 号线区间隧道为工程背景,提出一种新的施工方法:上中隔壁下双侧壁预锚锭工法。随着施工机械化水平的提高,自行式液压栈桥及三臂凿岩台车已有较多应用。为提高隧道机械化施工的质量和效率,在确保隧道施工安全的基础上,需对施工步距进行优化,郭磊通过数值模拟对机械化快速施工在级围岩的条件下,不同施工步距的工况展开了研究;黄维科针对龙昌隧道在级围岩公路隧道采用大型机械化施工需要
5、,通过数值分析对安全步距进行了动态优化;郝俊明以太锡铁路太崇段的和平隧道与崇礼隧道工程项目为依托,通过数值模拟结合实测,研究仰拱和二衬的不同步距对隧道开挖安全性的影响效应,并探讨在机械化快速施工要求下,隧道在不同级别围岩施工时仰拱和二衬的施作步距。以往对 大 断 面 隧 道 导 坑 步 距 研 究 主 要 针 对、中隔壁法,对于双侧壁导坑法的施工步距研究较少。基于此,以厦门机场高速公路巷东隧道为依托,针对施工现场的机械设备使用,通过数值模拟分析结合现场实测,对施工步距进行优化,以期有效加快施工进度。工程背景.工程简介厦门市翔安机场高速公路巷东隧道为分离式隧道(净距 ),双洞八车道,右洞长 ,左
6、洞长。隧道单洞建筑限界净宽.,净高为.。设计速度为 。场地岩土层构成复杂,从上到下依次为:杂填土、填砂、中粗砂、砂砾状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩。地下水类型为潜水,赋存于填砂、中粗砂、砂砾状强风化花岗岩层中。采用双侧壁导坑法施工的主要是洞口浅埋段级围岩段。.原施工方案存在问题一般情况下,导坑跨度宜为整个隧道开挖宽度的。按这一原则设计的开挖及支护方案见图。图 巷东隧道级围岩双侧壁导坑支护(单位:)按上述方案施工,由于左右侧导坑尺寸较小,不能满足大型设备的施工空间,只能采用小型挖掘机开挖,运输采用小型装载机配合单桥运输车,出渣时间长、效率低。为提高机械化作业水平,
7、需扩大左右导坑的尺寸,见图。同时要求主洞下台阶距离二衬长度;两侧导坑上下台阶间距应,导坑掌子面间距应,导坑超前中间土体。图 巷东隧道 级围岩双侧壁导坑支护(单位:)具体工序如下:左上导坑开挖 ;左上导坑初期支护;左下导紧跟开挖,左上导坑与左下导坑步距为 ;左下导坑初期支护;当左上导坑开挖超过 ,右上导坑开始开挖;左上导坑与右上导坑步距为 ;右上导坑初期支护;右上导坑开挖 时,右下导开始开挖,右上导坑与右下导坑步特大跨度隧道双侧壁导坑法施工步距优化分析:刘 涛距为 ;右下导坑初期支护;当右上导坑开挖超过 时,主洞上台阶开始开挖;右上导坑与主洞上台阶步距为 ;主洞上台阶初期支护;?I1主洞上台阶开
8、挖 时,主洞中台阶开始开挖;主洞上台阶与主洞中台阶步距为 ;?I2主洞中台阶初期支护;?I3当主洞中台阶开挖 ,主洞下台阶开始开挖;主洞中台阶与主洞下台阶步距为 ;?I4主洞下台阶初期支护。上述施工方案中,由于侧导坑上下台阶间距较小,只能选用小型湿喷机作业,存在功效低、回弹率高等问题;另外,主洞下台阶距离二衬较近,下台阶围岩大部分为坚硬的中风化花岗岩,爆破振动容易影响到台车,并对已经施工完成的二衬结构产生振动破坏。.隧道导坑开挖步距调整后的施工方案通过增加侧导洞及主洞的台阶步距,保证湿喷机械手和初喷料罐车作业空间。个循环施工长度调整为 ;主洞下台阶与防水板台车步距调整为 ;主洞上、中、下台阶步
9、距调整为 ;左、右两侧侧壁导坑上下台阶步距调整为 ;调整后施工步序见图。图 双侧壁导坑法调整后施工步序平面 通过三维有限元数值建模,针对双侧壁导坑法施工方案调整前(导坑尺寸扩大,步距不变),以及优化后(导坑尺寸扩大,步距扩大)的围岩变形及初支受力进行分析,并通过现场试验段的实施情况,论证施工方案的合理性。数值分析模型的建立.数值模型设计模型范围内,地质体主要包括表层的碎块状强风化花岗岩和中风化花岗岩,模型尺寸为 。三维实体模型网格划分采用 节点高阶四面体单元,划分网格模型见图。锚杆的加固相应通过提高锚杆作用范围内围岩的强度参数来实现;钢拱架及喷射混凝土合并考虑,采用板单元模拟。图 隧道三维网格
10、模型.模型参数为了更好地反映围岩在开挖过程中的变形特征,对碎块状强风化花岗岩及中风化花岗岩采用不同的本构模型,分别为小应变土体硬化模型(,)及莫尔库仑模型(,),具体参数见表。初期支护及临时支撑均视为线弹性材料,弹性模量 ,泊松比.,重度 。表 岩土体物理力学参数项目碎块状强风化花岗岩中风化花岗岩本构模型()()()().()().().注:重度为;三轴固结排水剪切实验的参考割线模量为;固结实验的参考切线模量为;三轴固结排水卸载再加载试验的参考卸载再加载模量为;与模量应力水平相关的幂指数为;有效黏聚力为;有效内摩擦角为;割线剪切模量衰减为.倍的初始剪切模量 时,对应的剪应变为.;小应变刚度试验
11、的参考初始剪切模量为;卸载再加载过程泊松比为;界面折减系数为;渗透系数为。铁 道 勘 察 年第 期.模拟工况根据步距调整前后施工工序,模拟一个开挖循环施工过程,见表。表 模拟的施工步骤方案方案一(调整前)方案二(调整后)施工步 左上导坑开挖 左上导坑开挖 施工步 左上导坑开挖 左上导坑开挖 施工步 右上导坑开挖 右上导坑开挖 施工步 右上导坑开挖 右上导坑开挖 施工步 主洞上台阶开挖 主洞上台阶开挖 施工步 主洞中台阶开挖 主洞中台阶开挖 施工步 主洞下台阶开挖 主洞下台阶开挖 施工步 主洞下台阶开挖 主洞下台阶开挖 双侧壁导坑开挖步距优化分析结果.开挖步距优化计算结果()围岩位移主洞开挖前,
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