隧道进洞施工简易力学分析方法.pdf
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1、收稿日期:2023-02-01;修回日期:2023-05-31作者简介:剧仲林(1968),男,陕西西安人,1992 年毕业于石家庄铁道学院,铁道工程专业,本科,正高级工程师,现从事岩土工程、地下工程等领域的施工技术与科研工作。E-mail:juzhonglin681104 。引用格式:剧仲林.隧道进洞施工简易力学分析方法J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):61.JU Zhonglin.Simple mechanical analysis method for tunnel constructionJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):61.隧道进
2、洞施工简易力学分析方法剧仲林(中铁十二局集团第四工程有限公司,陕西 西安 710021)摘要:隧道进洞采用“导向墙+大管棚”的方法在围岩较好时,存在浪费的问题,而在围岩较差时,存在针对性不足且不够安全的问题。为了解决该问题,采取库仑土压力理论对隧道进洞施工过程中的洞口仰坡土压力进行计算分析,得出洞口端墙是稳定洞口仰坡的重要措施,控制初期支护沉降是洞口段施工的关键。以朗肯土压力原理计算出隧道各级围岩“浅埋等压”埋深,浅埋等压时隧道支护结构处于无弯矩的有利应力状态,而只有侧向荷载作用下的支护结构为最不利应力状态,计算其支护结构最大内力,得出结构的合理厚度,对于外露及接近外露的浅埋偏压支护结构部位采
3、取以增加结构截面厚度为主的措施来应对。偏压状态的实质是正压状态下主应力作用方向的竖向偏转,将偏压初期支护的计算分析简化为正压主应力方向的偏转即可。以工程实例来对照说明“导向墙+大管棚”进洞和“棚洞”法进洞二者的优劣,证明当前隧道进洞方案有很大的优化空间,并以一个具有全、强风化花岗岩地质,具有支护结构外露的显著浅埋偏压的工程实例来验证说明上述技术的优势。本文认为以挡土墙来稳定洞口仰坡是隧道进洞的关键措施,洞口段施工的重点在于控制支护沉降,支护结构外露的浅埋偏压隧道应采取增大外露部位的支护结构刚度的处理措施。关键词:隧道;上导坑法进洞;仰坡稳定;土压力;挡土墙;洞口段;浅埋等压;偏压 DOI:10
4、.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.008中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0061-11S Si im mp pl le e MMe ec ch ha an ni ic ca al l A An na al ly ys si is s MMe et th ho od d f fo or r T Tu un nn ne el l C Co on ns st tr ru uc ct ti io on nJU Zhonglin(The 4th Engineering Co.,Ltd.of China Railway 12t
5、h Bureau Group Co.,Ltd.,Xian 710021,Shaanxi,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:The guiding wall+large pipe shed is basically the only method for tunnel entry at present.When the surrounding rock condition is good,it is a waste to use guiding wall and large pipe shed,whereas when the surrounding rock con
6、dition is bad,it is insufficient in specificity and safety.Therefore,the Coulomb soil pressure theory is used to calculate and analyze the soil pressure on the front slope of the tunnel entrance during the construction process,obtaining the conclusions that the end wall of the entrance is an importa
7、nt measure to stabilize the front slope of the entrance and controlling the primary support settlement is the key to the construction of the portal section.Then,the Rankine earth pressure principle is used to calculate the shallow buried equal pressure burial depth of surrounding rocks at all levels
8、 of the tunnel.The tunnel support structure is in a favorable stress state without bending moment under shallow buried equal pressure,and that is in the most unfavorable stress state under only lateral load.The maximum internal force of the support structure is calculated,and the reasonable thicknes
9、s of the structure is obtained.This serves as a reference value for increasing the stiffness of the exposed and near exposed shallow buried eccentric pressure tunnel support structure by increasing the thickness of the structural section.The essence of the bias state is the vertical deflection of th
10、e direction of the main stress action under the positive pressure state,which simplifies the calculation and analysis of the primary support under bias pressure to the deflection of the main stress direction under the positive pressure.Finally,an engineering example is used to illustrate the advanta
11、ges and disadvantages of the guide wall+large pipe shed method and the shed hole method for tunnel entry,proving that the current tunnel entry plan still 隧道建设(中英文)第 43 卷needs to be optimized.As weill,an engineering example with fully-and strongly-weathered granite geology with significant shallow bu
12、ried bias with support structure exposed is used to verify the advantages of the above technology.It is concluded that using retaining walls to stabilize the front slope of the tunnel entrance is a key measure for tunnel entry;the construction of the portal section should focus on controlling suppor
13、t settlement,the method of increasing the stiffness of the support structure in the exposed part of the shallow buried bias tunnel with exposed support structure should be adopted.K Ke ey yw wo or rd ds s:tunnel;top heading method;front slope stability;soil pressure;retaining wall;opening section;sh
14、allow isobaric;bias voltage0 引言由于当前隧道进洞设计措施基本都为“导向墙+大管棚”,对于围岩较好的隧道,存在浪费的问题;而对于围岩较差的隧道,存在措施针对性不足、效果差、浪费大的问题。刘保成1、池杨敏等2、鄢宏庆等3针对偏压位于隧道边墙侧,采用高侧开挖以“减荷”,低侧回填以“加载”及增设挡护措施;胡湘等4、张喜胜等5、陈小勇等6针对偏压位于拱部位置,采取“明拱暗墙”措施。上述技术与将偏压段围岩完全挖除以明洞结构通过的方案相比减少了开挖量,但是仍然存在不小的土石方开挖量,而王雪霁等7采取“半明半暗”的结构并增大半明拱刚度的技术,以相应的反力结构平衡偏压荷载的技术就理
15、想得多。上述技术中都少不了“导向墙+大管棚”措施,其中“导向墙”的作用主要是便于大管棚施工的定位和定向,其结构底脚横向位置有 2 种,即位于隧道拱部和边墙底部;而底脚位于拱部的导向墙在隧道暗洞下部开挖时立即变为附加荷载,实践证明这种结构现场施工风险高,如王林俊8所述,在洞口变形严重的情况下不得不加固导向墙。所以,将导向墙底脚置于与隧道边墙等高的位置,以及将导向墙与暗洞初期支护纵向有效连接的措施更加安全,如姜同虎等9的研究。20 世纪 90 年代以前,隧道的设计不涉及隧道进洞工序,也就没有相应的工程预算费用。在这种情况下,施工单位便以尽可能简捷的方式进洞,如陈创社等10、林文军11所述的“设棚法
16、”,其与“导向墙+大管棚”技术相比,所耗费用少得多。这种极简的进洞方法体现的是发挥技术的作用,而不同于现在流行的进洞方式。上述文献所用的技术无疑是成功的,但是都存在理论分析不够简便以及难以明确评价措施安全度的不足,极大地制约了技术的推广和应用。本文以规范规定的方法以及经典力学理论来分析进洞的力学原理,对隧道进洞的每个关键措施明确其“作用力-反作用力”关系,给出进洞方案的安全度,以此实现安全、经济、快捷的进洞目标。1 隧道洞口仰坡力学分析1.1 进洞的关键措施是稳定仰坡铁路工程设计技术手册隧道12中关于洞口施工方法之一 加固山坡上导坑进洞施工程序示意图见图 1。图 1 加固山坡上导坑进洞施工程序
17、示意图Fig.1 Schematic of construction procedure for heading in reinforcement hillside如图 1 所示的进洞法仍然在广泛应用,不过导洞的断面增大了,稳定仰坡的措施更强了,其所反映的进洞原理是不变的。“上导坑”小导洞进洞方式是在当时的隧道支护材料和施工机械设备以及经济等工程建设条件下形成的以最简便的方式实现进洞目的的技术,这就更加凸显隧道进洞的基本原理,对应于当前的隧道进洞,其技术关键点为:1)进洞前采取喷锚或挡土墙等措施稳定仰坡;2)进洞约 1 倍洞径后及时闭合支护,乃至及时施作二次衬砌。1.2 洞口仰坡纵向受力分析1
18、.2.1 库仑主动土压力隧道进洞前以挡土墙稳定仰坡,仰坡作用于挡土墙上的主动土压力采用库仑理论。由于洞口挡土墙的施作一般采取由上而下、边开挖边施作的方法,所以挡土墙背为直立。土压力的作用方向均假定为水平12,如图 2 所示。26增刊 1剧仲林:隧道进洞施工简易力学分析方法(a)(b)Ea为主动土压力;E 为挡土墙的反作用力;R 为滑动面作用于 ABC滑动体的反力;W 为 ABC 滑动体重力;为围岩内摩擦角;为滑动面倾角;为挡土墙与滑动面夹角;为地面坡度角;H 为挡土墙高。图 2 库仑主动土压力计算图Fig.2 Coulomb active earth pressure calculation
19、diagramW=12H2sin cos sin(+)。(1)E=Wctan(+)。(2)令dEd=0,可得 E 的最大值及最不利滑动面倾角:E=12H2。(3)tan =tan2-(1+tan2)(tan -tan)tan tan(1+tan2)-tan。(4)=tan tan(+)(1-tan tan)。(5)H=H。(6)岩土内摩擦角 分别为 20、27、39、50时,侧压力系数 随地面坡度 的变化见图 3。图 3 库仑土压力侧压力系数图Fig.3 Coulomb earth pressure coefficient diagram1.2.2 洞口纵向受力分析随着洞口前路堑的开挖及隧道进
20、洞施工的进展,洞口仰坡受力呈阶段性变化,如图 4 所示。W为 ADBA块体重力;Ea为块体 ABAC 的土压力;F 为 ADBA块体的摩擦阻力;L 为 ADBA块体纵向长度;h 为洞口最小覆盖层厚度;b 为挡土墙顶宽;B 为挡土墙底宽。图 4 洞口纵向受力分析示意图Fig.4 Schematic diagram of longitudinal stress analysis of portal洞口前土石方开挖后,则产生 ABC 滑体,该滑体须以挡土墙及核心土来稳定。滑体在挡土墙背后产生主动土压力 Ea。暗洞 DBB 部分开挖后,ADBA块体在重力作用下具有沉降的趋势,同时对 ABC 块体具有阻
21、挡作用。ABC 块体具有向下滑动的趋势,产生了作用在 AB界面上的主动土压力 Ea。因此,暗洞进洞前洞口的稳定取决于洞口的挡护结构所提供的阻力是否可与 ABC 块体产生的主动土压力平衡,暗洞进洞后的稳定与否,取决于 ADBA块体所产生的摩擦阻力 F 是否与 ABC 块体产生的主动土压力平衡,而 ADBA块体能否产生有效的摩擦阻力则决定于其本身的强度能否得到有效的保护,这一切都取决于 DB段暗洞施工是否能有效控制围岩及支护的沉降位移。DB段长范围即为通常所说的“洞口段”,是进洞施工的最高风险段,该段隧道初期支护的闭合或二次衬砌的施工完成就成为隧道进洞工序的完成标志。1.2.3 重力式挡墙进洞分析
22、示例以高速铁路隧道、级围岩为例,实际施工中为了加强进洞施工措施,往往将级围岩按照级围岩的支护参数设计。基本参数参考 TB 100032016铁路隧道设计规范的表 4.3.313。级围岩的基本参数为 H=12.361 m,=50,=24.0 kN/m3,=30。级围岩的基本参数为H=14.361 m,=27,=18.0 kN/m3,=20。在挡土墙的控制部位截取宽度为 1.0 m 的检算条带,重点检算倾覆稳定、滑动稳定和基底应力12(如图5 所示)。36隧道建设(中英文)第 43 卷图 5 洞口挡土墙正面图(单位:mm)Fig.5 Front view of portal retaining w
23、all(unit:mm)1)倾覆稳定:K0=MyM0。(7)式中:K0为倾覆稳定系数,1.5;My为全部的垂直力对墙趾的稳定力矩;M0为全部的水平力对墙趾的倾覆力矩。2)滑动稳定:Kc=NfE。(8)式中:Kc为滑动稳定系数,1.3;N 为作用于基底上的垂直力之和;E 为主动土压力之和;f 为摩擦因数,f=tan 。3)基底合力的偏心距:e=B2-C。(9)式中:e 为 基 底 偏 心 距;B 为 基 底 宽 度;C=My-M0N。4)基底压应力:eB6时,maxmin=NB16eB();eB6时,max=23NC。(10)式中:max为基底最大压应力;min为基底最小压应力。由式(1)(10
24、)计算,得到洞口挡土墙参数如表1 所示。由以上分析可知:1)级围岩倾覆稳定是控制因素,级围岩滑动稳定及基底应力是控制因素。2)洞口段范围级围岩为 4.921 m,级围岩为10.241 m。刘文武14采用有限元计算得出“当距掌子面距离 10 m 处时,拱顶变形迅速增大”,2 种计算结果完全一致。所以,上导坑进洞约 1 倍洞径后即闭合洞口初期支护仰供是十分重要的工序。表 1 洞口挡土墙参数Table 1 Parameters of opening retaining wall项目围岩级别b/m0.36.5B/m4.26.5h/m1.03.0H/m12.36114.361L/m4.92110.241
25、W/kN285.858896.543/()23.4242.031Ea/kN315.313954.283Ea/kN30.446209.409F/kN340.672456.811N/kN695.3062 333.663K01.4951.66KC2.6281.25max/kPa501.2251 203.6973)ABC 块体作用于 ADBA块体的土压力 Ea远小于 ADBA块体的摩擦阻力 F,故进洞后的仰坡在ADBA块体强度不受损的情况下是稳定的。4)以现场比较流行的“导向墙(厚 0.6 m,纵向长2.0 m)+大管棚”作为进洞措施为例,对于级围岩,由于喷射混凝土以及现浇混凝土与围岩之间具有有效的黏
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