砂质地层大跨度隧道开挖三种开挖工法对比.doc

1、砂质地层大跨度隧道开挖三种开挖工法对比摘要：以某隧道工程为背景，应用有限差分软件 FLAC3D 模拟原工法（中导洞+上下台阶法）和另外两种工法（三导洞工法和双侧壁导坑工法）开挖，研究分析在砂层中开挖大跨度隧道三种不同工法开挖的地层沉降规律，并借此评价三种不同施工方法的优劣。 关键词：砂质地层；大跨度隧道；数值分析；地层沉降 中图分类号：U45 文献标识码： A 0 引言 该隧道开挖方式采用浅埋暗挖法，双连拱断面结构。隧道最小埋深3.6m，最大埋深 9.6m，洞身穿越砂层地质。本文针对该工程概况，应用数值模拟方法探讨 3 种不同开挖工法的优劣。 1 工程概况 1.1 地质资料 根据钻孔揭露，工程

2、场地在勘察深度 40.0m 范围内的地层主要为第四系堆积物，即由全新统人工填土，冲击黄土状土、细砂、中砂、粗砂夹薄层粉质粘土和上更新冲击中砂加粉质粘土组成。区间段隧道拱部主要为黄土状土，洞身穿越细砂层、中砂层，地下水潜水位埋深 29.0 32.1m。典型地质剖面图见图 1。 图 1 地质剖面图 1.2 施工与设计方案 该工程采用双连拱断面、中导洞+上下台阶法暗挖施工，并严格进行现场监测，及时反馈信息，支护方式为复合式衬砌（网喷、格栅钢架、模筑钢筋混凝土） ，双排小导管预注浆，上台阶掌子面位于砂层时进行掌子面超前小导管注浆加固。 具体的施工步序如下：1.开挖中导洞上台阶（预留核心土） ；2.施做

3、中导洞上台阶临时支护及横撑；3.中导洞下台阶开挖、临时支护；4.施做中墙及墙顶防水层；5.左洞上台阶开挖、初支；6.左洞下台阶开挖、初支；7.分段拆除中导洞支护以及施作仰拱二衬；8.施做拱墙二衬；9.按工序 58 施做右洞。 中导洞是一次性挖通，然后做中墙，再然后开挖左右洞，右洞滞后左洞 20m。中导洞及左右洞上下台阶长度为 35m；中墙以及二衬施工时，一次性拆除临时横撑或中洞支护段均不大于 6m；开挖及支护两洞交错进行。 2 数值模型与模拟方法 2.1 数值模型 根据该工程的基本概况，建立的的计算模型。隧道断面形式为双连拱断面，宽 11.7m，高 6.7m，Y=0 断面埋深 6.1m，Y=7

4、5 断面埋深 8.5m。 图 2 隧道断面图 3 三维模型图 2.2 计算参数 地层采用实体单元，摩尔库伦模型。初衬采用 shell 单元，二衬采用实体单元，线弹性模型。地层参数如表 1 所示： 表 1 地层分布状况及力学参数 土层 厚度 /（m） 弹模/（MPa） 泊松比 重度/（kN/m3） 黏聚力/（kPa） 摩擦角/（） 素填土 2.7 14 0.32 19.1 12 10 黄土状土 5.5 12.3 0.29 19.2 44 17 细沙 8.7 13.4 0.28 18.8 0 30 中砂 6.5 13.9 0.28 20.5 0 32 粗砂 12.6 15.6 0.27 19.8

5、0 33 3 不同施工方法引起地层沉降研究 大断面隧道施工要么将大断面分解，化成双连拱隧道断面形式，采用中导洞开挖或三导洞开挖；要么进行大断面开挖，其施工方法一般有CD 法、CRD 法、单侧壁导坑法或是双侧壁导坑法。本文研究对比中导洞开挖工法、三导洞开挖工法和双侧壁导坑工法开挖下的地表沉降。 3.1 中导洞工法（原工法）开挖 在不同开挖阶段，监测断面（Y=40m）上地表沉降变形分布曲线的变化如图 5 所示。中导洞开挖完成地表最大沉降为 20mm，右洞开挖滞后左洞，所以在左洞开挖时沉降曲线偏左，之后沉降曲线逐渐偏右发展，左洞开挖完成后地表最大沉降为 39.5mm，右洞开挖完成后最终地表沉降为55

6、.3mm。三个洞开挖单独引起的沉降相差不多。 图 4 Y=40m 横断面上地表不同开挖阶段的沉降变形分布曲线 3.2 三导洞工法开挖 3.2.1 施工方法介绍及三维计算模型 双连拱隧道开挖中，三导洞开挖工法也是比较常见的，由于比中导洞工法更多施工步序和分部开挖支护，将大断面改为小断面施工，支护体系能及时、充分发挥作用，减少对围岩的扰动，使围岩的变形和地表下沉得到控制。如图 7 为三导洞开挖顺序示意图。三维计算模型如图 6所示，隧道断面尺寸及各材料参数同原工法。 图 5 三导洞工法开挖顺序示意图 图 6 隧道模型横断面及加固圈 三导洞工法开挖施工步骤： 1、中导洞上台阶喷混及（预留核心土）开挖（

7、3） ，临时支护（4）及横撑（5）构筑；2、中导洞下台阶喷混及（预留核心土）开挖（6）及临时支护（4）构筑；3、中隔离墙及其防水层（7）构筑；4、左侧导洞喷混及开挖（8） ，初期支护（14） ；5、左洞上台阶喷混及开挖（11） ，初期支护（14） ；6、左洞下台阶喷混及开挖（10）及初期支护（14） ；7、左洞仰拱二次衬砌构筑及防水层构筑（13） ；8、 分段拆除中导洞临时支护（4） ；9、拱墙二次衬砌构筑及防水层构筑（9） ；10、按 4 至 9 的工序开挖支护右洞。 3.2.2 计算结果分析 图 7 所示为 Y=40m 处地表沉降曲线随开挖推进变化图，隧道开挖顺序为先开挖左右洞，右洞滞后左

8、洞，所以在左上洞开挖到 40m 时沉降曲线偏左，之后沉降曲线逐渐偏右发展。 图 7 Y=40m 处地表沉降曲线随开挖推进变化 中导洞工法开挖 Y=40m 处地表最终沉降为 55.3mm，三导洞工法开挖Y=40m 处地表最终沉降为 32.1mm，这表明三导洞工法在控制地层沉降上优于中导洞工法。但其施工工序更为繁琐，造价更高，施工中应综合考虑。 3.3 双侧壁导坑法开挖 3.3.1 施工方法介绍及三维计算模型 双侧壁导坑法能充分利用中间核心土的支撑作用，以格栅网喷混凝土为支护手段，自下而上地逐步完成开挖、支护和衬砌作业，使拱部开挖后的支护结构坐落在坚固结实的基础上，提高了施工安全度。如图 8所示即

9、为双侧壁导坑法开挖断面示意图。三维计算模型如图 9 所示，隧道断面尺寸与原工法相差不大。 图 8 双侧壁导坑法开挖断面示意图 图 9 隧道模型横断面及加固圈 双侧壁导坑工法开挖步骤： 1、左洞上台阶开挖（3） ，初期支护（4） ，临时支护（5） ；2、左洞下台阶开挖（8） ，初期支护（4） ，临时支护（5） ；3、右洞上台阶开挖（3） ，初期支护（4） ，临时支护（5） ；4、右洞下台阶开挖（3） ，初期支护（4） ，临时支护（5） ；5、中洞上台阶开挖（11） ，预留核心土，初期支护（4） ；6、中洞下台阶开挖（12） ，初期支护（4） ；7、仰拱二次衬砌构筑及防水层构筑（13） ；8、拱墙

10、二次衬砌构筑及防水层构筑（14） ；9、分段拆除中导洞临时支护（4） 。 3.3.2 计算模型 3.3.3 计算结果分析 图 10 所示为 Y=40m 处地表沉降曲线随开挖推进变化图，隧道开挖顺序为先开挖左右洞，右洞滞后左洞，所以在左上洞开挖到 40m 时沉降曲线偏左，之后沉降曲线逐渐偏右发展。 图 10 Y=40m 处地表沉降曲线随开挖推进变化 原工法开挖地表最终沉降为 55.3mm，双侧壁导坑工法开挖地表最终沉降为 44.2mm，且双侧壁导坑法开挖引起的地层沉降槽宽度小，也就是采用双侧壁导坑法开挖对地表沉降影响范围小很多，表明双侧壁导坑法在控制地层沉降上优于中导洞工法。 4 结论 对比三种

11、工法，三导洞工法在控制地表沉降上最为有利，但是其施工方法更为繁琐，造价更高，施工中应综合考虑；双侧壁导坑法采用分步开挖，每一步开挖面积比较均匀，封闭支护，地层沉降均匀，地表最终沉降较中导洞工法小，且双侧壁导坑法开挖引起的地层沉降槽宽度小，也就是采用双侧壁导坑法开挖对地表沉降影响范围小很多，表明双侧壁导坑法在控制地层沉降上优于中导洞工法，在施工难度上两者不相上下。参考文献 1张常委，朱国保，张志强小导管注浆预加固中小导管数值模拟问题西部公路隧道技术 2006 2阳志元.大断面浅埋暗挖隧道施工过程数值模拟.山西建筑.2008.03 3刘波，韩彦辉.FLAC 原理、实例与应用指南.人民交通出版社.2005