1、1风积沙隧道开挖关键技术摘要：通过榆神高速神木 1 号风积沙隧道开挖方案采用颗粒流离散单元法进行比选，最终确定了“一次支护采用网喷+钢拱架和先行施作二次衬砌仰拱边墙结合部联合支护形式；开挖采用预留大核心土台阶法施工”的改进台阶法进行施工，并对该隧道开挖中的关键技术进行了详细介绍，为类似工程的施工提供了参考和借鉴。 关键词：风积沙；隧道工程；改进台阶法 中图分类号： U45 文献标识码： A 文章编号： 1概述 2000 年，中国沙漠、沙地共计 154 万 km2，约占国土总面积的16，主要分布在北纬 3742之间的区域。全国沙漠、沙地 95.37%集中分布在新疆、内蒙、青海和甘肃四省区，并且呈
2、大面积连片分布，主要以流动、半流动类型为主。随着城镇化建设的重心西移和西部大开发的进一步推进，中西部地区的交通建设高潮必将持续维持在高位水平，建设沟通受沙漠和沙地分割的各地区主要城市的交通公路和铁路网势在必行，在沙漠和沙地区域建设公路和铁路隧道不可避免，且数量很大。 陕西省榆神高速公路神木一号隧道是目前国内沙漠和沙地地质条件下交通隧道建设的典型代表，其散粒体围岩在施工过程容易坍塌失稳，严重影响工程进度和施工安全，存在大量尚未揭示和解决的关键理论和2技术问题，有鉴于国内沙漠和沙丘地区公路和铁路隧道建设的巨大需求。本文拟结合神木一号隧道开展的风积沙隧道开挖关键技术研究，以期为包含风积沙在内的沙漠和
3、沙丘地区交通隧道的建设提供参考。 2神木一号隧道概况 2.1 工程概况 神木一号隧道位于陕西省神木县老龙池沟和水磨河之间的山体顶部，神木县西沙开发区西侧，最大埋深约为 37m。隧道设计为分离式隧道，设计长度 714m，左线里程为 ZK90+998ZK91+360；右线里程K90+993K91+345。洞身穿越风积沙地层共计 301m，为公路穿越风积沙地层最长隧道，其中左线里程为 ZK91+179+320、右线里程为K91+159+319；也是穿越风积沙地层断面尺寸最大的隧道（跨度15.3m，高度 11.2m；断面尺寸 124.9?） 。其横断面图见图 1。 图 2-1 神木一号隧道横断面图 2
4、.2 工程地质情况 左线 ZK90+998-ZK91+179 与右线 K90+993K91+159 段上部0.011.0m 为风积沙（Q4eol） ，松散-稍密，一般厚度 7.5011.0m。中部为黄土（Q3eol） ，一般层厚 4.0010.0m，不具湿陷性。下部为强风化细砂岩，厚约 5.008.00m，节理发育，岩体破碎，围岩无自稳能力，围岩级别为 V。雨季由于大气降水的渗入补给地下水，隧道内有滴水或股流3水。 左线 ZK91+179ZK91+320 与右线 K91+159K91+319 段为风积沙（Q4eol） ，松散-稍密，厚 45.057.0m，无自稳能力。勘探时未见到地下水。围岩级
5、别为 VI。隧道围岩为松散稍密风积细砂，无自稳能力，稳定性差。雨季由于大气降水渗入补给地下水，隧道内有滴水。 左线 ZK91+320ZK91+360 与右线 K91+319K91+345 段围岩级别级，以中风化微风化细砂岩为主，中厚层状构造，岩体较完整，勘探时未见地下水。围岩自稳能力一般，若开挖无支护可产生较大坍塌。 3关键技术研究 3.1 离散元理论简介 由于风积沙为散粒体，因此，风积沙隧道的施工模拟不适合采用基于连续介质的分析软件和工具，一般利用离散单元法进行模拟。离散单元法（DEM）首次于 19 世纪 70 年代由 CundallandStrack 提出，并不断得到学者的关注和发展。离散
6、单元法是专门用来解决不连续介质问题的数值模拟方法，其分析程序包括通用离散元程序（UDEC）以及简化的离散单元程序（PFC）等多种。该方法把围岩视为由离散的岩块和岩块间的节理面所组成，允许岩块平移、转动和变形，而节理面可被压缩、分离或滑动，因此，岩体被看作一种不连续的离散介质，其内部可存在大位移、旋转和滑动乃至块体的分离，从而可以较真实地模拟节理岩体中的非线性大变形特征。离散元法的一般求解过程为：将求解空间离散为离散元单元阵，并根据实际问题用合理的连接元件将相邻两单元连接起来；单元间相对位移是基本变量，由力与相对位移的关系可得到两单元间法4向和切向的作用力；通过单元在各个方向上与其它单元间的作用
7、力以及其它物理场对单元作用所引起的外力可求合力和合力矩，根据牛顿运动第二定律可求单元的加速度；对其进行时间积分，进而得到单元的速度和位移，从而获得所有单元在任意时刻的速度、加速度、角速度、线位移和转角等物理量。 颗粒流离散单元法（PFC）属于离散元的一种，它通过圆形离散单元来模拟颗粒介质的运动及其相互作用，用颗粒替代了岩块，颗粒之间的间隙替代了岩石之间的裂隙或节理，其模拟的介质是颗粒的集合体，由颗粒和颗粒之间的接触两部分构成，颗粒大小可以服从任意的分布形式，最适合模拟风积沙的力学特性，见图 2。颗粒流离散单元法与有限单元法一样，将区域划分成单元（颗粒） ，各单元在以后的运动过程中，单元结点可以
8、分离，即一个单元与其邻近单元可以接触也可以分离。单元之间相互作用的力可以根据力和位移的关系求出，而个别单元的运动则完全根据该单元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛顿运动定律予以确定。 图 3-1 颗粒的集合体示意 3.2 开挖方案比选 风积沙地层具有结构松散，颗粒单一，粒径小，粘聚力低，透水性强，抗剪强度相对较低，无自稳力特点。在这种地层进行隧道施工，由于漏沙、滑沙因素极易引起支护沉降变形、坍方冒顶事故。由于神木一5号隧道是目前我国穿越风积沙地层长度最长（洞身穿越风积沙地层长度：301m） 、浅埋（最大埋深：37m） 、大断面（跨度：15.3m、高度 11.2m，断面积：124.9m2）散粒
9、体围岩隧道，因此，其开挖和施工过程中面临地层大变形和坍方冒顶的威胁更大，必须要有先进的施工方法和配套的施工工艺方可保证其安全，开挖方案比选是在水平和竖直旋喷桩组合超前预加固的前提下，研究对比普通台阶法、CD 法、CRD 法以及一次支护采用网喷+钢拱架和先行施作二次衬砌仰拱边墙结合部联合支护形式，开挖采用预留大核心土台阶法（以下简称改进台阶法，其详细施工工序见后述）开挖下允许应力释放的围岩和结构的变形和稳定，以期探明适合风积沙地层隧道施工的主体开挖工法。 3.2.1 常规施工方法对比 利用通用离散元程序对风积沙隧道在水平和竖直旋喷桩超前支护下采用全断面法开挖法、普通台阶法（不预留核心土） 、CD
10、 法、改进台阶法、和 CRD 法的地层变形效应进行对比分析。 通过分析发现：在风积沙隧道施工中，应力释放 20%时，虽然进行了小导管超前支护，但是不同的施工方法对于地层的变形和稳定影响很大，全断面法和传统的台阶法开挖，地层的变形很大，开挖隧道的顶部将发生坍塌，难以正常施工。采用 CRD 法、改进台阶法和 CD 法施工时，虽然其应力释放达 20%，但由于其每次的开挖面较小，隧道地层的变形相对较小，但需要对其它部分的施工实施准确的控制方可保证施工的正常进行，这一点在不采取强有力的超前预加固技术基本上难以做到。通过分析还发现，台阶法施工时，若应力释放 10%，其变形仍然超过应力释放考虑620%的 C
11、RD 法、改进台阶法和 CD 法，说明在风积沙地层中，规划好每次开挖时?开挖面积的大小，对风积沙地层的稳定控制非常重要。通过分析还可发现，采用常规的全断面开挖和常规台阶法都不能保证围岩的稳定，因此，方案比选将集中在 CRD 法、改进台阶法和 CD 法之间进行。 3.2.2 CRD 法、改进台阶法和 CD 法对比 对比的是在常规小导管以及水平和竖直旋喷桩组合超前预加固的前提下进行的，主要分析了三种方法开挖过程中地层沉降和初期支护的受力情况，得出如下曲线图。 1 地层沉降曲线 图 3-2-1 CRD 法开挖后最终沉降曲线图（m） 图 3-2-2 CD 法开挖后最终沉降曲线图（m） 图 3-2-3
12、改进台阶法开挖后最终沉降曲线图（m） CRD 法、改进台阶法和 CD 法开挖完成后，地层沉降计算结果如图 3-2-1图 3-2-3。CRD 法开挖过程中，初期支护效果比较好，隧道周边变形比较小，拱顶下沉量较 CD 法开挖要少，等拆除中隔墙和仰拱后，围岩应7力进一步释放过程中变形逐渐增大至 9.38cm；CD 法开挖时，隧道周边地层的沉降逐渐增加，并最终达到 11.6cm，其最终沉降较 CRD 开挖方法要大；改进台阶法在开挖初期沉降量较大，之后沉降速度慢慢减缓，最终沉降量为 11.2cm，比 CRD 法开挖的沉降量稍大，小于 CD 法开挖的沉降量。2 初期支护轴力 图 3-3-1 CRD 法初期
13、支护 图 3-3-2 CD 法初期支护图 3-3-3 改进台阶法初期支护 轴力图（N）轴力图（N）轴力图（N） 当隧道开挖完成后，隧道周边地层的变形基本稳定，CRD 法开挖隧道的初期支护最大轴力约为 797kN，CD 法开挖隧道的初期支护所受轴力最大值约为 799.6kN，改进台阶法开挖隧道的初期支护所受轴力最大值约为700kN。CD 法和 CRD 法二者相差不大，从中可以看出：CRD 法开挖初始时初期支护作用力比 CD 法开挖要大，但随着整个断面的开挖完成，CD 法初期支护的轴力上升很快，并最终达到所受轴力基本持平的水平；改进台阶法开挖墙脚两侧局部初期支护较 CRD 和 CD 法要早，支护完
14、成后沉降逐渐减小，地层本身受力比 CD 法的大，由于应力释放的程度不同，其初期支护轴力较 CRD 法小。 一般来说，支护的越及时，围岩变形将越小，喷射混凝土受到的轴力会越大。在同时施作的喷射混凝土初期支护，因为 CRD 法开挖时喷射8混凝土封闭成环，可以承受更大的地层压力，故地层发生的变形要比 CD法小，而改进台阶法两侧墙脚仰拱支护相对较早，监测点处衬砌受力相对较小。地层应力释放有利于减轻支护结构的受力特性，但是对于岩性较差的 V 级、VI 级围岩，洞室开挖后若不及时施作喷射混凝土，可能会引起地层软弱面的滑动破坏，进而增大初期支护荷载。因此，对于松散地层，洞室开挖后需及时有效的施作初期支护结构
15、。 3.2.3 开挖方案 由于风积沙地层结构松散、自稳能力差，锚杆的组合作用及悬吊作用无法发挥。实际在进行风积沙径向锚杆施工时，由于钻孔作业对拱部沙层的扰动，有可能诱发拱部出现流沙或漏沙，严重时甚至造成拱部出现大量涌沙，造成隧道拱部以上出现部分空洞，在施工中需要进行注浆处理。 因为 CRD 法在每一开挖?序都用喷射混凝土封闭成环，故地层发生的变形要比 CD 法小，但其喷射混凝土初期支护的弯矩和轴力一般要大于 CD法。改进台阶法其墙脚两侧仰拱先行，加上环形台阶法开挖时核心土对掌子面的稳定效应，其地层最终的变形位于 CRD 法和 CD 法之间，比 CD法要小，衬砌的应力总体上相对二者也较小，加之改
16、进台阶法能有效的缩短支护和临时仰拱悬空时间，使临时仰拱在控制风积沙地层及支护下沉的效果更加明显。因此，从施工方便和控制地层变形等因素综合考虑，风积沙隧道的开挖宜选择改进台阶法，即一次支护采用网喷+钢拱架和先行施作二次衬砌仰拱边墙结合部联合支护形式，开挖采用预留大核心土台阶法施工技术。 94开挖关键技术 理论分析表明，拱顶、拱与边墙结合部以及初期支护墙角应力很大，存在应力集中现象，针对这种特殊地质条件，研究形成了“一次支护采用网喷+钢拱架和先行施作二次衬砌仰拱边墙结合部联合支护形式；开挖采用预留大核心土台阶法施工技术” （简称改进台阶法） ，该开挖方法通过仰拱结合部先行，增加了初期支护墙角基础的
17、承载力，有效抑制了两侧土体传递的侧压力，同时为二次快速跟进使初支变形最终趋于稳定创造了条件；通过对核心土进行喷锚加固，不仅起到维持掌子面稳定性作用，还起到支撑上台阶临时仰拱和中支撑作用，平衡了拱部初期支护传递的竖向应力，有效控制了落下台阶时沉降及收敛引起的变形。该技术是针对沙层、风积沙层等松散软弱不稳定地质条件进行深入研究，并通过应用实践的总结，成功解决了常规方法施工多次出现漏沙引起坍塌及支护变形问题。其实施过程中的关键技术在于施工工艺流程制定技术、施工步骤、上台阶开挖与初期支护技术、临时仰拱与竖向支撑施工技术、下台阶施工技术和仰拱结合部施工技术。 4.1 施工工艺流程 施工工艺流程图见图 4
18、-1。 图 4-1 改进台阶法施工工艺流程图 4.2 改进台阶法施工步骤 改进台阶法（一次支护采用网喷+钢拱架和先行施作二次衬砌仰拱边10墙结合部联合支护形式；开挖采用预留大核心土台阶法施工技术）开挖见图 4-2 及图 4-3。 图 4-2 开挖正面图 图 4-3 开挖剖面图 施工步骤： 顺序：1 第一台阶环形开挖、2 第一台阶初期支护、3 临时仰拱施工、4 竖向支撑施工、5 第二级台阶开挖、6 第二级台阶初期支护、7 第三级台阶开挖、8 第三级台阶初期支护、9 第四级台阶开挖、10 第四级台阶初期支护、11 第五级台阶开挖、12 第五级台阶初期支护、13 结合部仰拱初期支护、14 仰拱砼施工、15 填充砼施工、16 矮边墙施工。 需要说明的是从第二级台阶至第五级台阶，开挖与初期支护交错进行；下部核心土随开挖逐级形成；矮边墙施工结束后进入二衬施工，二衬施工结束后进入仰拱成环及填充砼施工。 4.3 上台阶开挖技术 1 在超前支护体系下，人工手持铁铲进行上部预留核心土环形开挖。2 为避免开挖面过大，出现滑沙或漏沙引起坍方变形，环形开挖高度控制在 90cm 内，开挖循环进尺 50cm。
