无中导洞连拱隧道施工方案优化分析.pdf

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———文章编号:10094539(2018)08009205・隧道/地下工程・无中导洞连拱隧道施工方案优化分析杨林(中铁十七局集团有限公司山西太原030006)摘要:本文以云南香丽高速上长坪隧道为研究背景,利用有限元软件对无中导洞连拱隧道施工方案及施工工序进行二维计算分析。通过对不同工况隧道开挖后地表和拱顶沉降、围岩应力以及支护结构内力进行对比分析,结果表明:对于不同工法而言,左洞采用两台阶预留核心土,右洞采用CRD法开挖,地表沉降相对于其它工况而言最大能减小19.86%,隧道拱顶沉降、仰拱隆起也比其它工况要小;对于不同开挖工序而言,先开挖远离既有洞部位,围岩位移控制效果明显;不同工法开挖,围岩应力、支护结构内力以及围岩塑性区变化差别在10%以内;连拱隧道左洞开挖完后,右洞的第一步开挖的位置对后续围岩位移的控制有很重要的影响。关键词:无中导洞施工开挖工序数值模拟优化分析中图分类号:U455.4文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1009・4539.2018.08.022OptimalAnalysisonConstructionSchemeofMulti-archTunnelWithoutMiddlePilotHeadingYangLin(ChinaRailway176BureauGroupCo.Ltd.,TaiyuanShanxi030006,China)Abstract:TakinganexpresswayinYunnanprovince鹊thereseart:hbackground,byusingthefiniteelementsoftware,theconstructionschemeandconstructionprocedureofthetunnelwithoutmiddlepilotheadingwereanalyzed.Thesettlementofsurfaceandarchroof,thestressofsurroundingrockandtheinternalforceofsupportingstructureaftertunnelexcavationindifferentworkingconditionswerecomparedandanalyzed.Theanalysisresultsshowthat:fordifferentmethods,themethodofreservingcoresoilbytwostepsforthelefthole,CRDmethodfortherightone,themaximumsubsidenceofsurfaceCanbereducedby19.86%comparedtOothereonditions.meanwhiletunnelvanhsubsidenceandinvertedarchupliftaresmallerthanotherconditions.Fordifferentexcavationprocedures,thesurroundingrockdisplacementcontroleffectisobviouswhentheexcavationisfarawayfromtheexistinghole.Thevariationofsurroundingrockstress,intemalforceofsupportingstructureandplasticzoneofsurroundingrockislessthan10%underdifferentworkingmethods.Afterthelefttunnelexcavation,thepositionofthefirststepoftherighttunnelexcavationhasasignificantinfluenceonthecontrolofthesubsequentsurroundingrockdisplacement.Keywords:excavationwithoutmiddlepilotheading;excavationprocess;numericalsimulation;optimalanalysis1引言我国连拱隧道的结构型式主要有三种,一是中隔墙采用整体式结构的整体式连拱隧道;二是中隔墙采用复合式结构的复合式连拱隧道;三是无中导——收稿日期:20180528基金项目:中铁十七局集团有限公司科技研究开发计划项目(2016-97)作者简介:杨林(1986一),男,工程师,主要从事隧道与地下工程施工与科研工作。…洞连拱隧道。目前国内对无中导洞连拱隧道施∽工进行了一些研究忙。谢春华旧1对城市连拱隧道施工工法分析得到隧道开挖后,中部加强区隆起明显,拱底及加强区底部采用锁脚锚杆有利于稳定;赖金星14。o等从围岩应力、应变状态、初支及二衬受Ⅲ力情况分析得出在类围岩中连拱隧道采用无中导洞施工方法,围岩和支护结构处于安全状态。然而目前大部分对于无中导洞连拱隧道的研究都是92铣道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018(08J万方数据・隧道/地下工程・在确定施工工法前提下进行研究的,而对于在山岭地区无中导洞连拱隧道工法工序优化方面研究较少。本文以云南香丽高速上长坪隧道为背景,对无中导连拱隧道施工方案进行优化分析,得到适合本项目无中导连拱隧道的最优开挖工法工序,为以后类似工程提供参考。2工程概况香丽高速上长坪隧道位于云南省香格里拉市虎跳峡镇境内,隧道建筑限界均按双向四车道、单向双车道设计。上长坪隧道右线起止桩号为YK76+365一YK79+115(ZK76+351~ZK79+115),全长2.816km。自隧道进口至出口依次设计为分离式一小净距一连拱(无中导薄壁)隧道,无中导连拱隧道左右洞独立衬砌,中墙部分衬砌间不设中岩柱,全部采用与二衬同标号混凝土填充。隧道出口段围岩为强风化玄武岩,片理化发育,节理裂隙发育,围岩较破碎。根据本隧道的具体设计情况,隧道支护采用复合式衬砌,其中无中导连拱隧道采用衬砌断面对称、开挖断面非对称的结构型式。二衬断面采用线路外侧曲墙、线路内侧中直墙,初期支护采用先行洞开挖扩大断面侵入后行洞1.5m,待后行洞开挖成形衬砌时予以拆除,具体见图1所示。隧道的初期支护由喷射混凝土、钢筋网、钢架、锚杆、小导管组成;二衬为模筑钢筋混凝土。其具体设计参数为:118钢架间距0.8m,锚杆长4m,间距1.0×0.5m,C30喷射混凝土厚度0.25m。二衬厚度拱墙部位0.6m,仰拱部位0.5m,为C30钢筋混凝土,超前小导管长4.5m,环向间距0.5m。分析确定最优施工方案,在确定最优施工方案的基础上再进行工序优化以确定最优施工工序,为设计和施工提供理论参考。3.1建模本次数值模拟计算主要采用二维平面模型,其中岩土体采用平面应变单元模拟,初支采用梁单元模拟。为了便于对比,各个工法均采用相同的尺寸、地层参数以及支护结构参数。整个模型水平长度125m,竖向长度70113,隧道覆土埋深24m。模型左右水平约束,底部边界采用竖向约束[6。9】,计算中仅考虑自重作用。3.2计算参数Ⅳ隧道围岩为级围岩,采用M.C屈服准则,其材料力学参数依据《公路隧道设计规范》中各类围岩力学参数指标取值,具体见表1。隧道初支采用刚度等效的方式获取其弹性模量。超前小导管的加固效果可根据经验通过采用提高围岩物理力学参数来模拟。依据公路隧道设计规范将黏聚力提高20%一30%。为了提高衬砌的防排水效果、结构耐久性、长期安全性,避免先行洞二次衬砌受到后行洞施工引起的多次应力扰动,双洞的防排水系统和二次衬砌结构以及仰拱填充均在双洞初期支护稳定后同步施作。由于本文研究重点是双连拱隧道初期支护阶段的施工力学特性,计算中只考虑初期支护的作用,二次衬砌作为‘安全储备,模拟时不予考虑【1012J。表1材料力学参数弹性模量整霞p,泊松比黏聚力内摩擦材料E/GPa(kg・m一3)pc/MP8角cp/(o)围岩1l910O.360.225超前加固1.22OooO.360.2625锚杆2lO78000.2初期支护17.2423000.2万方数据・隧道/地下工程・表2各个工况施工方案工况左洞工法右洞工法1三台阶预留核心土法CRD工法2两台阶预留核心土法CRD工法3三台阶预留核心土法三台阶法4两台阶预留核心土法三台阶法工况3工况4图2各个工况计算模型3.4计算结果分析3.4.1地表沉降分析隧道开挖后,各个工况下地表沉降曲线见图3,沉降最值见表3。图3各个工况地表沉降曲线表3各个工况下地表及拱顶沉降值工况地表最大沉降/nun拱顶最大沉I牮/mm仰拱最大隆起俚t/mml7.5012.3313.5726.7811.2213.3138.4612.8013.5547.7211.9913.333的最大沉降值为8.46rain,工况4的最大沉降值为7.72toni。以工况3为对比基准,可以看出工况1同比工况3地表沉降减小了11.35%,拱顶最大沉降减小了3.67%,仰拱最大隆起值减小了一0.15%;工况2同比工况3地表沉降减小了19.86%,拱顶最大沉降减小了12.34%,仰拱最大隆起值减小了1.77%;工况4同比工况3地表沉降减小了8.75%,拱顶最大沉降减小了6.33%,仰拱最大隆起值减小了1.62%。从位移比较分析可以看出,工况2在控制变形方面要比其它工况明显。3.4.2围岩及支护结构力学分析由于工况较多而且各个工况下围岩应力、支护结构内力及围岩塑性区分布差别不大,在此仅显示工况2隧道开挖后围岩主应力云图、初支内力图及塑性区分布图,具体见图4一图6。——————1',r一圈匪麓墨目爱圃图4围岩主应力云图b.初支轴力图图5初支内力云图■■i,图6围岩塑性区分布云图表4隧道开挖初支及围岩受力最值工最大主最小主初支最大初支最大初支最围岩最应力值/应力值/正弯矩/负弯矩/大轴力/大塑性况MPaMPa(kbl・m)(kN・m)kN应变值l0.08—2.55461.42—281.593111.203.68e-320.07—2.63492.44—300.683232.075.07e-330.07—2.70507.34—317.183402.264.11e-340.07—2.77537.72—314.063513.305.13e-3要。舞。瓤参霉繁咄E雕小¨|tE■“叠一》_}磐客m》一■_|彤小||||至,靴骆\、■柳万方数据・隧道/地下工程・在隧道底部左右角部,主要是由于隧道开挖后隧道底部出现隆起致使隧道底部出现收拉情况,最小主应力出现在中支撑与底部相连部位;从围岩的主应力值上来看,各个最大主应力值差别不大,最小主应力值差别在7.9%范围内,其中工况1的最小主应力值最小。由图可以看出初支的最大轴力出现在中支撑位置,弯矩最值出现在中支撑与初支相连部位以及左洞初支右墙角部位,这部位的弯矩比其它部位的弯矩明显要大,在施工过程中尤其是在二衬施作时要采取相关措施防止混凝土出现拉裂。从弯矩及轴力值上看差异性基本上都在10%以内。从表4中可以看出,隧道开挖后,各个工况最大塑性应变值有所差异,其中工况2和工况4最大塑性应变值差别不大,工况1的最大塑性应变值最小。从塑性区分布情况还可以看出塑性区主要分布在隧道左右洞边墙以下部位以及左右洞拱肩交叉部位,在施工的过程中要注意采取加固措施防止围岩发生破坏。从整个围岩和支护结构力学行为以及围岩塑性区上来看,各个工况差异性都在10%范围内,差异性不大,故结合位移分析并考虑现场施工安全快速方面综合确定工况2为最优施工工法。4施工工序优化对工况2的工序进行优化,得到最优工序。由于左洞采用两台阶预留核心土法开挖,故开挖顺序保持不变,主要对右洞开挖工序进行优化,右洞开挖工序工况见图7。笪鲍表5各个工况下地表及拱顶、仰拱竖向位移值工况地表最大沉降/mm拱顶最大沉降/一仰拱最大隆起值/mill16.7811.2213.3127.1l11.8213.9637.6212.5115.1248.Ol13.0115.48由表5可以看出,各个工况开挖后,地表沉降、拱顶沉降以及仰拱隆起情况都有所差别。以工况4为比较对象,与工况1相比而言,地表最大沉降减小了15.36%,隧道拱顶最大沉降减小了13.76%,仰拱最大隆起值减小了14.02%;与工况2相比而言,地表最大沉降减小了11.24%,隧道拱顶最大沉降减小了9.15%,仰拱最大隆起值减小了9.82%;与工况3相比而言,地表最大沉降减小了4.87%,隧道拱顶最大沉降减小了3.84%,仰拱最大隆起值减小了2.33%。从位移的控制效果来看,工况1的控制效果最好,工况4的控制效果最差。也可以看出,右洞第一步开挖是关键,远离左洞先开挖完后对整个围岩的位移控制较好。5结论通过对香丽高速上长坪隧道施工的工法工序进行数值分析得到了以下结论:(1)对于不同工法而言,工况2即左洞采用两台阶预留核心土,右洞采用CRD法开挖,地表沉降相对于其它工4言最大能减小19.86%,隧道拱顶沉降、仰拱隆起也比其它工况要小;对于不同开挖工序来说,先开挖远离既有洞部位,围岩位移控制效果明显。(2)不同工法开挖,围岩应力、支护结构内力以及围岩塑性区变化差别在10%以内。(3)连拱隧道左洞开挖完后,右洞第一步开挖的位置对后续围岩位移的控制有很重要的影响。@回固回……………….岩=三由于不同工序下隧道开挖完成,各个工况围岩—工i撕究[J].铁道标准设汁,2017,61(10):100105.应力、支护结构内力和围岩塑性区变化区别不大,[3]谢春华.无中导洞城市连拱隧道施工工法分析研究在此仅从位移的角度分析各个工况的沉降变形情—[J].中外公路,2017,37(4):214218.万方数据・隧道/地下工程・[5]赖金星,谢永利,李华.连拱隧道无中导洞施工技术探—讨[J].铁道建筑,2006(4):3435+43.[6]陈贵红,于炳言.连拱隧道中墙型式受力比选[J].铁—道建筑技术,2004(6):2932,18.[7]李跃强.浅埋偏压大断面隧道洞口段开挖顺序优化—[J].公路,2018,63(2):286291.[8]牟智恒,严涛,田明杰,等.邻路基变坡条件下浅埋偏压隧道施工工法及合理开挖工序研究[J].土木工程—学报,2017,50(S2):203208.[9]付大喜.浅埋偏压隧道施工方案优化及受力变形特性—分析[J].施工技术,2017,46(SI):702706.[10]方昱,方惠钦,刘保国,等.佛岭长大隧道洞口段施工—方案优化研究[J].公路,2009(11):237241.[11]杨小礼,眭志荣.浅埋小净距偏压隧道施工工序的数值分析[J].中南大学学报(自然科学版),2007(4):—764770.[12]阚呈,李建军.连拱小净距隧道对邻近高层建筑基础的影—响研究[J].铁道建筑技术,2018(2):7781.————————————————————————————————・+一++-+一+-+-+一+-+-++一+一+一+一卜++}・++++・+-+-+-+-++卜++卜++++++-+一+-。_一++卜卜卜-(上接第55页)人员利用测绳进行围堰内水深测量。测量结果每日汇总后利用BIM软件进行地形三维模拟成像,形象直观的反应出围堰内泥土清理和剩余工程量情况。BIM地形三维影像如图8所示。围堰每日吸泥‘量如表3所示10。12|。围堰内水深情况,并通过水深换算得出围堰底部标高,针对未达设计标高处进行吸泥施工。(3)采用BIM技术监控围堰底部吸泥情况,可直观的反映出围堰内吸泥情况,快速计算出围堰内剩余土方量,并为后续吸泥位置调整提供指导依据。参考文献图8BIM地形三维影像[2]表3基于引M模型反映围堰每日吸泥量m3序号日期模型;h-2设计方量剩余方量每El开挖方量12018年3月26日15735.40913936.762l7%.64722018年3月28日16124.0[撕∞136.7622187.264—388.61732018年3月30日15698.913粥6.762l762.138425.12642018年3月31日15397.44413孵6.7621460.682301.45652018年4月1日14591.137139316.7配654.375806.30762018年4月2El14512.9613996.7配576.19878.17772018年4月3日14275.3061399巧.762338.544盈r7.65482018年4月4日14093.47613936.762156.714181.8392018年4月5El14164.57413936.762盟7.812-71.098102018年4月613∞139.88513936.76233.123194.6鹎[3][4][5][6]8结论[7]老黏土地质条件下双壁钢围堰吸泥下沉施工,我国已经具有丰富的施工经验和先进的施工方案,可保证围堰快速平稳下沉,通过以上施工工艺的叙述,得出以下结论:(1)采用起重设备配合机械抓斗抓土和伸缩臂挖掘机取土的方案可有效地加快取土速度,保证围堰的下沉速度,同时利用绞吸机配合吸泥泵可将围堰底部松散泥土取出,保证围堰快速平稳下沉。(2)围堰吸泥下沉过程中,利用测绳勤加测量96彩}道建筑技术孔滨,肖JII.双壁钢围堰施工[J].黑龙江交通科技,2009,32(4):116.王贵春,皇甫昱.桥梁深水基础双壁钢围堰施工技术—分析[J].铁道建筑,2007(8):2224.袁狲,傅勇.双壁钢围堰吸泥下沉、清基及水下封底过程中有关问题的处理办法[J].黄冈师范学院学报,—2001,21(5):8385.高新学,王博.双壁钢围堰吸泥下沉及水下封底中有关问题的处理办法[J].城市建设理论研究,2011—(28):1215.杨永伟,戴桂华,徐阳,等.张花高速酉水大桥5号主墩深水双壁钢围堰施工技术[J].公路工程,2013,38(5):—193198.蒋红振.大型双壁钢围堰吸泥下沉施工技术[J].交—通世界,2017(26):109110.陈钧.复杂地质条件下双壁钢围堰下沉控制技术[J].—铁道建筑技术,2015(s1):113115.[8]李军堂.芜湖长江大桥双壁钢围堰施工[J].铁道建—筑,2000(5):57.[9]裴宾嘉,石勇,于志斌,等.荆岳长江大桥28号主墩特大—型分离式双壁钢围堰的下沉[J].公路,200s(3):7581.[10]高勇强.浅谈复杂地质中双壁钢围堰下沉控制技术—[J].价值工程,2016,35(36):8284.[11]储兵.特大桥深水基础双壁钢围堰拼装及下沉施工技—术[J].交通世界,2018(S1):146148.[12]汪龙军,王晓飞.马鞍山大桥双壁钢围堰下沉施工技—术[J].低碳世界,2017(18):235236.RAILWAYcoNsTRUCTIONTEcHNoLoGY2018108l万方数据
一夕落阳
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