预切槽法开挖黄土隧道掌子面稳定方式研究.pdf

——文章编号：１００９～４５３９（２０１７）１０００１１０６・科技研究・预切槽法开挖黄土隧道掌子面稳定方式研究孙兵（中铁第一勘察设计院集团有限公司陕西西安７ｌ００４３）摘要：本文介绍了软弱围岩隧道的变形特点及控制措施，对软弱围岩隧道的掌子面稳定性进行分析，包括失稳形”式、破坏机理，并提出掌子面加固措施。此外，结合预切槽法黄土隧道试验段实例，利用有限差分软件ＦＬＡｃ建立模型，研究三种不同的掌子面加固方法对围岩变形以及预衬砌受力的影响。结果表明：全断面预加固可有效控制围岩变形且减小预衬砌所受的拉应力，与预加固且留核心土方式相比，预衬砌的拉应力值相差不大且都在允许的范围内。在实际工程中考虑预切槽法结合大断面机械施工，建议采用全断面预加固的方式。关键词：软弱围岩预切槽新意法掌子面预加固数值模拟中图分类号：Ｕ４５５．４文献标识码：ＡＤｏＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－４５３９．２０１７．１０．００３ＳｔａｂｍｔｙＳ坶ｌｅＳｔＩｌｄｙｏｎ∞ＬｓｓＴ咖ｅｌＥｘ船ＶａｔｉｎｇＦ觚ｅＣｏ邶ｔｒｕｃｔｅｄｂｙＰｒｅ－ｃｕｔｔｉｎｇＭｅｔｈｏｄＳｕｎＢｉｎｇ（ｃｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＦｉｒｓｔＳｕｒｖｅｙ卸ｄＤｅｓｉ即ＩｎｓｔｉｔｕｔｅＧｍｕｐ’Ｃｏ．Ｌｔｄ．，ｘｉ蛐Ｓｈ眦】【ｉ７ｌ００４３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐ印ｅｒ，ｔｈｅｄｅｆ０瑚ａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｍｅａｓｕｒｅｓｏｆｓｏｆｔｓｕｒｍｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｔｕｎｎｅｌｗｅｒｅｉｎｔｍ－ｄｕｃｅｄ，锄ｄｔ｝ＩｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｅｘｃａｖａｔｉｎｇｆａｃｅｏｆｓｏｆｔⅡｓｕ０ｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｔｕｎｎｅｌｗ鹊卸ａｌｙｚｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｆｂｎｌｌ，轴ｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄ西ｖｉｎｇｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｍｅ鹊ｕｒｅｓ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｅｘ锄ｐｌｅｏｆ—ｐｒｅｃｕｔｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｕｓｅｄｉｎｌｏｅｓｓｔｕｎｎｅｌ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙＦＬＡＣ３Ｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｅ如ｃｔｓｏｆｔｈｒｅｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｓｕｎＤｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｄｅｆｏ珊ａｔｉｏｎａＪｌｄｐｒｅ．１ｉｎｉｎｇｓｔｒｅｓｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ“ｆｎｓｅｃｔｉｏｎｐｒｅ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｃｏｕｌｄｅ妊ＩｅｃｔｉＶｅｌｙｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｓｕｒｍｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｄｅｆ０肌ａｔｉｏｎａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｐｒｅ－ｌｉｎｉｎｇｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｍｐｒｅ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｆｏｒｃｏｒｅｓｏｉｌ，ｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓｏｆｔｈｅｐｒｅ．１ｉｎｉｎｇｗａｓｎｏｔｍｕｃｈｄｉｆＩ．ｅｒｅｎｃｅ粕ｄｂｏｔｈｏｆｔｈｅｍｗｅｒｅｗｉｔｈｉｎｔｈｅａＵｏｗａｂｌｅｒａｎｇｅ．Ｉｎａｃｔｕａｌ—ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｔａｋｉｎｇｉｎｔｏａｃｃｏｕｎｔ山ｅｐｒｅ・ｃｕｔｔｉｎｇｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｌａｒｇｅｓｅｃｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｎｓｔｍｃｔｉｏｎ，ｉｔｉｓｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｔｏａｄｏｐｔｔｈｅｍｅ山ｏｄｏｆｆｕｌｌｓｅｃｔｉｏｎｐｒｅ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｆｔｓｕｒｍｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋ；ｐｒｅ－ｃｕｔｔｉｎｇｓｌｏｔ；ＡＤＥＣＯ－ｆｔＳ；ｅｘｃａｖａｔｉｎｇｆａｃｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ；ｎ啪ｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ１引言目前，国内外对于软弱围岩并没有统一的定义，通常是指整体强度较低、节理裂隙发育、结构破碎的岩体，在高地应力作用下容易产生较大变形导致失稳破坏。软弱围岩隧道的变形控制，是当前隧收稿日期：２０１７一０７一１２—基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划项目（２０１３Ｇｏｌｌｃ）作者简介：孙兵（１９８ｌ一），男，博士，高级工程师，主要从事地下工程设计与科研工作。道施工亟需解决的重要难题【Ｉ。１。由于软弱围岩自“身的工程特征，在隧道开挖后表现出自稳能力差、”易坍塌的特征。从新意法的基本概念出发，软弱围岩的变形由三部分组成：预收敛变形、掌子面挤出变形以及收敛变形。其中，预收敛变形是指隧道洞周围岩在掌子面前方发生向洞内的变形，由于掌子面的向前推进而逐渐发生，因而预收敛变形的最大值就位于掌子面处。抑制预收敛变形需要了解掌子面前方发生预收敛的范围以及在掌子面处的预收敛值大小，铁道建筑技术ＲＡＪＬＷＡｙｃｏＮＳ丁ＲＵＣ丁ｆ０Ｎ丁￡－ｃＨ￣０ＬＯＧｙ２ＤＴ７ｆ，０Ｊ１１万方数据・科技研究・软弱围岩发生预收敛的范围和掌子面处的预收敛值都比较大；掌子面挤出变形在软弱围岩隧道中较为显著，且与围岩地质倾向与隧道轴线间的夹角有一定的关系Ｈｊ，挤出变形超过某一允许值将导致掌子面失稳，这也是采取掌子面加固的原因所在；收敛变形是隧道洞周在掌子面后方发生向洞内的变形，初期变形速度比较大，主要依靠初期支护抑制收敛变形的发展。在一般地质条件下，变形大约在—距掌子面（１２）Ｄ的范围内即可收敛，软弱围岩中∞这个范围会变大甚至会导致长时间不收敛Ｊ。在上述三种变形中，掌子面挤出变形导致掌子面失稳最为严重，因此，在软弱围岩地层中开挖隧道，需要采取预留核心土或者其他掌子面预加固措施。为了避免掌子面失稳等现象的发生，必须对围岩进行预支护或加固处理。预切槽技术是一种超∞前的预支护技术１，是在掌子面土体开挖前，沿工作面周边切割出一条有限宽度的沟槽，切槽后立即向槽内灌入混凝土，在开挖面前方形成一个起预支护作用的混凝土壳体（预衬砌）＂书Ｊ，从而在预衬砌的支护下进行开挖。本文正是以预切槽法开挖黄土隧道试验段为工程背景，研究掌子面合理的加固方式，为后续类似工程的设计与施工提供思路。２软弱围岩掌子面稳定性分析隧道开挖的过程也是围岩荷载释放的过程，随着开挖的推进，掌子面处的约束被解除，围岩原始的平衡应力状态发生变化，导致围岩应力进行二次分布。新奥法认为围岩具有一定的自承载能力，其自承载能力的大小主要取决于围岩的自身特性。因此，当开挖后围岩中二次分布的应力超过其自身强度，围岩就会由弹性变形发展到塑性变形，形成一定范围的塑性区，此时若不采取初期支护，围岩变形进一步发展，超过允许值时掌子面将发生失稳。２．１掌子面失稳形式新意法中围岩变形包括预收敛变形、掌子面挤出变形以及收敛变形，具有明显的时空效应。根据超前核心土的稳定性，新意法认为掌子面的变形包括稳定、暂时稳定和不稳定三种状态，分别对应于Ａ、Ｂ、Ｃ三类应力应变行为，如图１。【二……一洞室预收敛一一一一一一一洞室收敛图１掌子面稳定情况。掌子面一超前核心土稳定。掌子面一超前核心土不稳定（１）稳定：通常是位于条件较好的硬岩，节理裂隙不发育，围岩自身强度高，临近开挖边界形成拱效应，掌子面变形很小甚至没有变形，应力为弹性状态，此时掌子面是稳定的即为Ａ类状态。（２）暂时稳定：通常是质量稍差的围岩，结构面较多，在距离隧道开挖边界一定范围内形成拱效应，而开挖轮廓周围产生塑性区，应力进入弹塑性状态，在地层压力的作用下核心土受到挤压，从而产生掌子面挤出变形，这种情况下掌子面能够暂时保持稳定即为Ｂ类状态。（３）不稳定：通常是强度刚度很低、节理结构面发育的围岩，不能形成拱效应，在地层压力作用下，由于围岩松弛形成滑动带从而核心土发生滑移导致掌子面失稳即为Ｃ类状态。２．２掌子面破坏机理随着隧道开挖的进行，掌子面处的荷载解除，如果掌子面的约束力不足，导致挤出变形过大，掌子面会出现局部或者整体坍塌，甚至导致隧道塌方。在法国里昂一马赛高速铁路Ｔａｒｔａｉｇｕｉｌｌｅ隧道建设中，通过模拟试验研究了隧道开挖时掌子面的约束力和掌子面挤出变形之间的关系旧Ｊ。模拟试验通过把土样放人三轴压力盒中，施加与围岩未开挖时的应力状态一致的流体压力盯。，如图２所示，让周围土样的应力状态保持不变，通过降低流体压力Ｐｉ来模拟隧道开挖逐渐接近预定掌子面时的约束力变化，从而可以得到掌子面约束力Ｐ；和挤出变形Ｅ。之间的函数关系。１２铁道建篱技术ＪＲＡ儿¨伪ｙ№ＣＯ丁开ＵＣ丌０～循Ｃｆ－『￣Ｄ￡－ＯＧｙ２０７７仃ＤＪ。毖｝土掌扎万方数据松比弘：ｏ．４、黏聚力ｃ＝４０…‘ｋＰａ、摩擦角（ｂ＝１８吼：．Ｉ亓ｍ＝矿１、、＝挤出趸彤族型外部周围通过施加压力矿模拟围岩原始。；ｒｏ．０５应力状态，在模拟过程中矿保持不变，通过降低掌一、、尸．Ｏ．０４１子面约束力Ｐ直至为０（分８０次尸由盯平均降低至ｔ，＝ｈｔ仉＝０．２５Ｍｌ。ａ蟠、。０．０３Ｏ）。记录每次掌子面约束力和挤出变形值。为了更、‘Ｕ．Ｖ～充分地分析二者之间的关系，围岩原始状态压力矿＼ｎｎ１ｉ．］卜＼分别取３００ｋＰａ、４５０ｋＰａ、７５０ｋＰａ、１５００ｋＰａ四个不Ｌｎｎｎ’：。～Ｆ：ｈ—ｋ．．一ｌ一１．４同的值，按照同样的模拟步骤记录数值，可得到姆ｃ．盯：７５０ｋ；ａ时约束力与挤出变形的关系ｂ．模型示意ｃ．加载方式示意图３数值计算模型图４掌子面约束力与挤出变形的关系铁道建镝技术ＲＡ『ＬｗＡｙｃ０￣Ｓ丁尺ｕｃ丁『０Ｎ丁ＥＣＨＮｏＬＤＧｙ２Ｄ１７ｆ１Ｄ）营≮万方数据・科技研究・除去加固地层的超前支护技术，包括超前小导图５掌子面应力分布图管、管棚、机械预切槽技术等，稳定掌子面的加固措…施大致包括以下四类一：根据土力学中的土压力理论，当计算被动土压（１）预留核心土力Ｅ。时，通过变化倾斜面的斜率调整与底面之间的预留核心土是针对掌子面容易失稳的软弱围摩擦力，。大小，使被动土压力与摩擦力之和不低于岩，隧道开挖时把掌子面中心部分先留下，以填土主动土压力Ｐｎ，以保证掌子面稳定。竺鬈妻譬兰萋三要黧鍪曼竺要鉴芝专愁３预切槽法开挖黄土隧道试验段实例分析预留核心土可与台阶法进行有效配合，开挖断面可。…““““”“”‘一一～一一一一一１一依据实际工程而定，工法简单，施工进度快。３．１工程背景（２）掌子面锚杆试验段隧道位于黄土高原梁峁、沟壑区，里程掌子面锚杆通常应用在不良的地质条件中，能有介于ＤＫ９６３＋５９９～ＤＫ９６３＋９４５之间，全长３４６ｍ，效降低开挖面的土压力，减小掌子面挤出变形。掌子试验段最大埋深为５０ｍ。隧道试验段穿越的工程面锚杆大部分是由玻璃纤维筋（ＧＦＲＰ）制成，因为玻地质条件较差，主要为第四系上更新统砂（黏）质黄璃纤维筋容易切断，方便机械开挖。为防止开挖时发土及上第三系泥岩。生局部坍塌，一般与掌子面喷射混凝土配合应用。３．２不同加固方法对比分析（３）掌子面喷混凝土对于机械预切槽技术，主要是预衬砌形成的预由于围岩的自稳性较差，在隧道开挖后应及时筑拱提供超前支护，目前关于预衬砌的搭接长度主向掌子面喷射混凝土，避免土体应力松弛导致掌子要有０．５ｍ和３ｍ两种。根据计算发现¨２Ｉ，预衬砌面失稳。前面已经提到，掌子面锚杆一般与掌子面长１２ｍ并且搭接长度为３ｍ时，对于围岩的变形控喷混凝土配合应用，在掌子面受到挤压的地层中，制更好。此外从掌子面的稳定性考虑，开挖时对掌喷射的混凝土会发生开裂，此时应注意观察，防止子面进行预加固并且预留核心土。因开裂严重导致掌子面坍塌。针对实际隧道工程，提出以下三种加固方法：（４）倾斜掌子面方法一：对掌子面不进行预加固，预留核心土；倾斜掌子面与核心土的理念相似，是将掌子面方法二：对掌子面进行预加固，预留核心土，见做成斜坡以提供约束力，通过土体被动土压力以及图６ａ；与底面的摩擦力共同维持掌子面稳定。根据图４的方法三：对掌子面进行预加固，全断面开挖，见结论，为了限制掌子面的挤出变形，掌子面约束力图６ｂ。不能低于临界值。倾斜掌子面通过改变倾斜面的对于掌子面采取预加固措施的长度为１６ｍ，模斜率，调整倾斜部分土体的体积，确保被动土压力型参数见表１，掌子面预加固示意如图６。１４铁道建篱技术ＲＡ『Ｌ¨，Ａｙｃ０ＮＳ丁尺ＵＣ丁『０～丁Ｅ－ｃＨＮＯＬｏＧｙ２０７７ｒＴＤＪ万方数据・科技研究・表１模型计算参数容重／（ｋＮ・ｍ一３）弹性模量／Ｐａ摩擦角／（ｏ）泊松比黏聚力／Ｐａ本构关系黄土２０１．５Ｅ＋８２６Ｏ．３２Ｅ＋４Ｍ．Ｃ切槽结束后预衬砌２５１．４Ｅ＋ｌＯＯ．２弹性超前加固土体２５４．５Ｅ＋８２６０．３６Ｅ＋４—ＭＣａ．预留核心土断面预加固ｂ．全断面预加固图６掌子面预加固示意利用有限差分软件ＦＬＡＣ３０建立模型，模型隧道长度４０ｍ，在ｌ，＝１６ｍ处，研究三种不同的加固方法对隧道洞周变形以及预衬砌受力的影响，计算模型如图７所示。ｒ１７：ｉ对砌示意ｈ预留核心土示意图７计算模型示意３．２．１洞周变形对比分析对于同一断面来说，隧道开挖必然会引起拱顶沉降及水平收敛，且隧道变形阶段性明显，存在超前变形阶段、变形急剧增大阶段以及缓慢变形３个阶段¨０｜。取ｙ＝１６ｍ断面为研究断面，将不同的加固方式引起的围岩变形（包括拱顶沉降、墙脚水平收敛和底部隆起）值进行对比分析，结果如图８～图１０。分析图８～图１０可以发现：（１）对掌子面进行预加固的方法二和方法三较未加固的方法一，开挖引起的拱顶沉降值更小，并且断面水平收敛和底部隆起的位移值也有不同程度的降低。（２）根据图８可以得出，基于开挖方法一、二，对掌子面进行预加固可以降低拱顶沉降；分析加固方法二、三，掌子面预加固的范围越大，拱顶沉降越小。因铁道建筑技术ＲＡ『ＬＷＡｙＣＯ＾ｆＳ丁ＲＬ，Ｃ丁ＪＯ～丁ＥＣＨＮＯＬＯＧｙ此，掌子面预加固可有效控制软弱围岩变形，并且预加固的范围越大，控制围岩变形效果越好。距研究断面距离／ｍ——１６一１２８—４０４８１２１６２０２４２８３２Ｎ’—Ｉ一方法二ｌ’—１一方法三ｌ‰量一３０姜一３５害一４０菩＿４５图８研究断面拱顶沉降曲线Ｅ２董ｌ｛◆ｌ委１：军１：苌。—。ｅ：一彭距研究断面距离／ｍ图９研究断面拱脚收敛曲线量薰圣磊《５０钐豢１０≤≥．ｑ岁。——一１６１２８—４Ｏ４８１２１６２０２４２８３２距研究断面距离／ｍ图１０研究断面底部隆起曲线３．２．２预衬砌应力对比分析在研究断面ｙ＝１６ｍ处，不同的加固方式对预衬砌的受力影响如图１１～图１３。２Ｄ了７ｆＴＯＪ１５万方数据・科技研究・图１１方法一预衬砌应力图（单位：ＭＰａ）图１２方法二预衬砌应力图（单位：ＭＰａ）图１３方法三预衬砌应力图（单位：ＭＰａ）分析图１１一图１３的结果可以发现：（１）预衬砌（方法一、二、三）的最大压应力值依次为８．７１ＭＰａ、８．９５ＭＰａ和８．９１ＭＰａ，均发生在预衬砌拱肩处，而且压应力最值比较接近。（２）掌子面前方的土体不进行预加固时，预衬砌的最大拉应力值为１．８５ＭＰａ，位于拱顶处；对于方法二开挖隧道时，预衬砌的最大拉应力达到１．０３ＭＰａ，而方法三则达到了１．２４ＭＰａ，但二者的最值均出现在预衬砌的拱脚处，且都在允许的范围内。因此，预加固掌子面可以降低预衬砌的拉应力，充分发挥预衬砌的支护作用。结合预切槽法施工的特点，为加快施工进度宜采用全断面预加固的方式。４结论本文从新意法的概念出发，阐述了软弱围岩隧道的变形特征，对软弱围岩隧道掌子面的稳定性进行分析，由破坏机理提出稳定措施，并结合预切槽技术开挖黄土隧道试验段实例，通过数值模拟分析三种开挖方法对预衬砌受力和变形的影响，最终得出以下结论：１６铁道建筑技术（１）若掌子面开挖后二次分布的应力超过其自身强度，挤出变形超过一定量值，掌子面会发生失稳破—坏。存在个临界值，当掌子面支护力小于临界值时，挤出变形会加速发展，此时若不加强支护会导致掌子面失稳。在实际工程中，应采取合适的支护措施。（２）掌子面预加固能有效控制软弱围岩变形，并且预加固的范围越大，控制围岩变形效果越好。（３）预加固掌子面对预衬砌的压应力影响不大，但可以有效降低预衬砌的拉应力。由于混凝土的抗压强度显著高于抗拉强度，因此预加固掌子面可以充分发挥预衬砌的支护作用。（４）综和考虑计算得到的预衬砌应力及变形情况，考虑实际工程中预切槽法结合大断面机械开挖的情形，为加快施工进度，建议采用全断面预加固的方式。参考文献［１］关宝树，赵勇．软弱围岩隧道施工技术［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２０１１．［２］赵香萍．大断面软弱围岩隧道合理开挖方法研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１５（７）：１６一１９．［３］翟锐超．软弱围岩隧道帷幕注浆施工技术［Ｊ］．铁道建—筑技术，２０１５（３）：１４．［４］李鹏飞，赵勇，刘建友．隧道软弱围岩变形特征与控制—方法［Ｊ］．中国铁道科学，２０１４（５）：５５６１．［５］关宝树．软弱围岩隧道变形及其控制技术［Ｊ］．隧道建设，２０１ｌ（１）：１一１７．［６］王霆，刘维宁．预切槽技术［Ｃ］．北京：中国土木工程学会第十一届、隧道及地下工程分会第十三届年会论文集，２００４．［７］孙兵，王秀英，谭忠盛．中心轴式预切槽机械在大断面黄土隧道中的应用试验［Ｊ］．铁道标准设计，２０１６—（５）：７４７８．［８］王秀英，张缄，吕和林，等．机械预切槽法开挖软土隧道地层变形研究［Ｊ］．岩土力学，２００５（１）：１４０一１４４．［９］翟进营，唐静．新意法在法国里昂一马赛高速铁路Ｔａｎａｉｇｕｉｌｌｅ隧道建设中的应用［Ｊ］．隧道建设，２００９—（２）：２０８２１５．［１０］张召．预切槽法开挖黄土隧道地层变形规律及掌子面稳定性研究［Ｄ］北京：北京交通大学，２０１４．［１１］师晓权．软弱围岩隧道掌子面稳定性控制及预加固技术研究［Ｄ］．成都：西南交通大学，２０１２．［１２］李奎，高波，夏志强．地铁隧道施工引起地层位移空间—特征研究［Ｊ］．路基工程，２００８（４）：５７．ＲＡｌＬＷＡＹｃｏＮｓＴＲＵＣＴｌｏＮＴＥｃＨＮｏＬｏＧＹ２０钾（１０）万方数据