超小净距大断面隧道原位扩挖CD工法应力变形特性研究.pdf

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超小净距大断面隧道原位扩挖CD工法应力变形特性研究1 超小净距大断面隧道原位扩挖CD工法应力变形特性研究2 超小净距大断面隧道原位扩挖CD工法应力变形特性研究3 超小净距大断面隧道原位扩挖CD工法应力变形特性研究4 超小净距大断面隧道原位扩挖CD工法应力变形特性研究5
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文章编号:10094539(2017)02005804·隧道/地下工程·收稿日期:20161130基金项目:福建省自然科学基金计划资助项目(2014J01197)作者简介:郑宏利(1977-),男,高级工程师,主要从事隧道工程方面工作。超小净距大断面隧道原位扩挖CD工法应力变形特性研究郑宏利(中铁十六局集团第四工程有限公司北京101400)摘要:如何确保隧道原位扩挖安全是隧道施工中面临的新课题。结合大帽山隧道的工程实践,通过围岩内部周边收敛、拱顶沉降、初衬与二衬间应力、钢支撑应力、围岩压应力的现场监控量测工作,研究复杂地质条件下原位扩挖CD工法施工形成大断面小净距隧道时围岩及支护的应力变形特性;祎明CD工法开挖时围岩内部周边收敛的变化趋势、特点及位移场,相邻导洞施工时的相互影响,围岩与支护间的相互调整变形机制。研究成果可为类似隧道工程的设计、施工、监测和进一步的研究提供参考和借鉴。关键词:大断面隧道扩挖CD工法应力监测变形监测中图分类号:U452.1;TU43文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1009-4539.2017.02.014StudyonStressDeformationCharacteristicsofEnlargingTunnelwithLargeCross-sectionandSuper-smallClearDistanceatInitialConstructionStagebyCDMethodZhengHongli(ChinaRailway16thBureauGroupFourthEngineeringCo.Ltd.,Beijing101400,China)Abstract:Howtoensurethesafetyofenlargingtunnelattheinitialconstructionstageisanewtopicintunnelconstruction.BasedontheengineeringpracticeoftheDamaoshanTunnel,thispaperinvestigatedthein-situmonitoringbythesurround-ingconvergence,thevaultsettlement,thestressbetweentheprimaryliningandthesecondarylining,thesteelsupportingstressandthesurroundingrockcompressivestress.Then,itstudiedthestressanddeformationcharacteristicsofsurround-ingrockandsupportinlargecross-sectionandclose-spacedtunnelsconstructedbyCDexcavation.Thechangetrend,char-acteristicsanddisplacementfieldofthesurroundingrockduringexcavationwithCDmethod,mutualinfluenceofadjacentguideholeconstruction,mutualadjustmentanddeformationmechanismbetweensurroundingrockandsupportwereexpoun-ded.Theresearchresultscouldprovidesomereferencesforthedesign,construction,monitoringandfurtherresearchofsimilartunnelengineering.Keywords:tunnelwithlargecross-section;expansion;CDconstructionmethod;stressmonitoring;deformationmonito-ring1引言目前,新奥法是隧道施工的主要方法,特大断面隧道在掘进施工过程中必然发生收敛变形,掌握隧道在开挖过程中的收敛变形规律对及时预见事故和监控险情,并为调整和修改支护设计参数等提供重要依据。随着隧道断面的增大,其变形规律愈显复杂。尤其是对于特大断面(四车道)小净距公路隧道来说,由于其扁平率超过规范规定,施工工序转换复杂,围岩受力复杂,且多次爆破对围岩造成多次扰动损伤。因此,研究其变形规律及扰动损伤影响具有重要的理论与实际意义。近年来国内出现较多对既有高速公路隧道进行改扩建的工程,如沈大高速韩家岭隧道[1]等。扩建隧道的受力模式不同于半无限体或无限85铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(02)万方数据·隧道/地下工程·体中修建隧道的一般情况,围岩应力场受既有隧道的影响已发生多次扰动,扩挖大断面隧道的分步开挖将对其再次进行扰动,围岩多次发生扰动叠加,使其强度变低[2-3]、完整性和自稳能力变差[4-6]。扰动围岩中扩挖隧道的施工遭遇较大的困难,一般表现为围岩稳定性变差,损伤破坏严重,围岩变形和支护结构受力过大。由于扩挖隧道规模大小、地质条件、新旧之间的位置关系、既有隧道安全程度和新建隧道施工方法等不同,导致其影响程度也不同,其间各种受力机制及相互作用极其复杂[7-8]。因此,对监控量测数据进行分析[9-10],及时反馈隧道围岩及衬砌变形情况,并以此指导施工,是一种“行之有效的手段。曹树强等合理运用四台阶九步”开挖法控制了施工大变形,确保施工安全;与CD、CRD施工法相比,节省了部分临时支护工程量[11]。崔生金等研究在浅埋砂层大断面隧道暗挖二衬施工中,因无法使用爆破整体施工,须借助临时支撑将大断面分段分部位施工,在二衬施工前再将临时支撑拆除[12]。张国华等分析探讨了大帽山隧道围岩与支护结构间的相互调整变形机制[13],本文着重通过对大帽山隧道监测数据的挖掘分析,并与广州龙头山新建大断面隧道进行施工力学和位移性态的对比研究,揭示隧道CD工法扩挖形成超小净距大断面这一复杂形式时各工序进行过程中围岩变形以及应力的变化规律。2工程背景沈海高速公路泉厦段大帽山隧道,距离厦门市区近8km。隧道扩建方案为:在原两车道既有隧道之间新建一座四车道隧道,并将右侧双车道隧道原位扩建为四车道隧道。图1标示出既有两车道隧道与新建、原位扩建四车道隧道位置关系。从图中可以看出,扩建后的隧道为国内规模最大的双向四车道隧道,与新建、扩建与既有隧道之间的位置关系又构成了国内罕见的超小净距大断面隧道。其施工难点可以总结如下:(1)国内基本无可类比的工程,设计和施工经验少;(2)《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)中部分条款不适用本隧道的设计;(3)左线新建隧道与右线扩建隧道洞轴线间距为29.61m,两隧道中间岩核净宽8.83m,仅有隧道开挖宽度的0.4倍属特小净距隧道;(4)隧道在Ⅴ级围岩中开挖跨度达22m,扁平率约为0.626,隧道最大开挖断面近250m2,属软弱围岩中大断面扁平隧道;(5)临近既有运行两车道隧道作业,施工安全风险高;(6)地处厦门同安、集美区,承担泉厦漳高速运行,改扩建施工工期短。图1大帽山隧道洞室位置关系(单位:cm)3扩挖隧道围岩应力、变形规律大帽山隧道施工对围岩的监控量测共进行项目有:周边收敛、拱顶下沉、初衬与二衬间接触应力、钢支撑累积应力和围岩压应力等。通过对监测数据深入挖掘和相关隧道[14]的对比分析,可以得到扩挖隧道围岩应力、变形规律如下。3.1周边收敛和拱顶下沉大帽山扩挖隧道出口典型断面,一般扩挖施工———顺序为左上右上右下左下,随施工步序产生的周边收敛和拱顶下沉如图2所示。(1)大帽山扩挖隧道断面,GC、GD一直收缩,且随施工步序的进行而逐渐增大,CD则随着施工步序的进行而由收缩转变为伸长。(2)GC的收缩量大于GD,GD的长度变化量又大于CD的,故仍是靠近右导洞(扩挖侧)的测线变化量更大。(3)GC是在扩挖右导洞时长度变化量最大,CD则是在扩挖右导洞时进行了伸长缩短的转变,GD则是在右下导洞开挖时长度变化量最大,故在扩挖侧施工时,洞周发生较大位移变化。(4)拱顶下沉是在上导洞开挖时变化较大,下导洞开挖时对其基本没有影响。图2随施工步序产生的周边收敛和拱顶下沉(单位:mm)3.2初衬与二衬间接触应力大帽山扩挖隧道随施工步序产生的接触应力如图3所示,而相对应的龙头山右导洞开挖后接触应力如图4所示。95铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(02)万方数据·隧道/地下工程·(1)原位扩挖四车道断面隧道的拱顶处压应力比45°处接触压应力值要大,而右导洞(扩挖侧)45°处接触压应力值又要比左导洞(原隧道侧)45°处接触压应力值大。(2)原位扩挖四车道断面隧道的拱顶处和45°处接触压力均为压应力,且随着施工步序的进行,无压应力值的变换过程,而是压应力一直随着步序的进行而逐渐变大,这和新挖四车道断面隧道的右导洞(后开挖侧)相同;相应地,新挖四车道断面隧道的拱顶处和拱腰处虽一直为压应力,但每到左右施工工序变换时,左导洞(先开挖侧)45°处的接触压力总有一次的拉压应力变换,而上下施工工序的转变,却不会产生45°处的接触压力的拉压应力变换。(3)最终分布情况是:原位扩挖四车道断面隧道的拱顶处和45°处接触压力均为压应力,且几近成正对称;而新挖四车道断面隧道左导洞以压应力为主,右导洞以拉应力为主,几近成反对称。(4)原位扩挖四车道断面隧道的最大值发生在拱顶处,最终稳定于压应力0.1704MPa,次最大值发生在右导洞(扩挖侧)45°处,最终稳定于压应力0.0592MPa;新挖四车道断面隧道的最大值发生在右导洞(后开挖侧)45°处,最终稳定于压应力0.0281MPa。因此,原位扩挖四车道断面隧道虽然比新挖四车道断面隧道的最终接触应力值大,但其先开挖侧45°处的接触拉压应力随施工步序的转换却没有新挖四车道断面隧道的大。图3随施工步序产生的接触应力(单位:MPa)图4龙头山右导洞开挖后接触应力(单位:MPa)3.3钢支撑累积应力大帽山扩挖隧道随施工步序产生的钢支撑累积应力如图5所示,相对应的龙头山开挖后支撑累积应力如图6所示。图5随施工步序产生的钢支撑累积应力(单位:MPa)图6龙头山开挖后支撑累积应力(单位:MPa)大帽山隧道存在明显的偏压,可能是地形地貌的原因,部分地面出现明显的倾斜,围岩节理发育且形状发生倾斜,围岩间存在软弱结构面和滑动面等,在一定程度上弱化了围岩自身的自稳能力。在施工过程中一旦受到扰动,将会导致岩体沿着层理面发生滑动。(1)大体上大帽山隧道断面,钢支撑应力在拱顶处、45°处和竖撑成领带状,即两侧导洞的45°处钢支撑应力值均比拱顶处的要大,且亦比竖撑的钢支撑应力值大。同时,从钢支撑的应力图可以看出,大帽山隧道断面有明显的偏压现象,右导洞(扩挖侧)45°处钢支撑应力值要比左导洞(原隧道侧)45°处钢支撑应力值大。(2)大帽山隧道断面的钢支撑应力随着扩挖步序的进行,拱顶钢支撑应力逐渐由拉应力变为压应力,而两侧导洞的45°处钢支撑应力值和竖撑应力值则一直为压应力,且一直在变大。06铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(02)万方数据·隧道/地下工程·(3)最终分布情况是:原位扩挖四车道断面隧道的钢支撑应力大体上成正对称;而新挖四车道断面隧道则不然,左右导洞仍以压应力为主,左右拱腰处数值相当,但右导洞45°处钢支撑为拉应力,且数值上比左导洞的压应力小。(4)原位扩挖四车道断面隧道的最大值发生在右导洞(扩挖侧)45°处,最终稳定于压应力162.8631MPa,次最大值发生在左导洞(原隧道侧)45°处,最终稳定于压应力36.094MPa;新挖四车道断面隧道的最大值发生在左导洞(先开挖侧)拱腰处,最终稳定于压应力22.9398MPa。因此,原位扩挖四车道断面隧道虽然比新挖四车道断面隧道的钢支撑应力值大,但其后开挖侧45°处的钢支撑应力随施工步序的转换却没有新挖四车道断面隧道的大。4围岩压应力大帽山扩挖隧道随施工步序产生的初衬累积应力如图7所示。图7随施工步序产生的初衬累积应力(单位:MPa)(1)大帽山隧道断面围岩压应力的拱顶45°处成领结状,左导洞(原隧道侧)45°处压应力比拱顶处的要大,拱顶处的压应力又比右导洞(扩挖侧)45°处的要大,但均不超过10MPa。(2)拱顶处、两侧45°处的初衬喷射混凝土应力均且一直为压应力,无随施工步序而拉压应力的转换。(3)大帽山扩挖隧道断面,围岩压应力和钢支撑应力相比,虽然最终都稳定于压应力,但明显钢支撑应力比围岩压应力要大,且左右侧导洞的应力相比,左导洞(原隧道侧)围岩压应力比右导洞(扩挖侧)大,而钢支撑应力则正好相反。5结论本文通过将大断面扩挖隧道(大帽山扩挖四车道隧道)与新建隧道(广州龙头山隧道)进行了施工力学和位移性态的对比研究,得出如下结论:(1)扩挖隧道是在已有隧道基础上进行扩挖,故已有隧道在刚开始新挖时已经对原有围岩进行了扰动,再进行扩挖则是在二次扰动围岩的基础上进行三次扰动。即二次扰动过的围岩已经是比原岩松散度更高的围岩。所以初次扰动时会有频繁的拉压应力的转变过程,而扩挖时却会有较大的应力值。(2)施工工法的不同,新挖四车道采用中间核心土的施工方法,此法对围岩的扰动比大帽山CD法对围岩的扰动小。(3)对大帽山隧道而言,右导洞属于扩挖侧,故对围岩的扰动比左导洞(原有隧洞侧)要大,右导洞接触应力比左导洞接触应力大。(4)原位扩挖四车道隧道断面钢支撑应力的最大值比常规隧道断面的应力要大。(5)就大帽山隧道而言,右导洞是扩挖侧,因此,右导洞的围岩扰动比左导洞的要大。为获得更具有一般普遍意义的规律,今后将积累更多工程实例数据,并开展进一步的深入分析比较。参考文献[1]陈耕野,刘斌,万明富,等.韩家岭大跨度公路隧道应力监测分析[J].岩石力学与工程学报,2009,28(12):2510-2519.[2]杨永波,刘明贵,张国华,等.邻近既有隧道的新建大断面隧道施工参数优化分析[J].岩土力学,2010,31(4):1217-1226.[3]周丁恒,曹力桥,曲海锋,等.不同围岩情况下特大断面公路隧道施工变形监测与控制[J].岩石力学与工程学报,2009,28(12):2510-2519.[4]吴梦军,黄伦海.四车道公路隧道动态施工力学研究[J].岩石力学与工程学报,2006,25(S1):3057-3062.(下转第81页)16铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(02)万方数据·隧道/地下工程·6结论本工程3个地下车站,共计20组单开道岔(其中18号16组、12号4组)及一组交叉渡线的道岔组件均通过竖井口运输到铺设工点。吊运过程中,没有发生任何安全事故,道岔组件没有因运输发生伤损、超标变形等现象。实践证明,所研发的吊运装置和方法新颖、实用,应用效果良好。(1)道岔组件吊运工装集吊、运功能于一体,功能实用,保证了道岔部件不变形,作为临时施工结构,主要由H型钢等常用型钢焊接而成,制造简单,成本低,可回收再利用。(2)采用牵引机构连挂牵引车配合起重机精确控制吊运架进洞姿态,最大限度适应小尺寸竖井口道岔组件的运送,而且确保了施工的安全。(3)相比从隧道口运入[12],该吊运技术可显著减少运输距离,物流成本大大降低;可以在区间线路铺轨前将道岔组件运送到工点实现道岔预铺,施工方案简化,效率显著提高。参考文献[1]庹军,秦飞,张晓星.客运专线路基段42号板式无砟道岔运输及组装方案[J].铁道建筑技术,2012(3):101-104.[2]中华人民共和国铁道部.铁建设[2010]241号高速铁路轨道工程施工技术指南[S].北京:人民铁道出版社,2011:113-115.[3]刚金聚,张文廷.北京地铁浅埋暗挖竖井提升系统和井架、栈桥的设计[J].隧道建设,1994(1):1-13.[4]中铁宝桥集团有限公司.高速铁路无砟轨道维修技术—的深化研究客运专线用60kg/m钢轨12号无砟道—岔及配套交叉渡线60kg/m钢轨12号无砟道岔及5m间距交叉渡线铺设及维护手册[R].宝鸡:中铁宝桥集团有限公司,2015:1-10.[5]张军林.武广铁路客运专线长枕埋入式无砟道岔施工技术[J].铁道标准设计,2010(1):90-93,104.[6]中冶建筑研究总院有限公司.GB50661-2011钢结构焊接规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011:11-26.[7]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社,2007:378-384.[8]北京钢铁设计研究总院.GB50017-2003钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003:20-23.[9]陈吉杉.垂直吊装中动载系数的取值分析[J].安装,2005(3):28-29,37.[10]戴杰.吊车吊装附加载荷及载荷系数[J].石化技术,1996(3):188-192.[11]建设部长沙建设机械研究院.JB/T9738-2000汽车起重机和轮胎起重机技术要求[S].北京:机械工业出版社,2000:2-3.[12]高静华.隧道内多组大号码高速无砟道岔施工技术[J].铁道建筑,2013(12):檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪125-128.(上接第61页)[5]林从谋,陈礼彪,蒋丽丽,等.高速公路扩建大断面特小净距隧道爆破稳定控制技术研究[J].岩石力学与工程学报,2010,29(7):1371-1378.[6]谭忠盛,喻渝,王明年,等.大断面深埋黄土隧道锚杆作用效果的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(8):1618-1625.[7]夏才初,龚建伍,唐颖,等.大断面小净距公路隧道现场监测分析研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(1):44-50.[8]万明富,海洪,刘剑平,等.大跨度隧道开挖围岩变形稳定监测与主动控制[J].重庆大学学报:自然科学版,2006,29(7):149-151.[9]李宁,陈蕴生,陈方方.地下洞室围岩稳定性评判方法新探讨[J].岩石力学与工程学报,2007,25(9):1941-1944.[10]袁勇,王胜辉,杜国平,等.双连拱隧道支护体系现场监测试验研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(3):480-485.[11]曹树强.三线大跨铁路隧道四台阶九步开挖法施工技术研究[J].铁道建筑技术,2016,275(9):1-4.[12]崔生金.浅埋砂层大断面暗挖隧道临时支护拆除研究[J].铁道建筑技术,2016,275(9):29-33.[13]张国华,陈礼彪,钱师雄,等.大断面小净距大帽山隧道现场监控量测及分析[J].岩土力学,2010,31(2):489-496.[14]周丁恒,曹力桥,马永峰,等.四车道特大断面大跨度隧道施工中支护体系力学性态研究[J].岩石力学与工程学报,2010,29(1):140-148.18铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(02)万方数据
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