Optimization study on construction step of shallow buried highway and small spacing tunnel

Civil Engineering and Technology September 2014, Volume 3, Issue 3, PP.46-51

Optimization Study on Construction Step of Shallow Buried Highway and Small Spacing Tunnel Xiaoping Guo#, Fengxia Yin 1. Weinan Zhengmao Blasting Engineering Co. Ltd., Weinan City, Shaanxi Province, 714000 2. Tianjin Zhongtian Jiayue Engineering Design Co. Ltd., Tianjin, Hebei District, 300000 #

Email: zclky78@163.com

Abstract Zhonghecun tunnel design for dual three lane tunnel, single tunnel width 5m,height 16.5m, left, right tunnel is 12M, in the process of excavation using 3 step excavation, overlying rock is weathered mudstone to sandstone, rock cover thickness is about 12M, the integrity and stability of rock mass difference. In the process of hole digging, the parallel construction, construction caused the deformation and failure surface, cracks between left and right images tunnel rock wall produced a parallel to the tunnel axis direction, in order to ensure the smooth excavation tunnel. Need to step on tunnel around the amplitude distance optimization. The three-dimensional finite element of three kinds of different construction step away from the stress and displacement of numerical simulation, the simulation results show that: with the increasing construction step, the surface deformation and decreases linearly, the construction step distance of 0, 10, 20 and 30m, the crown settlement are 90mm 30mm, 50mm, and 27mm. When the construction step is larger than 20m, less influence of construction of adjacent tunnel. Through on-site adjustment, determine the construction step distance is 20m, the height is within 30mm, which can ensure the safety of the tunnel construction, the mechanical parameters of rock mass are determined by comprehensive, three-dimensional finite element for the tunnel excavation step numerical simulation to optimize the tunnel construction step, and this method is effective and feasible.

Keywords: Tunnel Excavation; Finite Element; Construction Step Optimization

浅埋小间距公路隧道施工步距优化研究 郭小平 1，殷凤霞 2 1.渭南正茂工程爆破有限公司，陕西 渭南 714000 2.天津市中天嘉业工程勘察设计有限公司，天津 河北区 300000 摘

要：中和村隧道设计为双幅三车道隧道，单幅隧道净高 5m，净宽 16.4m，左、右幅隧道净距为 12m，在施工开挖过

程采用 3 台阶开挖，上覆围岩为全～强风化泥岩夹砂岩，岩体覆盖层厚度约为 12m，岩体的完整性和稳定性差。在进洞 开挖过程中，采用平行施工，施工引起了地表的变形和破坏，左右幅隧道之间的岩璧产生了一条平行隧道轴线方向的裂 缝，为保证隧道顺利开挖，需要对隧道左右幅的施工步距进行优化。采用三维有限元对三种不同的施工步距的应力和位 移进行数值模拟，模拟计算结果表明：随着施工步距的增加，洞内的和地表的变形呈线性减小，施工步距为 0、10、20 和 30m 时，其顶拱的沉降分别为 90mm、50mm、30mm 和 27mm。当施工步距大于 20m，隧道相邻施工的影响较小。通 过现场调整，确定施工步距为 20m，其沉降高度在 30mm 以内，能够保证隧道的安全施工，说明通过综合确定岩体力学 参数，采用三维有限元对隧道开挖施工步距数值模拟计算来优化隧道施工步距，这种方法不仅有效而且可行。 关键词：隧道开挖；有限元；施工步距优化 - 46 http://www.ivypub.org/cet

1 引言 上覆岩体移动控制是隧道施工过程中最为关键的问题，控制不好会导致重大的安全事故。尤其是在浅埋、 小间距、大断面此类复杂隧道施工过程中，上覆岩体移动的控制既是重点也是难点。虽然我国也建成了一些 复杂、施工难度大的隧道，但和欧美国家相比，我国在复杂隧道的设计、施工及其上覆岩体移动控制研究等 许多方面还相对欠缺，存在着很大的差距。埋深较浅的隧道，上覆岩体大多风化严重、较松散，加之不良地 质灾害体以及其它地质因素影响，隧道上覆岩体移动的控制难度很大，稍有不慎就会发生安全事故。间距较 小的隧道左右幅施工会产生相互扰动和叠加变形，中间岩柱受力复杂。大断面隧道一次开挖量太大，上覆岩 体会急剧下沉不易控制，一次开挖量太小，步骤过于复杂，对上覆岩体扰动次数太多，也不利用隧道稳定且 会延缓施工速度而增加投资。当浅埋、小间距、大断面因素同时出现时，隧道施工过程中上覆岩体移动的控 制就更加不易[1]。 因此，研究浅埋、小间距、大断面开挖引起隧道上覆岩体移动特性，对增加此类复杂隧道的施工安全系 数、提高施工速度和节约工期有着重要的工程实践意义。

2 工程概况及施工方法 2.1 工程概况 大理海东山地新城中心片区市政道路工程项目位于云南省滇西中部的大理市东部，洱海东岸，是大理州 政府为切实保护海西、保护洱海、保护耕地、加快海东山地城市开发建设、加大海东低丘缓坡未利用地的开 发和有效拓展城市发展空间而建设的一个大型项目。 中和村隧道位于大理海东山地新城中心片区览川路。览川路是保障海东片区南北向的一条快速通道，是 连接大丽高速海东互通与下关片区的快捷通道之一，是海东片区最重要的城市主干道。 隧道右幅起止里程 YK0+765～YK1+755， 全长 990m。右幅进口设计高程 2008m，出口设计高程 2007.33m， 最大埋深约 113m。隧道左幅起止里程 ZK0+770～ZK1+740，全长 970m。左幅进口设计高程 2015.m，出口设 高程 2014.06m，最大埋深约 123m。隧道全线按双向三车道一级公路标准进行设计，设计车速 60km/h；主洞 有效净宽 16.40m，有效净高 5m。左右幅间距为 10～20m。中和村隧道进口进口隧道左、右幅现场关系示意 见图 1。

图 1 中和村进口隧道左、右幅现场关系示意图

2.2 开挖方法 根据现场调查和结合现场实际，中和村隧道采用 3 台阶开挖方法，施工步距有 4 种方案，分别为： 方案Ⅰ：平行施工，左右幅隧道同时开挖，平行作业，在轴线方向上在同一水平作业面。 方案Ⅱ：左右幅隧道在开挖过程中，左幅隧道在施工空间上超前右幅隧道 10m。 方案Ⅲ：左右幅隧道在开挖过程中，左幅隧道在施工空间上超前右幅隧道 20m。 方案 IV：左右幅隧道在开挖过程中，左幅隧道在施工空间上超前右幅隧道 30m。

3 模型的求解和计算 3.1 隧道开挖的模拟方法 - 47 http://www.ivypub.org/cet

隧道开挖的岩体卸荷相当于在初始应力作用下的岩体中施加一个反向拉应力[2-4]，因此在数值模拟分析中 可以将岩体卸荷前的应力状态视为初始应力状态，卸荷应力看作是作用在同样岩体上的一种拉应力，其最大 拉应力值为  0  Rt （  0  Rt 称为岩体的等效抗拉强度）。这样，卸荷问题就分解为两步：即由卸荷应力、应 变场和卸荷前的应力、应变场相叠加。图 2 所示，具体的计算过程如下：



  



图 2 卸荷应力分解图

（1）计算初始应力作用下岩体的应力场  0 和位移场 u0 ； （2）计算卸荷应力  作用下岩体的应力场  1 和位移场 u1 ；

（3）将应力进行叠加，得到卸荷量  的应力场  1 和位移场 u1 。即：

 1   0   1  u1  u1

（1）

（4）当进行第 i 次卸荷计算时，计算出第 i 次卸荷时岩体的应力场  i ； （5）与第 i  1 次的应力场  i 1 和 位移场 ui 1 进行叠加，计算出第 i 次卸荷时的应力场  i 和位移场 ui 。即：

 i   i 1   i  ui  ui 1  ui

（2）

3.2 隧道的力学模型 开挖卸荷模拟采用弹塑性模型，所选用的屈服准则为 Drucker-Prager 准则[5-9]。它能解释岩石材料在中间 主应力作用下、岩石在高围压和静水压力作用下的屈服破坏现象。它是在 Coulomb-Mohr 准则和 Mises 屈服 准则意义上推广而得，能很好的模拟岩石的破坏强度特性，屈服准则表达式如下：

f   I1  J 2  K  0 式中，  

（3）

2sin  6C cos  ，K  。 3(3  sin  ) 3(3  sin  )

C，  分别表示岩石材料的黏结力和内摩擦角。当材料进入塑性破坏后，其应力、应变关系由塑性理论 中的增量法求解。若材料的抗拉强度很低，在对岩石进行受拉分析时，采用抗拉模型来分析，其受拉破坏条 件可表示为： （1）初次拉破坏前： （2）初次拉破坏后： 式中，  i 为任一主应力分量； R

F   i  Rt'  0 （ i  1, 2,3 ）

（4）

F   i  0 （ i  1, 2,3 ）

（5）

' t 为等效岩体抗拉强度，取

R   0  Rt ，  0 为岩体初始应力， Rt 为岩体抗 ' t

拉强度。按（5）式计算时，相当于考虑岩体受拉破坏后的“软化”作用，主应力与主应变为非线性关系， 可表示为：

d   Dept d  - 48 http://www.ivypub.org/cet

（6）

式中， Dep  为拉裂弹塑性矩阵，它可以根据受拉破坏条件和弹塑性矩阵确定。岩体单元拉裂后，原来作用 t

在其上的一部分应力转移到附近的单元上，使周围的单元应力得到调整，知道满足（5）式的条件为止。

3.3 岩体力学参数的取值 岩体是由岩块和结构面共同组成的有机复合体，由于岩体本身性质的差异和受力条件的不同，岩体破坏 可以分为脆性破坏和塑性破坏两种形式，但其强度特征严格受到岩块和结构面强度、岩体结构等因素控制。 由于岩体赋存环境的变异性，不能期望得到岩体参数的精确值，通过对岩体宏观特性的统计分析、取样、岩 石室内力学试验和经验折减来确定岩体的力学参数，计算模拟中所采用的计算参数见表 1。在模型计算中体 积模量 K、剪切模量 G 与弹性模量 E、泊松比  之间的换算关系见式 7～8。 E K 3(1  2 )

G

（7）

E 2(1   )

（8）

表 1 岩体力学参数表 材料类型

粘聚力

内摩擦角

重度

弹性模量

泊松比

抗拉强度

泥岩夹砂岩

0.18

29

1790

1400

0.39

0.08

喷射混凝土

1.98

50

2200

2200

0.20

1.20

围岩加固圈

0.80

31

1960

1900

0.29

0.25

3.4 模型的建立和计算 考虑到模型边界影响， 模型上取至地面， 下取至隧道底部 3 倍洞跨处，隧道埋深 20m， 模型竖向高共 82.5m。 隧道左右幅外边界取 3 倍洞跨，双洞间距为 12m，水平向宽度共 148m。依据锚杆长度和注浆范围综合考虑， 锚杆加固区范围为 3.2m。将初期支护内钢架和钢筋格栅等效为相应厚度的喷射混凝土，取初期支护厚度为 0.3m。施工以 10m 一个循环，整个模型纵向长度为 60m。左右隧道分别采用 0m、10m、20m、30m 四种施工 间距进行开挖，开挖结束后，左右洞全部贯通。根据圣维南原理，该模型侧面为位移边界，限制水平移动； 底部为固定边界，限制水平移动和垂直移动；模型上表面为地表，取为自由边界。模型采用理想弹塑性模型， 屈服准则采用 Drucker-Prager 强度准则；设置开挖部分岩土体材料模型为空模型。模型尺寸见图 3，数值模型

20

模型尺寸图 效果图见图 4，不同施工间距的竖向位移等值线图见图 5~8。

12

初期支护

148

图 3 数值模型尺寸图 - 49 http://www.ivypub.org/cet

82.5

51

51

51

锚杆加固圈

FLAC3D 3.00 Settings: Model Perspective 13:44:10 Fri Mar 21 2014 Center: X: 0.000e+000 Y: 3.000e+001 Z: -1.350e+001 Dist: 4.392e+002

Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 30.000 Mag.: 1 Ang.: 22.500

Z

Block Group 7

左隧道5 左隧道3 左隧道4 左隧道2 左隧道1 右隧道5 右隧道3 右隧道4 右隧道2 右隧道1

X

Y

Axes Linestyle

图 4 数值模型效果图 Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, MN USA

图 5 施工间距为 0m 竖向位移等值线图

图 7 施工间距为 20m 竖向位移等值线图

图 6 施工间距为 10m 竖向位移等值线图

图 8 施工间距为 30m 竖向位移等值线图

图 9 施工间距—拱顶累计沉降量关系曲线图

4 模拟结果分析 - 50 http://www.ivypub.org/cet

图 10 施工间距—上覆岩体沉降曲线图

在计算结果中，应力以压为正、拉为负，单位 Mpa；沿 x 轴、y 轴和 z 轴的位移正负号与坐标轴方向一 致，通过对 4 个方案进行模拟，不同施工间距引起隧洞的拱顶沉降和上覆岩体的沉降关系曲线图见图 9 和图 10，模拟结果如下： （1）隧道在不同间距下施工，引起上覆岩体竖向移动最大处都发生在左右幅拱顶，上覆岩体竖向移动 区域都发生在隧道左幅左边墙至右幅右边墙正上方直至地表的区域。隧道施工过程中应加强这一区域的超前 支护与变形监测。 （2）隧道施工，左右幅施工间距较近时，开挖引起上覆岩体竖向移动相互叠加，造成上覆岩体沉降量 急剧增大。 （3）随着左右幅施工间距增大，开挖引起隧道拱顶上覆岩体沉降量都逐渐减小。施工间距为 20m 即 1 倍洞跨时，隧道上覆岩体沉降量都大幅下降。施工间距为 30m 时，隧道上覆岩体的沉降量较施工间距为 20m 时都没有明显减小，此时可以认为左右幅施工间距为 1 倍洞跨时相互影响很小。 （4）两种工法在左右幅施工间距为 20m 时，上覆岩体沉降量并无较大差异。

5 结论 因此，从总体分析，浅埋、小间距、大断面隧道将左右幅隧道施工间距控制在 1 倍洞跨，能有效的控制 上覆岩体的移动。且施工间距为大于或等于 1 倍洞跨时，左右幅相互扰动影响较小，可以采用步骤较为简单 的施工方法，以提高施工速度。

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【作者简介】 郭小平（1967-） ，男，本科，高级采矿工程师和高级爆破工程师，1991 年毕业于四川建筑材料工业学院（现西南科技大学）采 矿工程专业毕业。主要从事岩土工程、爆破工程和采矿工程方面的施工与研究工作。Email: zclky78@163.com

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