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黄土地区浅埋铁路隧道施工相关技术分析
时间:2022-05-17 07:19 | 栏目:桥梁隧道论文 | 浏览:次
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建立隧道岩土分界线（DK165+365~DK165+465）的数值模拟模型并计算，结果显示，超前小导管、两台阶法+临时横撑+扩大拱脚+掌子面加固施工方法可有效控制围岩变形，保证隧道安全穿越岩土分界线。且超前小导管起到了限制围岩变形的作用。掌子面全为黄土时围岩变形量、支护受力明显较大，应确保加强拱脚与墙脚支护，并及时施作仰拱，超前支护采取双层超前小导管，而当隧道穿越岩土分界线时，应当尤其注意加强拱脚支护。数值模拟时，flac3D软件的 interface 单元可较好地模拟隧道穿越岩土分界线时围岩及支护的受力变形状况。计算结果和现场实测数据显示，地表沉降、拱顶下沉和洞周位移均小于 15 mm，控制隧道地表沉降及围岩变形效果较好，保证了隧道安全稳定。
第一章 绪 论
第一章 绪 论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
我国黄土分布面积近 64 万平方千米，是世界上黄土分布面积最广的国家之一，占国土面积的 6.3%左右，且主要分布在西北地区[1]。随着我国经济、社会的发展，基础设施建设的逐步推进，在我国的地下工程建设中，大量隧道工程需穿越黄土地层。由于黄土垂直节理发育，黄土强度较低，具有明显的结构性、水敏性和区域差异性，使得黄土隧道开挖引起的扰动变形较大[2]。黄土地层的特殊性和软弱性使得黄土隧道成为了隧道工程界关注的热点问题之一。近年来，我国已经建成了大量的黄土隧道，相关科研、设计、施工单位也进行了科研联合攻关，尽管取得了不少成果和工程建设经验。但是相关规范对黄土隧道设计与施工规定还不全面，或者设计过于保守。即黄土隧道的设计理论、施工还不成熟，系统性不强，有必要进行深入研究。黄土隧道的设计与施工多采取经验类比法。对具体的隧道工程黄土地层、夹杂其他地层的针对性不强。在已修建的黄土隧道施工过程中，曾多次因设计
理论的不足和施工经验的缺乏，导致的地表开裂、拱部下沉、衬砌大变形、甚至是塌方等严重事故。例如：山西省大（同）运（城）高速公路燕家岭隧道[3]，拱顶位于老黄土与卵石层交界面上，由于降雨入渗的作用，隧道发生坍塌；神延线羊马河隧道施工过程中发生多次塌方和掉块，翅膀沟隧道开挖时拱顶有掉块现象，随后右边墙发生坍塌，洞内塌方段长度约 13.8 m，山顶塌体直径 20 m，地表陷坑深度 3~5 m；神延线上的其他 20 多座黄土隧道大部分发生过不同程度的塌方[4]。另外还有西兰公路太峪黄土隧道[5]、铜川～黄陵公路楼子沟隧道[6]等均有坍塌发生。以上工程实践证明：黄土地区隧道，尤其是浅埋黄土隧道在开挖施工过程中极易发生塌方，掌子面难以稳定，洞周收敛变形、地表变形过大等状况。
1.2 国内外研究现状
很早以前，我国祖先就开始利用黄土的自稳条件建造硐室。至今，在我国黄土地区仍有群众生活在黄土硐室中。随着经济建设和社会发展的需要，以及技术水平的提高，黄土地区修建了大量的工业地下洞室和交通隧道。我国的黄土地区隧道工程建设实践已有半个多世纪[2]。改革开放以来，我国掀起了基础设施建设的高潮，近年来，我国黄土地区成功修建了大量隧道，这表明，我国的隧道工程建设实践已取得了一定的成果。黄土隧道作为国内外学术界的热点问题，许多学者对其进行了研究，但到目前为止，仍有很多问题值得深入研究。
1.2.1 关于黄土工程特性
黄土具有湿陷性，且强度低、风化快、围岩松弛易出现塌方的特点[7]。并且，黄土地层性状复杂，不同地区黄土成因及类型有异。许多学者对黄土的物理力学性质、工程特性[8-10]进行了深入研究，Kruse 等[11]结合工程实践研究了黄土结构对黄土变形及力学特性的影响；Li 等[12]通过室内土工试验分析了水含量和环境压力与黄土结构的应力应变关系。Dijkstra T A 等[13]通过现场直接剪切试验、室内直接剪切和环剪试验等方法，对比分析了离石黄土和午城黄土中已有的节理对其强度特性的影响。结果表明，黄土中已有的节理使得室内试验的试样性质具有较大的离散性。并且，由于黄土节理的存在，现场试验得到的强度比室内试验得到的强度低。因而，室内试验能较好地反映黄土的结构强度，而现场试验更接近于黄土的实际情况[14]。钱鸿缙等[15]和 TAN Tjong-Kie[16]等国内外学者通过室内试验结果认识到了黄土抗剪强度的双线性特征。
第二章 工程背景
2.1 工程概况
靖神铁路是蒙华铁路煤运通道的重要集疏运系统组成部分，是陕西省“十三五”规划交通运输基础设施重点建设项目。靖神铁路平、纵断面示意图及横山隧道位置如图 2-1 所示。
第三章 洞口明挖法施工技术研究.................................................................... - 28 -
3.1 明洞工程概况 ........................................................................................... - 28 -
3.2 明洞段施工 ............................................................................................... - 29 -
3.3 明挖法边坡稳定性及明洞结构受力特征分析 ....................................... - 30 -
3.4 本章小结 ................................................................................................... - 36 -
第四章 隧道进洞施工措施研究........................................................................ - 37 -
4.1 隧道进洞工程概况 ................................................................................... - 37 -
4.2 隧道洞口段变形受力特征分析 ............................................................... - 40 -
4.3 进洞施工措施实施效果分析 ................................................................... - 52 -
4.4 本章小结 ................................................................................................... - 54 -
第五章 浅埋暗挖隧道施工控制技术................................................................ - 55 -
5.1 暗挖段工程地质 ....................................................................................... - 55 -
5.2 暗挖段施工方法 ....................................................................................... - 56 -
5.3 暗挖段隧道变形受力特征分析 ............................................................... - 60 -
5.4 本章小结 ................................................................................................... - 77 -
第六章 隧道下穿明长城遗址段变形控制技术................................................ - 79 -
6.1 隧道下穿明长城段工程概况 ................................................................... - 79 -
6.2 地表沉降控制标准 ................................................................................... - 79 -
6.3 隧道变形受力特征分析 ........................................................................... - 80 -
6.4 地表沉降控制效果分析 ........................................................................... - 87 -
6.5 本章小结 ................................................................................................... - 88 -
第七章 隧道出洞施工措施研究........................................................................ - 89 -
7.1 隧道出洞暗洞明做盖挖工法的必要性分析 ........................................... - 89 -
7.2 暗洞明做盖挖工法 ................................................................................... - 90 -
7.3 暗洞明做盖挖法安全性分析 ................................................................... - 92 -
7.4 本章小结 ................................................................................................... - 99 -
第七章 隧道出洞施工措施研究
7.1 隧道出洞暗洞明做盖挖工法的必要性分析
隧道出洞点位于 DK165+160，而 DK165+200 处原为一冲沟，后人为在隧址区左侧修筑一条土路将冲沟截断，上游形成一个大坑，雨季汇水量较大时易发生黄土陷穴；隧道洞身位于风积砂层和黄土地层中，围岩自稳性很差。原设计施工方法为两台阶临时横撑法 + 掌子面加固 + 扩大拱脚，DK165+160～DK165+190 段超前预支护采用洞口超前大管棚；DK165+190～DK165+285 段超前预支护采用双层超前小导管。掌子面里程推进至 DK165+221 时，施工揭示掌子面为沙土，与原地勘结果不符，进一步勘测发现 DK165+160～DK165+230 段隧顶是风积粉细砂，并且属于浅埋隧道，原设计工法存在极大的施工风险，应寻求更合理的工法实现安全出洞。考虑到现有技术条件，结合盖挖工法的特点，初步确定采用暗洞明做盖挖法施工，降低隧道施工风险。考虑到现有技术条件，为降低隧道施工风险，决定采用暗洞明做盖挖法全断面开挖法施工。隧道结构为：侧墙为 55cm 厚 C40 钢筋混凝土，仰拱为 60cm厚 C40 钢筋混凝土。DK165+160～DK165+220 桩拱剖面图如图 7-1 所示。地层分布从上到下依次为粉砂（⑦11）、新黄土（⑤11、⑤12、⑤13）、砂岩夹泥岩（⑨22，图中未显示）。
第八章 结论与展望
依托横山隧道工程，从洞口明挖边坡的稳定性、隧道进洞、出洞工程措施、浅埋洞身穿越岩土分界、地形起伏变化、下穿明长城安全保护等方面进行了深入研究，提出了相应工程措施建议，保障了隧道施工安全。得出了以下主要研究成果：
（1）采用强度折减法分析了风积沙地层明洞边坡的稳定性，对明洞结构的受力变形特征进行了分析并检算了衬砌结构强度，研究结果表明：出口边坡稳定安全系数为 1.95，边坡稳定，明洞结构的最小安全系数为 2.68，结构安全。为横山隧道明挖段安全施工提供了技术支持。
（2）结合进洞施工措施建立三维数值模型，数值模拟显示洞口超前大管棚+超前双层小导管对围岩变形控制效果较好，且实际施工时须做好掌子面加固，并进一步加强仰坡支护及洞口上部土体。最终横山隧道采取了洞口超前大管棚+超前双层小导管+三台阶临时横撑法+扩大拱脚+掌子面加固的方法进洞。掌子面加固采用喷射 10 cm 厚 C25 混凝土封闭+Φ25 玻璃纤维砂浆锚杆的方法，锚杆长度 6 m，间距 1.5 m，交错布置，工程措施实施效果良好。现场监测数据显示，各处监测点均未超限，最大拱顶下沉值为 19.7 mm，洞内最大变形值为 14.89 mm，最大地表沉降量为 16.8 mm，隧道安全进洞。
（3）建立隧道岩土分界线（DK165+365~DK165+465）的数值模拟模型并计算，结果显示，超前小导管、两台阶法+临时横撑+扩大拱脚+掌子面加固施工方法可有效控制围岩变形，保证隧道安全穿越岩土分界线。且超前小导管起到了限制围岩变形的作用。掌子面全为黄土时围岩变形量、支护受力明显较大，应确保加强拱脚与墙脚支护，并及时施作仰拱，超前支护采取双层超前小导管，而当隧道穿越岩土分界线时，应当尤其注意加强拱脚支护。数值模拟时，flac3D软件的 interface 单元可较好地模拟隧道穿越岩土分界线时围岩及支护的受力变形状况。计算结果和现场实测数据显示，地表沉降、拱顶下沉和洞周位移均小于 15 mm，控制隧道地表沉降及围岩变形效果较好，保证了隧道安全稳定。
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