上硬下软复合地层大断面隧道施工技术

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1、上硬下软复合地层大断面隧道施工技术摘要：以八苏木隧道为例，通过有限元法详细的分析了上硬下软复合地层各施工方法的位移及支护受力，依此类比出相适应的施工方法及支护参数。为类似工程提供参考。关键词：上硬下软；复合地层；有限元；施工技术Abstract:ThepaperanalyzesdisplacementandsupportingforceoftheconstructionmetodsofthecompoundstratumwithuphardandbelowsoftwithfiniteelementmethodbytheexampleoftheBasumutunnel,andpu

2、tsforwardthecorrespondingconstructionmethodsandsupportingparameters,providingreferenceforthesimilarprojects.Keywords:underhardandbelowsoft;compoundstratum;finiteelement;constructiontechnology中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）1、工程概况7八苏木隧道是京包线集宁至包头段增建第二双线重点控制工程，位于内蒙古高原南缘之大青山低中山区，隧道全长8184m，是

3、单洞双线隧道，开挖断面在117～145m2，属特大断面隧道，隧道洞身通过区地层岩性复杂，主要有第四系全新统洪积层及坡积层，上第三系上新统玄武岩、泥岩夹砾岩、华力西中晚期花岗岩等，穿越地层不整合带长。隧道出口施工至DK531+500时，围岩出现明显变化，分层明显，掌子面上部为玄武岩，上台顶部2.0m为玄武岩，弱风化，整体性好，其下为泥岩，呈胶结状，具有一定自稳性，但遇水易崩解，稳定性差。2、数值模拟分析2.1依托工程选择相应断面掌子面上部岩层较硬，下部岩层较软。该处隧道埋深110m，地表风化岩层厚度14m左右，围岩级别为Ⅳ级，隧道下部泥岩层厚10m左右，围岩级别为Ⅴ级，其余围岩级

4、别主要为Ⅲ级。现以此段为例进行计算，计算采用地层和初期支护的物理参数如表1.1所示。表1.1材料物理力学参数表2.2建立有限元模型计算软件采用功能强大的ANSYS有限元程序，计算模型采用围岩结构模型。隧道初期支护采用梁单元模拟，地层采用实体单元进行模拟。计算模型如图1.1所示。图1.1地层结构模型计算图7针对围岩软弱夹层的特点，为寻求最佳施工方法，将分别采用常见的CD法、三台阶临时仰拱法、台阶法、和三台阶七步法进行开挖过程仿真分析。2.3控制点的选取为了解施工过程中围岩动态信息，据以判断围岩的稳定状态，以及所定支护结构参数和施工的合理性，在本研究中，将选取拱顶、拱腰、拱角以及隧

5、道底部等五个控制点，采集坑道周边位移及支护结构内部的应力信息。坑道周边位移及隧道衬砌内力测试点布置如图1.2所示。图1.2坑道周边位移及隧道衬砌内力测试点布置示意图A—拱顶；B、C—拱肩；D、E—拱腰；F、G—墙角；H—仰拱中部2.4计算结果分析2.4.1洞周位移分析在上硬下软地层结构的二维数值模拟过程中，隧道周边各测试点位移随不同施工方法的变化如表1.2所示。表1.2上硬下软地层围岩位移随不同施工方法的变化情况（单位：mm）7由表1.2中的围岩位移可以看出：CD法、三台阶临时仰拱法、三台阶七步法、台阶法这几种施工方法的竖向和水平位移都相差不大，其中拱顶沉降最大的是CD法，最小

6、的是三台阶临时仰拱法；隧道最大直径处的水平位移最大的是台阶法，最小的是CD法。所以，在上硬下软地层中，三台阶临时仰拱法控制拱顶沉降效果最好，CD法控制水平收敛效果最好。而台阶法与其他方法相比，拱顶沉降和水平收敛相对较大。2.4.2初期支护受力评价在上硬下软地层结构中，隧道周边初期支护各测试点弯矩、轴力随不同施工方法的变化如表1.3所示，表中轴力受压为负，而应力以受拉为正。表1.3上硬下软地层隧道初期支护内力随不同施工方法的变化情况由表1.3中各测试点受力情况可以看出，上硬下软地层中，隧道洞周初期支护的弯矩和轴力的分布极不均匀，CD法由于开挖轮廓不圆顺，所以其初期支护弯矩较大，而

7、且为竖向开挖，其轴力也较大；而三台阶临时仰拱法、台阶法由于开挖断面圆顺，初期支护受力合理弯矩、轴力均较小；而三台阶七步法由于开挖步更多，从总体来讲，初期支护承受的荷载应更小，但由于其分块较多，受力不均匀，局部（拱腰、水平直径处）轴力会增大。2.4.3合理的施工方法的选择7在上硬下软地层中，CD法、三台阶临时仰拱法、三台阶七步法、台阶法这几种施工方法相比较而言，位移相差不多，初期支护内力以三台阶临时仰拱法和台阶法为佳，但二者相比，前者施工工序多，临时支护工程量大。所以，在上硬下软的地层中，应当