ＢＲＩＤＧＥ ＡＮＤ ＴＵＮＮＥＬ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＡＮＤ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ 文章编号：１０００—０３３Ｘ（２０１３）０８—００８９—０４ 大跨度黄土隧道施工方法的对比分析与数值模拟 杨海峰 （陕西省交通建设集团公司蓝商分公司，陕西蓝田 ７１０５００） 摘 要：以神府高速墩梁大跨度黄土隧道工程为依托，总结了三台阶七步开挖法和双侧壁导坑法的 施工工序，并结合有限元数值模拟分析，对两种方法进行研究。结果表明：双侧壁导坑法可有效控 制围岩变形和沉降，但工序繁杂，施工进度慢；三台阶七步开挖法可有效提高施工效率，加快施工进 度，但不能有效控制沉降。 关键词：黄土隧道；数值模拟；沉降；变形 中图分类号：Ｕ４５５．４ 文献标志码：Ｂ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ａｎｄ Ｎｕｍｅｒｉｃ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｌｏｎｇ—ｓｐａｎ Ｌｏｅｓｓ Ｔｕｎｎｅｌ ＹＡＮＧ Ｈａｉ—ｆｅｎｇ （Ｌａｎｓｈａｎｇ Ｂｒａｎｃｈ ｏｆ Ｓｈａａｎｘｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｐ，Ｌａｎｔｉａｎ ７１０５００，Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｊ ｅｃｔ ｏｆ ｌｏｎｇ—ｓｐａｎ ｌｏｅｓｓ ｔｕｎｎｅｌ ｏｎ Ｓｈｅｎｍｕ—Ｆｕｇｕ Ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ，ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ——ｓｔａｉｒ ｓｅｖｅｎ——ｓｔｅｐ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｗｏ ｓｉｄｅ——ｗａｌｌ ｐｉｌｏｔ ｔｕｎｎｅｌ ｍｅｔｈｏｄ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｎｄ ｓｔｕｄｉｅｄ ｗｉｔｈ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｗｏ ｓｉｄｅ—ｗａｌｌ ｐｉｌｏｔ ｔｕｎｎｅｌ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋｓ ａｎｄ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ， ｈｏｗｅｖｅｒ ｉｔ ｈａｓ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ａｎｄ ｌｏｗ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｔｈｒｅｅ—ｓｔａｉｒ ｓｅｖｅｎ—ｓｔｅｐ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｂｏｏｓｔ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒｅｓｓ，ｂｕｔ ｆａｉｌ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｏｅｓｓ ｔｕｎｎｅｌ；ｎｕｍｅｒｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ０引 言 随着公路建设的飞速发展，在路线车道数的选 １ 工程概况 墩梁隧道衬砌断面内轮廓采用三心圆方案。上 行线起止桩号为ＲＫ２５＋７０５～ＲＫ２７＋１２０，全长 １ ４１５ ｍ；下行线起止桩号为ＲＫ２５＋７０５～ＲＫ２７＋ １２０，全长１ ３２８ ｍ，总计全长２ ７４３ ｍ。整个隧道均 择中，以多车道代替双车道对于缓解交通压力更为 有利，于是出现了很多大跨度隧道 ］。 相对于普通隧道的施工方法来说，大跨度隧道 的施工因其断面大、跨度大、扁平率更小，所以隧道 为Ｖ级围岩，隧道支护体系结构均为复合式衬砌， 二次衬砌拱部厚度为０．６ ｍ。深埋段开挖高度为 １２．１６ ｍ，宽度为１７．２６ ｍ，面积为１６５．２ ｍ 。浅埋 段开挖高度为１２．１９ ｍ，宽度为ｌ７．３１ ｍ，面积为 １７０．４ ｍ。。设计时速为８Ｏ ｋｍ・ｈ，建筑限界有效 的受力更为复杂。目前，随着大跨度隧道逐渐增 多ｌ＿６。］，对大跨度隧道施工方法的研究受到了业界人 士的关注。主要的施工方法有两种，即三台阶七步 开挖法和双侧壁导坑法，而对于这两种方法的特点 净宽为１４．２５ ｍ，净高为５．２ ｍ。 与适用性的研究相对较少。为此，本文以神府高速 墩梁大跨度黄土隧道工程为依托，对大跨度黄土隧 道的两种施工方法进行对比研究，以确定哪种方法 最优。 收稿日期：２０１２－１１－１６ ２施工方法对比分析 ２．１三台阶七步开挖法 三台阶七步开挖法的施工步骤如图１所示，具 ８９ ＢＩｕＤＧＥ ＡＮＤ ＴＵＮＮＥＬ ＣｏＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＡＮＤ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ 体如下。 １ Ｖ级围岩深埋段三台阶七步开挖法 （１）上部弧形导坑开挖。环形开挖上部弧形导 坑应在拱部超前支护后进行，预留核心土宽度宜为 隧道开挖宽度的ｉ／３～１／２，核心土长度宜为３～ ５ ｍ。根据初期支护钢架间距来确定开挖循环进尺， 应控制在１．５ ｍ以内，上台阶开挖矢跨比应大于 ０．３，开挖后立即初喷３～５ ｃｍ？昆凝土，并及时进行 喷、网系统支护，架设钢架，在钢架拱脚以上６０ ｃｍ 高度处，按下倾角６ｏ。紧贴钢架两侧边沿打设锁脚 锚杆，钢架与锁脚锚杆牢固焊接，最后复喷混凝土至 设计厚度。 （２）左、右侧中台阶开挖。根据初期支护钢架间 距来确定开挖循环进尺，应控制在１．５ ｍ以内，左、右 台阶错开２～３ ｍ，开挖高度一般为３～３．５ ｍ。 （３）左、右侧下台阶开挖。左、右侧下台阶开挖 工序与左、右侧中台阶开挖工序一致。 （４）上、中、下台阶预留核心土开挖。各台阶分 别开挖预留的核心土，开挖进尺应与各台阶循环进 尺一致。 （５）隧底开挖。每循环开挖长度宜为２～３ ｍ， 开挖后及时施作仰拱初期支护，完成隧底开挖、支护 循环后，及时分段施作长度为４～６ ｍ的仰拱。 ２．２双侧壁导坑法 双侧壁导坑法的施工步骤如图２所示，具体 如下 图２ Ｖ级围岩深埋段双侧壁导坑法 （１）左导洞（先行导洞）上台阶开挖。采用正台 ９０ 阶法开挖，每次开挖进尺０．５～Ｏ．７５ ｍ，开挖后立即 初喷３～５ ｃｍ混凝土，及时架设钢筋网和型钢拱架， 及时安设边墙锚杆和锁脚锚杆，随后喷射｝昆凝土至 设计厚度，以便形成较为稳定的支护体系。 （２）左导洞下台阶开挖。导洞下半断面与上半 断面前后错进１５～２０ ｍ，开挖左导｝同下台阶的临时 支撑和左边墙（临时支撑比左边墙晚进一榀拱架）， 每次进尺１．０～１．５ ｍ．这样可以避免同一断面的开 挖面同时暴露。 （３）右导洞上台阶开挖。采用正台阶法开挖，开 挖完成后的施工工序与左导洞上台阶开挖工序一致。 （４）右导洞下台阶开挖。分别开挖右导洞下台 阶的临时支撑和右边墙（临时支撑比右边墙晚进一 榀拱架），每次进尺１．０～１．５ ｍ，这样可以避免同一 断面的开挖面同时暴露。 （５）主导洞上台阶开挖。主导洞拱部开挖前先 测量画出开挖轮廓线，延开挖轮廓线打设超前小导 管注浆加固，开挖后钢筋网和型钢拱架及时架设，边 墙锚杆和锁脚锚杆及时安设，随后喷射混凝土至设 计厚度，以便形成较为稳定的支护体系。 （６）主导洞下台阶及仰拱开挖。开挖后型钢拱 架及时架设，随后初喷混凝土至设计厚度，以便形成 较为稳定的支护体系。 ２．３两种工法对比分析 （１）在资源配置相同的情况下，三台阶七步开 挖法施工每循环进行两榀，一榀０．７５ ｒｎ，２６ ｈ可以 完成两个循环，每月最高进度指标为８０ ｒｎ，平均每 月进度为７６ ｍ；双侧壁导坑法施工每循环０．６ ｍ， 每天可完成２个循环，每月最高进度指标为４２ ｍ， 平均每月进度为３６ ｒｎ。 （２）与双侧壁导坑法相比，三台阶七步流水法 开挖施工技术可节省大量临时钢架施工支护费用， 减少了投资。 （３）根据现场实测数据，墩梁隧道在围岩级别 相同的条件下，采用三台阶七步开挖法开挖拱部下 沉值为９Ｏ～１２０ ｍｍ，而采用双侧壁导坑法施工拱 部下沉值仅为３０～５Ｏ ｍｍ。 ３数值模拟及分析 根据墩梁隧道设计情况，隧道总高１２．Ｉ６ ｍ， 净宽１７．２６ ｍ。将数值计算模型解析区域设为：竖 向向下取隧道高度的５倍，左、右各取隧道直径的