风积沙隧道开挖关键技术

风积沙隧道开挖关键技术摘要：通过榆神高速神木1号风积沙隧道开挖方案采用颗粒流离散单元法进行比选，最终确定了“一次支护采用网喷+钢拱架和先行施作二次衬砌仰拱边墙结合部联合支护形式；开挖采用预留大核心土台阶法施工”的改进台阶法进行施工，并对该隧道开挖中的关键技术进行了详细介绍，为类似工程的施工提供了参考和借鉴。关键词：风积沙；隧道工程；改进台阶法中图分类号：u45文献标识码：a文章编号：.概述2000年，中国沙漠、沙地共计154万km2,约占国土总面积的16%,主要分布在北纬37°〜42°之间的区域。全国沙漠、沙地95.37%集中分布在新疆、内蒙、青海和甘肃四省区，并且呈大面积连片分布，主要以流动、半流动类型为主。随着城镇化建设的重心西移和西部大开发的进一步推进，中西部地区的交通建设高潮必将持续维持在高位水平，建设沟通受沙漠和沙地分割的各地区主要城市的交通公路和铁路网势在必行，在沙漠和沙地区域建设公路和铁路隧道不可避免，且数量很大。陕西省榆神高速公路神木一号隧道是目前国内沙漠和沙地地质条件下交通隧道建设的典型代表，其散粒体围岩在施工过程容易坍塌失稳，严重影响工程进度和施工安全，存在大量尚未揭示和解决的关键理论和技术问题，有鉴于国内沙漠和沙丘地区公路和铁路隧道建设的巨大需求。本文拟结合神木一号隧道开展的风积沙隧道开挖关键技术研究，以期为包含风积沙在内的沙漠和沙丘地区交通隧道的建设提供参考。.神木一号隧道概况工程概况神木一号隧道位于陕西省神木县老龙池沟和水磨河之间的山体顶部，神木县西沙开发区西侧，最大埋深约为37m。隧道设计为分离式隧道，设计长度714m,左线里程为zk90+998〜zk91+360；右线里程k90+993〜k91+345。洞身穿越风积沙地层共计301m,为公路穿越风积沙地层最长隧道，其中左线里程为zk91+179〜+320、右线里程为k91+159〜+319；也是穿越风积沙地层断面尺寸最大的隧道（跨度15.3m,高度11.2m；断面尺寸124.9壮）。其横断面图见图1。图2-1神木一号隧道横断面图工程地质情况左线zk90+998-zk91+179与右线k90+993〜k91+159段上部0.0〜11.0m为风积沙（q4eol）,松散-稍密，一般厚度7.50〜11.0m。中部为黄土（q3eol）,一般层厚4.00〜10.0m,不具湿陷性。下部为强风化细砂岩，厚约5.00〜8.00m,节理发育，岩体破碎，围岩无自稳能力，围岩级别为v。雨季由于大气降水的渗入补给地下水，隧道内有滴水或股流水。左线zk91+179〜zk91+320与右线k91+159〜k91+319段为风积沙(q4eol),松散-稍密，厚45.0〜57.01^无自稳能力。勘探时未见到地下水。围岩级别为vi。隧道围岩为松散〜稍密风积细砂，无自稳能力，稳定性差。雨季由于大气降水渗入补给地下水，隧道内有滴水。左线zk91+320〜zk91+360与右线k91+319〜k91+345段围岩级别iv级，以中风化微风化细砂岩为主，中厚层状构造，岩体较完整，勘探时未见地下水。围岩自稳能力一般，若开挖无支护可产生较大坍塌。.关键技术研究离散元理论简介由于风积沙为散粒体，因此，风积沙隧道的施工模拟不适合采用基于连续介质的分析软件和工具，一般利用离散单元法进行模拟。离散单元法(dem)首次于19世纪70年代由cundallandstrack提出，并不断得到学者的关注和发展。离散单元法是专门用来解决不连续介质问题的数值模拟方法，其分析程序包括通用离散元程序(udec)以及简化的离散单元程序(pfc)等多种。该方法把围岩视为由离散的岩块和岩块间的节理面所组成，允许岩块平移、转动和变形，而节理面可被压缩、分离或滑动，因此，岩体被看作一种不连续的离散介质，其内部可存在大位移、旋转和滑动乃至块体的分离，从而可以较真实地模拟节理岩体中的非线性大变形特征。离散元法的一般求解过程为：将求解空间离散为离散元单元阵，并根据实际问题用合理的连接元件将相邻两单元连接起来；单元间相对位移是基本变量，由力与相对位移的关系可得到两单元间法向和切向的作用力；通过单元在各个方向上与其它单元间的作用力以及其它物理场对单元作用所引起的外力可求合力和合力矩，根据牛顿运动第二定律可求单元的加速度；对其进行时间积分，进而得到单元的速度和位移，从而获得所有单元在任意时刻的速度、加速度、角速度、线位移和转角等物理量。颗粒流离散单元法（pfc）属于离散元的一种，它通过圆形离散单元来模拟颗粒介质的运动及其相互作用，用颗粒替代了岩块，颗粒之间的间隙替代了岩石之间的裂隙或节理，其模拟的介质是颗粒的集合体，由颗粒和颗粒之间的接触两部分构成，颗粒大小可以服从任意的分布形式，最适合模拟风积沙的力学特性，见图2。颗粒流离散单元法与有限单元法一样，将区域划分成单元（颗粒），各单元在以后的运动过程中，单元结点可以分离，即一个单元与其邻近单元可以接触也可以分离。单元之间相互作用的力可以根据力和位移的关系求出，而个别单元的运动则完全根据该单元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛顿运动定律予以确定。图3-1颗粒的集合体示意开挖方案比选风积沙地层具有结构松散，颗粒单一，粒径小，粘聚力低，透水性强，抗剪强度相对较低，无自稳力特点。在这种地层进行隧道施工，由于漏沙、滑沙因素极易引起支护沉降变形、坍方冒顶事故。由于神木一号隧道是目前我国穿越风积沙地层长度最长（洞身穿越风积沙地层长度：301m）、浅埋（最大埋深：37m）、大断面（跨度：15.3m、高度H.2m，断面积：124.9m2）散粒体围岩隧道，因此，其开挖和施工过程中面临地层大变形和坍方冒顶的威胁更大，必须要有先进的施工方法和配套的施工工艺方可保证其安全，开挖方案比选是在水平和竖直旋喷桩组合超前预加固的前提下，研究对比普通台阶法、cd法、crd法以及一次支护采用网喷+钢拱架和先行施作二次衬砌仰拱边墙结合部联合支护形式，开挖采用预留大核心土台阶法（以下简称改进台阶法，其详细施工工序见后述）开挖下允许应力释放的围岩和结构的变形和稳定，以期探明适合风积沙地层隧道施工的主体开挖工法。常规施工方法对比利用通用离散元程序对风积沙隧道在水平和竖直旋喷桩超前支护下采用全断面法开挖法、普通台阶法（不预留核心土）、cd法、改进台阶法、和crd法的地层变形效应进行对比分析。通过分析发现：在风积沙隧道施工中，应力释放20%时，虽然进行了小导管超前支护，但是不同的施工方法对于地层的变形和稳定影响很大，全断面法和传统的台阶法开挖，地层的变形很大，开挖隧道的顶部将发生坍塌，难以正常施工。采用crd法、改进台阶法和cd法施工时，虽然其应力释放达20%，但由于其每次的开挖面较小，隧道地层的变形相对较小，但需要对其它部分的施工实施准确的控制方可保证施工的正常进行，这一点在不采取强有力的超前预加固技术基本上难以做到。通过分析还发现，台阶法施工时，若应力释放10%,其变形仍然超过应力释放考虑20%的crd法、改进台阶法和cd法，说明在风积沙地层中，规划好每次开挖时步开挖面积的大小，对风积沙地层的稳定控制非常重要。通过分析还可发现，采用常规的全断面开挖和常规台阶法都不能保证围岩的稳定，因此，方案比选将集中在crd法、改进台阶法和cd法之间进行。crd法、改进台阶法和cd法对比对比的是在常规小导管以及水平和竖直旋喷桩组合超前预加固的前提下进行的，主要分析了三种方法开挖过程中地层沉降和初期支护的受力情况，得出如下曲线图。1地层沉降曲线图3-2-1crd法开挖后最终沉降曲线图（m）图3-2-2cd法开挖后最终沉降曲线图（m）图3-2-3改进台阶法开挖后最终沉降曲线图（m）crd法、改进台阶法和cd法开挖完成后，地层沉降计算结果如图3-2-1〜图3-2-3。crd法开挖过程中，初期支护效果比较好，隧道周边变形比较小，拱顶下沉量较cd法开挖要少，等拆除中隔墙和仰拱后，围岩应力进一步释放过程中变形逐渐增大至9.38cm；cd法开挖时，隧道周边地层的沉降逐渐增加，并最终达到H.6cm,其最终沉降较crd开挖方法要大;改进台阶法在开挖初期沉降量较大，之后沉降速度慢慢减缓，最终沉降量为H.2cm，比crd法开挖的沉降量稍大，小于cd法开挖的沉降量。2初期支护轴力图3-3-1crd法初期支护图3-3-2cd法初期支护图3-3-3改进台阶法初期支护轴力图（n）轴力图（n）轴力图（n）当隧道开挖完成后，隧道周边地层的变形基本稳定，crd法开挖隧道的初期支护最大轴力约为797kn，cd法开挖隧道的初期支护所受轴力最大值约为799.6kn，改进台阶法开挖隧道的初期支护所受轴力最大值约为700kn。cd法和crd法二者相差不大，从中可以看出：crd法开挖初始时初期支护作用力比cd法开挖要大，但随着整个断面的开挖完成，cd法初期支护的轴力上升很快，并最终达到所受轴力基本持平的水平；改进台阶法开挖墙脚两侧局部初期支护较crd和cd法要早，支护完成后沉降逐渐减小，地层本身受力比cd法的大，由于应力释放的程度不同，其初期支护轴力较crd法小。一般来说，支护的越及时，围岩变形将越小，喷射混凝土受到的轴力会越大。在同时施作的喷射混凝土初期支护，因为crd法开挖时喷射混凝土封闭成环，可以承受更大的地层压力，故地层发生的变形要比cd法小，而改进台阶法两侧墙脚仰拱支护相对较早，监测点处衬砌受力相对较小。地层应力释放有利于减轻支护结构的受力特性，但是对于岩性较差的v级、vi级围岩，洞室开挖后若不及时施作喷射混凝土，可能会引起地层软弱面的滑动破坏，进而增大初期支护荷载。因此，对于松散地层，洞室开挖后需及时有效的施作初期支护结构。开挖方案由于风积沙地层结构松散、自稳能力差，锚杆的组合作用及悬吊作用无法发挥。实际在进行风积沙径向锚杆施工时，由于钻孔作业对拱部沙层的扰动，有可能诱发拱部出现流沙或漏沙，严重时甚至造成拱部出现大量涌沙，造成隧道拱部以上出现部分空洞，在施工中需要进行注浆处理。因为crd法在每一开挖步序都用喷射混凝土封闭成环，故地层发生的变形要比cd法小，但其喷射混凝土初期支护的弯矩和轴力一般要大于cd法。改进台阶法其墙脚两侧仰拱先行，加上环形台阶法开挖时核心土对掌子面的稳定效应，其地层最终的变形位于crd法和cd法之间，比cd法要小，衬砌的应力总体上相对二者也较小，加之改进台阶法能有效的缩短支护和临时仰拱悬空时间，使临时仰拱在控制风积沙地层及支护下沉的效果更加明显。因此，从施工方便和控制地层变形等因素综合考虑，风积沙隧道的开挖宜选择改进台阶法，即一次支护采用网喷+钢拱架和先行施作二次衬砌仰拱边墙结合部联合支护形式，开挖采用预留大核心土台阶法施工技术。.开挖关键技术理论分析表明，拱顶、拱与边墙结合部以及初期支护墙角应力很大，存在应力集中现象，针对这种特殊地质条件，研究形成了“一次支护采用网喷+钢拱架和先行施作二次衬砌仰拱边墙结合部联合支护形式；开挖采用预留大核心土台阶法施工技术”（简称改进台阶法），该开挖方法通过仰拱结合部先行，增加了初期支护墙角基础的承载力，有效抑制了两侧土体传递的侧压力，同时为二次快速跟进使初支变形最终趋于稳定创造了条件；通过对核心土进行喷锚加固，不仅起到维持掌子面稳定性作用，还起到支撑上台阶临时仰拱和中支撑作用，平衡了拱部初期支护传递的竖向应力，有效控制了落下台阶时沉降及收敛引起的变形。该技术是针对沙层、风积沙层等松散软弱不稳定地质条件进行深入研究，并通过应用实践的总结，成功解决了常规方法施工多次出现漏沙引起坍塌及支护变形问题。其实施过程中的关键技术在于施工工艺流程制定技术、施工步骤、上台阶开挖与初期支护技术、临时仰拱与竖向支撑施工技术、下台阶施工技术和仰拱结合部施工技术。施工工艺流程施工工艺流程图见图4-1。图4-1改进台阶法施工工艺流程图改进台阶法施工步骤改进台阶法（一次支护采用网喷+钢拱架和先行施作二次衬砌仰拱边墙结合部联合支护形式；开挖采用预留大核心土台阶法施工技术）开挖见图4-2及图4-3。图4-2开挖正面图图4-3开挖剖面图施工步骤：顺序：1第一台阶环形开挖、2第一台阶初期支护、3临时仰拱施工、4竖向支撑施工、5第二级台阶开挖、6第二级台阶初期支护、7第三级台阶开挖、8第三级台阶初期支护、9第四级台阶开挖、10第四级台阶初期支护、11第五级台阶开挖、12第五级台阶初期支护、13结合部仰拱初期支护、14仰拱砼施工、15填充砼施工、16矮边墙施工。需要说明的是从第二级台阶至第五级台阶，开挖与初期支护交错进行；下部核心土随开挖逐级形成；矮边墙施工结束后进入二衬施工，二衬施工结束后进入仰拱成环及填充砼施工。上台阶开挖技术1在超前支护体系下，人工手持铁铲进行上部预留核心土环形开挖。2为避免开挖面过大，出现滑沙或漏沙引起坍方变形，环形开挖高度控制在90cm内，开挖循环进尺50cm。临时仰拱与竖向支撑技术当上部开挖进尺350cm时，随开挖同步跟进临时仰拱及竖向支撑施工。时仰拱施工技术1）按设计开挖临时仰拱风积沙核心土体。2）清除拱部型钢与临时仰拱型钢连接位置的喷射砼。3）安装临时仰拱型钢，中部采用螺栓连接，两端与拱部型钢焊接；型钢采用焊接822螺纹纵向连接筋，间距100cm。4）喷砼：采用。25早强混凝土先将低洼处大致喷平，再顺序分层、往复喷射至设计厚度。向支撑施工技术1）清除临时仰拱型钢及拱部型钢竖向连接位置喷射砼。2）安装竖向型钢，两端与临时仰拱型钢和拱部型钢焊接，型钢采用焊接822螺纹纵向连接筋，间距100cm。3）安装单侧模型。4）喷砼：采用。25早强混凝土自下而上、顺序分层、往复喷射至设计厚度。下台阶开挖技术上部开挖进尺700cm，进入下台阶开挖。下台采用中部预留核心土，分四级台阶左右交错环形开挖。下台阶环形开挖采用小导洞先行、自上而下依次进行。1）每级台阶开挖长度：为确保洞室开挖安全，每级开挖长度进尺为200cm,采用1:0.5坡度放坡，左右交错进行，循环进尺50cm；初期支护随开挖及时跟进。下台阶开挖长度控制在700cm。2）下台阶核心土形成下台阶核心土随每级台阶环形开挖进尺自上而下逐步形成。为实现下部核心土成型与稳定，充分发挥核心土稳定掌子面机支撑临时仰拱传递的竖向应力，以及有效降低落下台阶时拱部沉降变形；施工中采用锚杆与素喷混凝土进行下部核心土加固。核心土支护参数为@=100cm、l=300cm、S25的锚杆成梅花形布置与5cm厚的早强喷射混凝土组合形成核心土加固体系，见图4-35。下台阶核心土作用：通过对核心土进行喷锚加固，不仅起到维持掌子面稳定性作用，还起到支撑上台阶临时仰拱和中支撑作用，平衡拱部传递的竖向应力，有效控制了落下台阶时沉降及收验引起的变形。图4-4核心±成形图仰拱结合部施工1当第四级仰拱结合部开挖进尺满足200cm时，将成型仰拱钢架按设计安放稳固（一端与边墙钢架连接、另一端顶在下台阶核心土脚上），喷射。25早强砼至设计厚度，再按设计安装二次钢筋，关模浇注仰拱、填充及边墙混凝士，左右交错施工；2为保证二衬台车轨道铺设与行走，每侧结合部混凝土上口宽度满足300cm；3为保证一个循环二衬砼施工长度（即600cm）,分三次浇注仰拱结合部混凝土，每次浇注200cm，