下穿既有高速公路的隧道超前支护措施与开挖方法研究.pdf

2023 年 8 月第 19 卷 第 3 期系统仿真技术System Simulation TechnologyAug.，2023Vol.19，No.3下穿既有高速公路的隧道超前支护措施与开挖方法研究李文瑜（重庆应用技术职业学院，重庆 401520）摘要：某新建隧道下穿既有高速公路，该区域土体较差，隧道围岩等级为V级。本研究基于有限元软件FLAC3D，以降低对既有高速公路影响为原则，利用有限元仿真对比分析无超前支护措施、小导管注浆、小导管+单层管棚和小导管+双层管棚4种超前支护措施和三台阶七步法、CD法、双侧壁导坑法3种开挖方法。本研究选取的控制分析指标主要有高速公路地表沉降值、隧道洞周位移、初期支护拉压应力。仿真结果表明，超前支护为小导管注浆的双侧壁导坑法和超前支护为双层管棚的三台阶七步法均满足要求，综合对比分析施工应力应变、工期和成本等因素，并考虑到该隧道工程地质条件较差，参照同地区类似项目的做法，推荐的综合施工方法为超前支护为双层管棚的三台阶七步法。关键词:隧道开挖；高速公路；路基沉降；超前支护Research on Advance Support Measures and Excavation Methods for Tunnels Underneath an Existing ExpresswayLI Wenyu（Chongqing Vocational College of Applied Technology，Chongqing 401520，China）Abstract：A new tunnel underpasses an existing expressway，the soil in this area is poor，and the surrounding rock of the tunnel is grade V.In this paper，based on the finite element software FLAC3D，based on the principle of reducing the impact on the existing expressway，the finite element simulation calculation is used to compare and analyze 4 types of advanced support measures for pipe sheds，including the non-advanced support measures，small pipe grouting，small pipe+single layer pipe shed and small pipe+double layer，and 3 excavation methods，including three steps and seven steps，CD method，and double-side pilot pit method.The control analysis indexes selected in this paper are mainly the surface settlement value of the expressway，the displacement of the tunnel circumference，and the tension and compression stress of the initial support.According to the simulation results，the double-sided pilot pit method with small pipe grouting for the advance support and the three-step seven-step method with the double-layer pipe roof for the advance support meet the requirements.The construction stress and strain，construction period and cost are comprehensively compared and analyzed.Considering the poor geological conditions of the tunnel，and referring to the practice of similar projects in the same area，the recommended comprehensive construction method is the three-step seven-step method with advanced support as a double-layer pipe shed.Key words：tunnel excavation；expressway；high-rise subgrade；advanced support通信作者：李文瑜，E-mail:DOI:10.16812/31-1945.2023.03.001系统仿真技术第 19 卷 第 3 期某铁路隧道全长5 210 m，为单孔双线隧道，其净空面积为63.98 m2，净空内部轮廓如图1所示，共累计下穿十余处村庄和道路，在 DK54+120DK54+156段下穿某高速公路，覆土厚度约40 m。下穿高速公路区域的土体主要为砂质老黄土及细砂，地质条件较差，为V级围岩。新建隧道下穿既有高速公路，隧道的开挖必然会引起土体的扰动，造成应力重分布1-3，从而对路面产生不良影响，严重时会引起高速公路路面裂缝4，造成交通安全隐患5。该工程具有地质条件差、周边条件复杂、工期紧张等特点，需严格防止隧道施工变形和地表高速公路路面沉降，选取经济、安全的隧道超前支护措施和开挖方法。本研究选取4种不同的超前加固措施和3种不同的开挖方法，通过有限元分析其内力和位移变形，以选取最优的隧道施工方案。1 有限元模型的建立 本研究根据隧道设计文件，基于有限元软件FLAC3D进行有限元分析。根据地质勘察资料，本模型的材料物理力学参数如表1所示。对左右前后和底部5个面进行法向约束，地表处为自由边界6。隧道支护结构和围岩等材料均利用八节点六面体实体单元7仿真。不同开挖方法对应的有限元模型尺寸相同，其不同点在于开挖断面。整体三维有限元模型和不同开挖方法对应的局部扩大网格图如图25所示。2 不同超前支护措施对比分析 新建隧道下穿既有公路，如果不进行超前支护，一般情况下无法满足公路路基变形要求，因此需要选择一种合理的超前支护措施8。结合现场施工情况，拟定的支护措施为小导管+双层管棚的施工方案。为了验证其有效性和经济性，本研究选取了无超前支护措图1隧道净空内轮廓/mmFig.1The inner contour of tunnel clearance/mm表1主要材料的物理力学参数Tab.1Physical and mechanical parameters of main materials材料名称初期支护大管棚注浆加固小导管注浆加固V级围岩重度/(kNm-3)23.123.121.020.0粘聚力/kPa-52.540.921内摩擦角/()-47.2538.8531.5泊松比0.210.2420.2940.315弹性模量/MPa28714179126图2整体三维有限元模型Fig.2Overall three-dimensional finite element model图3双侧壁导坑法局部扩大网格Fig.3Partially expanded grid by double-side pilot pit method274李文瑜：下穿既有高速公路的隧道超前支护措施与开挖方法研究施、小导管、小导管+双层管棚和小导管+单层管棚4种支护方案。通过对比其隧道洞周位移、初期支护压拉应力和地表沉降，找出最合理的超前支护方案。2.1路基地表沉降为了全面研究高速公路路基地表沉降，本研究选取了公路中心线和左右两侧的行车道边缘线进行分析9。根据有限元计算结果可知，各方案施工完成后，不同支护措施对应的各监测点最大沉降值如表2所示。由表2可知，不同支护措施对应的地表最大沉降值均出现在隧道开挖断面的正上方，并随着与开挖中心线距离的变大沉降值减小。横向对比不同施工方法可知，小导管+单层管棚和小导管+双层管棚引起的最大沉降值均小于30 mm，在安全范围内。2.2初期支护压应力本研究分析了拱顶、拱底、左右拱脚、左右边墙和左右拱肩初期支护压应力大小。施工完成后，不同支护方式对应的初期支护压应力值均有所区别，结果如表3所示。由表3可知，不同支护方式对应的最大压应力均出现在左边墙处，其次为拱肩、拱脚，拱底的压应力值最小。因此，在施工中应尤其注意左边墙的稳定性。从初期压应力角度看，小导管+双层管棚效果最好，其次为小导管+单层管棚、小导管，无支护措施对应的各处压应力最大。2.3初期支护拉应力与压应力类似，本研究分析了拱顶、拱底、左右拱脚、左右边墙和左右拱肩拉应力大小。施工完成后，不同支护方式对应的初期支护拉应力值如表4所示。由表4可知，无论采用何种超前支护方式，最大拉应力均出现在拱顶处，而拱底处的拉应力值最小。4种超前支护措施对应的拱顶拉力均超过了1.3 MPa（C25混凝土轴心抗拉强度），由于初期支护钢拱架的加入，使得结构处于安全状态，应及时进行混凝土喷射，防止出现脱落和裂缝等现象。从初期支护拉应力角度看，小导管+双层管棚效果最为理想。2.4洞周位移本研究选取了中台阶水平收敛值、上台阶水平收敛值、拱底隆起值和拱顶沉降值作为洞周位移研究对象。施工完成后，不同超前支护措施对应的洞周位移值如表5所示。图4CD法局部扩大网格Fig.4CD method partially expands the grid图5三台阶七步法局部扩大网格Fig.5Three-step seven-step method to partially expand the grid表2不同支护措施对应的各监测点最大沉降值/mmTab.2Maximum settlement value of each monitoring point corresponding to different support measures/mm超前支护措施小导管+双层管棚小导管+单层管棚小导管无超前支护措施左侧边缘线17.02824.25531.76934.789中心线17.73125.42333.44236.719右侧边缘线18.55326.77035.35338.937表3不同支护方式对应的各关键点初期支护压应力值/MPaTab.3The initial support compressive stress value of each key point corresponding to different support methods/MPa超前支护措施小导管+双层管棚小导管+单层管棚小导管无超前支护措施拱底1.181.381.531.59右拱脚1.742.062.402.53左拱脚1.852.172.502.62右边墙5.907.058.358.85左边墙6.427.839.5010.15右拱肩6.156.526.716.77左拱肩6.266.566.726.78拱顶5.225.615.875.93275系统仿真技术第 19 卷 第 3 期由表5可知，各种超前支护方案对应的沉降规律基本相似，均为上台阶水平收敛值中台阶水平收敛值拱底隆起值拱顶沉降值。其中相对于无超前支护措施，小导管注浆的支护效果并不明显，小导管+单层管棚支护效果较好，小导管+双层管棚支护效果最好。3 不同开挖方法对比分析 对比不同的超前支护措施可知，小导管+双层管棚支护效果最好，但小导管+双层管棚施工繁琐、造价较高10-11。综合现场实际施工和造价等因素，为了对比不同开挖方法对隧道和高速公路路基产生的影响，本研究选取了超前支护措施为小导管注浆支护，分析三台阶七步法、CD法和双侧壁导坑法在施工过程中产生的内力和位移，并比较地表沉降、拱顶沉降、拱底隆起、水平收敛值和初期支护应力等指标，找出最优施工开挖方法。3.1路基地表沉降为了有效体现不同施工方法的路基地表沉降位移情况，本研究选取了公路中心线、左侧边缘线、右侧边缘线作为研究对象。3种施工方案完成后，不同施工方案对应的地表沉降位移值如表6所示。由表6可知，3种开挖方法中沉降值最小的为双侧壁导坑法，其次为CD法，三台阶七步法引起的沉降值最大。其中CD法和双侧壁导坑法最大沉降值均小于30 mm，符合要求。3.2洞周位移为了有效体现不同施工方法的洞周位移情况，本研究选取了拱顶沉降值、拱底隆起值、中台阶水平收敛值和上台阶水平收敛值作为研究对象。3种施工方案完成后，不同施工方案对应的洞周位移值如表7所示。由表7可知，无论是拱顶最大沉降值、拱底最大隆起值和中上台阶最终水平收敛值，3种方法中三台阶七步法均为最大，双侧壁导坑法的位移值均最小，CD法介于两者之间。3.3初期支护应力不同施工方法对应的初期支护最大应力值如表8所示。由表8可知，不同的开挖方法对应的最大拉应力和最大压应力值差别较小，三台阶七步法对应的拉应力和压应力最小，其次为CD法，双侧壁导坑法对应的拉应力和压应力最大。表4不同支护方式对应的各关键点初期支护拉应力值/MPaTab.4Initial support tensile stress value of each key point corresponding to different support methods/MPa超前支护措施小导管+双层管棚小导管+单层管棚小导管无超前支护措施拱底0.070.01-0.02-0.02右拱脚-0.18-0.14-0.14-0.15左拱脚-0.19-0.15-0.16-0.16右边墙0.01-0.01-0.02-0.02左边墙0.070.040.030.02右拱肩-0.22-0.110.330.50左拱肩-0.040.761.692.03拱顶1.862.714.284.84表5不同超前支护措施对应的洞周位移值/mmTab.5Peripheral displacement values corresponding to different advanced support measures/mm超前支护措施小导管+双层管棚小导管+单层管棚小导管无超前支护措施中台阶水平收敛值19.5926.1732.4534.25上台阶水平收敛值11.0812.7114.2915.04拱底隆起值21.4230.8441.0944.93拱顶沉降值30.3443.9558.4863.90表6不同施工方案对应的地表沉降位移值/mmTab.6Surface settlement displacement values corresponding to different construction schemes/mm项目左侧边缘线中心线右侧边缘线三台阶七步法32.0933.7835.71CD法22.2122.8423.62双侧壁导坑法19.5520.2820.84表7不同施工方案对应的洞周位移值/mmTab.7Displacement values around the tunnel corresponding to different construction schemes/mm项目拱顶沉降值拱底隆起值中台阶水平收敛值上台阶水平收敛值三台阶七步法59.0741.532.7814.43CD法42.6231.119.778.99双侧壁导坑法37.6226.7111.646.88表8各施工方案施工完成后初期支护最大拉应力值对比/MPaTab.8Comparison of the maximum stress value of the initial support after the completion of the construction schemes/MPa项目压应力拉应力三台阶七步法9.514.28CD法9.984.49双侧壁导坑法10.165.09276李文瑜：下穿既有高速公路的隧道超前支护措施与开挖方法研究4 综合施工方案对比优化分析 为了综合对比小导管的双侧壁导坑法和小导管+双层管棚的三台阶七步法2种施工方法，本研究从洞周位移、初期支护应力、地表沉降、施工工期和造价成本等角度进行了综合对比分析，对比结果如表9所示。由表 9 可知，从初期支护压力和拉力、路基沉降值、拱顶沉降值和拱底隆起值等角度看，小导管+双层管棚的三台阶七步法的指标均优于小导管的双侧壁导坑法。考虑到本项目围岩等级较差12，下穿公路的等级和重要性较高，小导管+双层管棚的三台阶七步法在施工过程中的应力应变等指标均较优，而且工期时间较短，2 种施工方法间的成本差距较小。因此，本工程推荐的综合施工方案为小导管+双层管棚的三台阶七步法。5 结 论（1）小导管+双层管棚的支护效果最好，最大沉降值仅为18.553 mm。各超前支护措施的最大压应力和最大拉应力分别出现在边墙和拱顶处，均处在安全范围内，各指标最优的支护措施为小导管+双层管棚。（2）3种开挖方法中，地表沉降、拱顶沉降、拱底隆起、水平收敛值等指标，均为双侧壁导坑法最优、CD法次之、三台阶七步法最差。（3）综合对比分析，并考虑到本隧道工程地质条件较差、施工工期和施工安全等因素，推荐的综合施工方法为小导管+双层管棚的三台阶七步法。参考文献：1魏燃.级围岩大断面隧道开挖步序及对边坡稳定性影响研究 J.公路工程，2019，44（3）：222-227.WEI Ran.Research on the excavation sequence of large cross-section tunnel with grade V surrounding rock and its impact on slope stabilityJ.Highway Engineering，2019，44（3）：222-227.2FANG Kuanda，YANG Zhiyong，JIANG Yusheng，et al.Surface subsidence characteristics of fully overlapping tunnels constructed using tunnel boring 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