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: the paper analyzes displacement and supporting force of the construction metods of the compound stratum with up hard and below soft with finite element method by the example of the basumu tunnel, and puts forward the
corresponding construction methods and supporting parameters, providing reference for the similar projects.
key words: under hard and below soft; compound stratum; finite element; construction technology
中图分类号：tu74文献标识码：a 文章编号：2095-2104（2012） 1、工程概况
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
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）
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
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，应当选择施工相对便利的台阶法。
3、上硬下软复合地层施工技术 3.1 开挖施工
当上部玄武岩厚度小于2m时，开挖选择三台阶七步法施工，对拱部出现泥岩的位置采用ф42小导管进行超前支护，开挖每循环进尺不大于1.6m，中台、下台左右侧开挖采用错开施工，错开距离不
小于1m。
当上部玄武岩厚度大于2m时，开挖选择三台阶法开挖，开挖高度控制在3.5m左右，隧道每循环开挖进尺寸不大于2.0m，掌子面上部玄武岩开挖采用光面爆破，周边眼不大于60cm，掌子面下部采用松动爆破，挖掘机配合。 3.2 初期支护施工 3.2.1支护参数选择
初期支护及时紧跟，每步开挖完成后，及时进行支护，初期支护采用喷锚构筑法。根据掌子面上部玄武岩厚度采用以下三种不同初期支护方式。当上部玄武岩厚度小于3m时，全环设置i18工字钢架，每榀间距0.8m，喷射混凝土厚度25cm，拱部系统锚杆长度4.0m，间距1.0m×1.0m；当上部玄武岩厚度大于等于3m且小于6m时，拱部采用挂网喷射c25 混凝土支护，钢筋采用φ8，网格间距20×20cm，喷射混凝土厚度15cm，边墙采用i18工字钢架支护，每榀间距1.0m，喷射混凝土厚度25cm，拱部系统锚杆长度3.5m，间距1.2m×1.2m；当上部玄武岩厚度大于等于6m时，隧道全环均采用挂网喷射c25混凝土支护，钢筋采用φ8，网格间距20×20cm，喷射混凝土厚度12cm，拱部系统锚杆长度3.0m，间距1.2m×1.2m。 3.2.2 防止初期支护失稳措施
因下部为泥岩，围岩遇水易软化，为防止拱脚下沉，具体采取如下措施：
（1）洞内上台、中台临时排水沟和仰拱积水井距离边墙不少于
1m，以免软化基础；
（2）拱架基础下部设置纵向钢带，采用［20槽钢，扩大拱脚； （3）初期支护采用型钢拱架支护时,系统锚杆尽量与型钢拱架相连,下部锁脚锚杆每处设置不少于2根；
（4）如拱部有支护拱架时,在其拱部设置4根锚杆,起悬吊作用,以减小下部拱脚荷载； 3.2.3 仰拱、衬砌施工
隧道仰拱下部均为泥岩，遇水易软化，施工前，在开挖仰拱前方设置积水井，将仰拱中积水进行抽排，仰拱每循环开挖不大于5m，开挖成形后，及时喷射混凝土将围岩进行封闭。
仰拱、衬砌采用钢筋混凝土，厚度应不小于40cm，施工时，应严格控制仰拱、衬砌距离掌子面距离，仰拱距离掌子面不宜超出35m，衬砌距离掌子面不宜超出70m。 4、结论
在上硬下软地层中，根据上部硬岩的厚度合理选择开挖施工方法和支护方法，施工期间，月施工进度80-95m，隧道监控量测结果正常，安全顺利的完成了本段施工。 参考文献:
[1] 铁路隧道施工规范．tb10204-2002； [2] 铁路隧道施工技术手册 中国铁道出版社； 注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。
