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黄金科学技术 ›› 2024, Vol. 32 ›› Issue (2): 330-344.doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2024.02.166

• 采选技术与矿山管理 • 上一篇    下一篇

超大断面扁平结构隧道施工参数优化研究

刘宽1(),莫冠旺2(),李响2(),沈平欢1,万波1,刘建坤2   

  1. 1.上海隧道工程有限公司，上海 200032
    2.中山大学土木工程学院，广东 珠海 519000
  • 收稿日期:2023-12-07 修回日期:2024-01-24 出版日期:2024-04-30 发布日期:2024-05-21
  • 通讯作者: 莫冠旺,李响 E-mail:1833458942@qq.com;mogw@mail2.sysu.edu.cn;lixiang85@mail.sysu.edu.cn
  • 作者简介:刘宽（1976-），男，内蒙古巴盟人，高级工程师，从事隧道工程研究工作。1833458942@qq.com
  • 基金资助:
    上海隧道工程有限公司横向课题“软弱地层超大断面扁平结构矿山法隧道施工关键技术研究”(2022-sk-19)

Optimization of the Construction Parameters of Super-large Section Flat Structure Tunnel

Kuan LIU1(),Guanwang MO2(),Xiang LI2(),Pinghuan SHEN1,Bo WAN1,Jiankun LIU2   

  1. 1.Shanghai Tunnel Engineering Co. , Ltd. , Shanghai 200032, China
    2.School of Civil Engineering, Sun Yat-Sen University, Zhuhai 519000, Guangdong, China
  • Received:2023-12-07 Revised:2024-01-24 Online:2024-04-30 Published:2024-05-21
  • Contact: Guanwang MO,Xiang LI E-mail:1833458942@qq.com;mogw@mail2.sysu.edu.cn;lixiang85@mail.sysu.edu.cn

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186

摘要：

基于某超大断面扁平结构隧道的上下台阶法施工段，采用数值模拟方法研究在该工程地质条件下台阶长度和锚杆纵距2种施工参数改变带来的影响。利用数值模型对不同台阶长度（分别为30，40，50，60 m）和不同锚杆纵距（分别为1.0，1.5，2.0 m）情况进行研究，对隧洞周边岩体中塑性区、围岩应力和围岩变形情况的分布规律进行分析，结合数值结果和现场监测数据验证了施工现场采用台阶长度为50 m和锚杆纵距为1 m的施工参数较合理。该研究成果可为超大断面扁平结构隧道的开挖和支护施工参数的合理选取提供参考。

关键词: 超大断面隧道, 公路隧道, 数值模拟, 台阶法, 台阶长度, 锚杆纵距

Abstract:

As the demand for transportation increases in China，more and more highway tunnels adopt the form of super-large section.However，there is still a lack of clear guidance for the design and construction of super-large section tunnels with four lanes or more in the current highway tunnel specifications. There is still a need for in-depth research on the section shape，construction methods，and construction mechanics of super-large section tunnels. Existing research indicates that the use of the benching method for excavation construction of super-large section tunnels is feasible. To obtain the optimized schemes for bench length and anchor rod spacing，numerical simulation was performed in this study to investigate seven different scenarios based on the upper and lower bench construction sections of a certain super-large section flat structure tunnel.The scenarios included bench lengths of 30 m，40 m，50 m，and 60 m，as well as anchor rod longitudinal spacings of 1.0 m，1.5 m，and 2.0 m. The distribution patterns of the plastic zone in the surrounding rock mass，the stress of the surrounding rock，and the deformation of the surrounding rock were analyzed.The study results indicate that the overall maximum principal stress around the tunnel shows a trend of “arch foot>arch waist>arch crown”.An increase in bench length or anchor rod spacing leads to a significant increase in the maximum principal stress at the arch crown. Overall，the settlement and horizontal convergence values of the tunnel arch crowns increase with the increase in bench length. An increase in anchor rod spacing requires other support structures in the initial support to exert stronger control over surrounding rock deformation，potentially leading to the destruction of the support structure. Based on the numerical results and on-site monitoring data，considering factors such as construction efficiency and rock stability，the optimized scheme with a bench length of 50 m and an anchor rod spacing of 1 m was applied in the construction site.The results of this research has high reference value for the optimal selection of excavation and support parameters for super-large section flat structure tunnels.

Key words: super-large section tunnel, highway tunnel, numerical simulation, bench cut method, bench length, longitudinal distance of anchor bolt

中图分类号: 

  • U455.4

图1

隧道工程位置概况1.深断裂；2.大断裂；3.一般断裂"

图2

隧道地形平面图及围岩剖面图"

图3

隧道Ⅲ级围岩段数值模型"

表1

隧道围岩参数"

围岩参数数值围岩参数数值
重度/（kN·m-3）2 600内摩擦角/（°）40
弹性模量/GPa6黏聚力/MPa0.1
泊松比0.3抗拉强度/MPa1

图4

完整初期支护示意图"

表2

初期支护参数"

支护类型重度/（kN·m-3）弹性模量/GPa泊松比
砂浆锚杆7 8502060.25
钢拱架7 8502060.25
喷射混凝土2 400280.20

图5

隧道断面观测点示意图"

图6

隧洞模型开挖方案"

图7

不同台阶长度模型的塑性区"

图8

不同台阶长度模型的最大主应力云图（单位：kPa，正值表示拉应力）"

表3

隧道周边不同围岩部位最大主应力"

围岩部位30 m台阶长度40 m台阶长度50 m台阶长度60 m台阶长度
左洞右洞左洞右洞左洞右洞左洞右洞
拱顶-17.9-8.1-32.4-8.9-45.5-10.9-66.4-10.5
左侧拱腰-313.4-290.6-313.9-291.3-315.0-291.2-320.5-291.4
右侧拱腰-302.3-288.1-303.7-288.3-304.5-287.9-305.9-288.5
左侧拱脚-408.8-422.9-411.5-427.9-414.3-428.3-416.4-430.0
右侧拱脚-392.3-394.4-395.6-396.1-396.6-396.9-398.3-398.7
拱底中点76.982.875.481.774.881.175.480.4

图9

不同台阶长度模型左洞最大主应力柱状图"

图10

不同台阶长度模型右洞最大主应力柱状图"

表4

不同观测断面观测点1的竖向位移值"

桩号30 m台阶长度40 m台阶长度50 m台阶长度60 m台阶长度
ZK6+790-4.232-4.239-4.246-4.254
ZK6+800-4.274-4.282-4.291-4.301
ZK6+810-4.392-4.399-4.412-4.423
ZK6+820-4.527-4.544-4.552-4.559
ZK6+830-4.637-4.660-4.687-4.683
ZK6+840-4.708-4.724-4.734-4.762
ZK6+850-4.677-4.688-4.691-4.793
YK6+810-3.730-3.745-3.749-3.752
YK6+820-3.766-3.778-3.785-3.790
YK6+830-3.889-3.902-3.908-3.912
YK6+840-4.038-4.051-4.057-4.061
YK6+850-4.167-4.179-4.184-4.186
YK6+860-4.242-4.253-4.257-4.259
YK6+870-4.247-4.256-4.261-4.262

表5

不同观测断面测线2-3与测线4-5的水平收敛平均值"

桩号30 m台阶长度40 m台阶长度50 m台阶长度60 m台阶长度
ZK6+7901.0121.0181.0221.023
ZK6+8000.9540.9600.9690.975
ZK6+8100.9740.9881.0031.012
ZK6+8201.0321.0191.0401.045
ZK6+8301.0981.0731.0581.067
ZK6+8401.1441.1401.1051.083
ZK6+8501.3011.2981.2871.193
YK6+8101.1351.1411.1481.149
YK6+8201.1131.1201.1271.129
YK6+8301.1671.1801.1861.189
YK6+8401.2151.2271.2291.229
YK6+8501.2491.2551.2561.258
YK6+8601.2771.2811.2871.288
YK6+8701.4391.4381.4371.448

图11

不同台阶长度模型的拱顶沉降"

图12

不同台阶长度模型的水平收敛值"

图13

不同锚杆纵距模型的塑性区"

图14

不同锚杆纵距模型的最大主应力云图（单位：kPa，正值表示拉应力）"

表6

隧道周边不同围岩部位最大主应力"

围岩部位1.0 m锚杆纵距1.5 m锚杆纵距2.0 m锚杆纵距
左洞右洞左洞右洞左洞右洞
拱顶-45.5-10.9-44.2-11.7-55.6-13.4
左侧拱腰-315.0-291.2-315.2-290.7-315.5-290.9
右侧拱腰-304.5-287.9-302.3-287.8-302.8-287.9
左侧拱脚-414.3-428.3-413.0-428.6-413.2-428.6
右侧拱脚-396.6-396.9-396.4-397.3-396.9-397.1
拱底中点74.881.174.780.974.881.0

图15

不同锚杆纵距模型左洞最大主应力柱状图"

图16

不同锚杆纵距模型右洞最大主应力柱状图"

图17

不同锚杆纵距情况下隧洞的拱顶沉降量"

图18

不同锚杆纵距情况下隧洞的水平收敛"

表7

不同观测断面观测点1的竖向位移值"

桩号1.0 m锚杆纵距1.5 m锚杆纵距2.0 m锚杆纵距
ZK6+790-4.246-4.256-4.246
ZK6+800-4.291-4.297-4.293
ZK6+810-4.412-4.415-4.414
ZK6+820-4.552-4.555-4.557
ZK6+830-4.687-4.686-4.687
ZK6+840-4.734-4.731-4.726
ZK6+850-4.691-4.692-4.702
YK6+810-3.749-3.749-3.744
YK6+820-3.785-3.778-3.776
YK6+830-3.908-3.908-3.900
YK6+840-4.057-4.059-4.048
YK6+850-4.184-4.181-4.174
YK6+860-4.257-4.254-4.243
YK6+870-4.261-4.261-4.256

表8

不同观测断面测线2-3与测线4-5的水平收敛平均值"

桩号1.0 m锚杆纵距1.5 m锚杆纵距2.0 m锚杆纵距
ZK6+7901.0221.0211.022
ZK6+8000.9690.9700.971
ZK6+8101.0031.0051.005
ZK6+8201.0401.0381.038
ZK6+8301.0581.0581.056
ZK6+8401.1051.1111.110
ZK6+8501.2871.2961.298
YK6+8101.1481.1461.146
YK6+8201.1271.1271.127
YK6+8301.1861.1831.180
YK6+8401.2291.2281.228
YK6+8501.2561.2541.257
YK6+8601.2871.2841.284
YK6+8701.4371.4391.444
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