两岔口隧道新奥法施工过程模拟原理及Ⅲ级围岩施工方法

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摘要：通过湖南两岔口公路隧道施工实例,介绍了新奥法原理及Ⅲ级围岩根据新奥法原理采用的具体施工方法，同时介绍了两岔口隧道施工过程模拟的原理。

关键词：两岔口隧道； 新奥法； 施工过程模拟

中图分类号：U455.48

文献标识码：B

文章编号：1008-0422（2008）10-0131-02

1工程概况

两岔口隧道是一座双向四车道高速公路小净距中隧道，位于吉首市以西4km。左洞起至桩号为ZK2+767～ZK3+280,长513m；右洞起至桩号为YK2+771.6～YK3+280,长508.4m，隧道总长1021.4m。

2新奥法的基本原理

新奥法是一个具体应用岩体动态性质的完整的力学概念（或者说是一种隧道工程概念），是按科学制定的并已为实践所证明的原则和思想去修筑隧道。其特点是在开挖面附近及时施作密贴于围岩的薄层柔性支护和锚杆支护，控制围岩的变形和应力释放, 从而在围岩和柔性支护的共同变形中调整围岩内部应力分布，达到应力平衡，最大限度地保持围岩固有强度和利用其自承能力。

新奥法的基本原理可以归纳为以下几点：

2.1隧道开挖作业应采用光面爆破, 选择合理的断面形状、施工程序和开挖方法，并尽量采取大断面开挖，尽量减少对围岩的破坏程度。

2.2隧道开挖后，尽量利用围岩的自承能力，把围岩当作支护结构的基本组成部分，遇塑性变形较大的围岩压力，增设锚杆加固，使围岩与支护紧密结合，施作的支护将同围岩共同工作，形成一个整体的承载环

或承载拱

2.3根据围岩特征采用不同的支护类型和参数，及时施作密贴于围岩的柔性喷射混凝土和锚杆作为初期支护，以控制围岩的变形和松驰。

2.4在软弱破碎围岩地段，应及早闭合隧道断面，及时封闭仰拱，能有效地发挥支护体系的作用，保证隧道的稳定。

2.5二次衬砌是在围岩与初期支护变形基本稳定的情况下构筑的，围岩的支护形成一个整体，不仅能提高支护体系的安全度，而且还能增加衬砌的厚度。

2.6尽量使隧道周边轮廓圆顺, 避免棱角突变处应力集中。

2.7设置量测系统，监测围岩变位、变形速率及收敛程度，并进行必要的反馈分析，正确估计围岩特性及其随时间的变化，及时调整开挖及支护方式，以确定施作初期支护的有利时机和是否需要补强支护等措施。使设计施工更复合实际情况，确保施工安全。

2.8在某些条件下，还必须采取其他补充措施，如超前灌浆，冻结、疏导涌水等，方能使新奥法取得成功。

3两岔口隧道Ⅲ级围岩开挖方式的选择

选择开挖方式时，应考虑下列几个问题：（1）隧道埋深、岩体状况、有无断层破碎带、有无涌水、岩石强度等有关隧道围岩自稳性的问题；（2）隧道总长或工区长度，隧道的线形，断面形状和尺寸等有关工程规模；（3）地表设施状况，对地表下陷有无要求，地表下陷量的容许值等有关环境要求问题；（4）机械设备，工期等施工条件问题。因短台阶开挖比长台阶更早地使支护结构形成闭合断面，更利于控制地表沉降量。因此，在岩质条件更差时，采用短台阶开挖比长台阶法更有利。根据两岔口隧道工程实际情况，Ⅲ级围岩决定采用短台阶法进行开挖，分成上半断面和下半断面

4两岔口隧道施工过程模拟原理

隧道施工过程的位移和应力受到施工方式、开挖步长、速度及施工组织的影响。在对施工过程的模拟要真实的反映实际的施工过程，同时进行必要的简化。分开挖、支护步骤分别进行模拟。由于土体的应力应变关系的复杂及本构模型的选用、土的分层性、土体的各向异性及不均匀性、施工条件影响复杂、土体应力状态的改变等因素难以准确地解决，所以利用有限元计算得出的结果目前只能停留在探求土体应力及位移场的分布规律的定性分析上，尚不能达到定量化，因此对两岔口隧道Ⅲ级围岩施工过程进行模拟分析的主要目的是描述随着开挖的进行，围岩和支护的位移和应力的变化规律，以便更好的指导施工的继续进行。

4.1开挖过程的模拟

根据开挖多个单元时在各结点上引起的增量等效结点荷载公式

式中：Nde ――挖掘单元总数

――位移应变矩阵，

――原始状态下的初始地应力，

N――形函数矩阵，

γ――岩土介质坐标轴方向的容重分量，

Se――挖去单元的面积

可知，每次开挖都可以用增量形式的荷载来表示。所以，在整个开挖过程中引起的应力和位移的变化情况就很容易通过分级开挖，即分级加载来模拟计算，每级加载的同时把挖掘的单元变为空单元。

4.1.2开挖过程的荷载释放

用有限元计算出开挖面边界处各结点荷载，将开挖释放的等效结点力反加于开挖边界，对已“挖去”的单元材料赋一小值，形成所谓“空单元”，这就完成了开挖过程的模拟。值得指出的是用“空单元”取代开挖单元，可能导致刚度矩阵变态。为了解决此问题，可令已挖去的结点位移为零，并把这些结点对应的方程从总刚度方程消去。

使用等效结点荷载法对开挖过程进行模拟，开挖荷载如何施加的是问题的关键。开挖后，开挖处单元没有刚度。为反映开挖的实际情况，可以在每次开挖后都重新形成单元划分网格。如果用人工处理网格划分，显然是件极其烦琐的工作。这个问题可以通过编制自适应网格划分程序来解决。

4.1.3浇注建造过程的模拟

隧道的开挖和支护过程是分期进行，相互交替的，因此数值分析过程中也要模拟这种过程，首先，在划分洞室内部单元时就必须考虑整个施工程序，所有开挖和浇注部分的边线都必须是单元的边线，而不能在单元内部。浇注建造过程的模拟比较简单，即在开挖之后某一规定的分期内，将浇注部分对应的“空单元”重新赋予衬砌材料的参数后再进行计算。适当改变开挖和浇注建造方案，比较围岩应力和变形情况，对确定最优施工程序是非常有效的。

对于施工过程的模拟，采用二维有限元计算隧道时，由于将隧道开挖当作平面应变问题来处理，平面应变问题处理的施工实质是将隧道上台阶挖通后再进行锚喷支护，此时由于上台阶开挖产生的位移已经完成（没有考虑岩体的流变，以下同），锚杆和喷层在开挖下台阶前没有受力和变形发生。三维有限元可以真实地反映隧道的施工过程中上台阶分段开挖时锚杆地受力和变形，对于上台阶分段开挖时可处理成不同的工况，作为不同的开挖步，分布计算各步所产生的位移

根据位移地变化就可求出锚杆的内力。

4.2支护的模拟

锚杆用杆件有限元模拟，由于锚杆是钢筋，其轴向承载较大，而抗弯能力相对较弱，故用杆件有限元模拟计算误差不会太大在分析锚杆与岩体的联接时，根据实际情况可假定为铰接，把锚杆轴力作为一种附加荷载施加于相应位置的结点上（尤其是端部锚固的锚杆都是这样处理的）通过计算两锚固点之间的相对位移，可得到锚杆内的拉应力，乘以锚杆的断面面积，则可得到锚固的结点力，对于全长的锚固的锚杆，可将沿锚杆分布的剪应力，按其分布规律化为等效结点力施加于锚杆通过的各结点。考虑锚杆与岩体的共同作用，将锚杆的附加刚度加入总体刚度矩阵。

喷混凝土层采用8结点等参板单元模拟。

5两岔口隧道Ⅲ级围岩施工方法

两岔口隧道围岩大部分为Ⅲ级围岩，长度为787m，占隧道总长的77%。Ⅲ级围岩根据新奥法原理采用复合式衬砌进行施工，开挖每循环进尺1.2m，采用台阶法进行开挖，分成上半断面和下半断面，上半断面超前下半断面15～20m，先期开挖的左洞下半断面开挖面超前右洞上半断面开挖面25m以上。

5.1开挖上半断面

开挖高度为5.5m左右，宽度按设计轮廓线，采用光面爆破技术开挖，爆破后的松渣用装载机载入自卸车运至洞外。

5.2上半断面初期支护

5.2.1爆破后用高压风吹尽灰尘，清除松动岩块后，立即初喷C20砼3～4cm。

5.2.2按设计施工D25中空注浆锚杆及20MnSi直径22的药卷锚杆，D25中空注浆锚杆L=4m,，纵环间距50×120cm，梅花形布置；药卷锚杆L=2.5m，纵环间距120×120cm，锚杆方向尽量与岩面垂直。

5.2.3挂双层钢筋网，钢筋网紧贴初喷砼面，超前锚杆尾部与钢筋网焊接起来。

5.2.4复喷C20砼至设计厚度。

5.3开挖下半断面

上半断面超前15～20m后，进行下半断面开挖，开挖方法同上半断面。

5.4下半断面初期支护

下半断面锚杆、钢筋网、喷砼等初期支护与上半断面相同

5.5防水层

防水层在初期支护基本稳定时施工，铺设1.2mm厚EVA防水卷材及300g/m2无纺布作为防水层。

5.6二次衬砌

二次衬砌工作面与下半断面开挖面间隔35～50m进行施工，采用模筑混凝土作为二次衬砌，二次衬砌采用全液压衬砌台车，砼在洞外搅拌站搅拌，砼运输车运至洞内，砼输送泵泵送入模。

6结语

综上所述，两岔口隧道施工由于通过过了前期详细的地质勘察和施工过程详细模拟，施工过程非常顺利，保证了工程施工质量，无重大或意外事故的发生，取得了非常明显的经济效益和社会效益。

参考文献:

[1] 朱伯芳.有限元法原理与应用[M].北京，中国水利水电出版社，1998.10.

[2] 王茂成,劭敏.有限元法基本原理和数值方法[M]，北京：清华大学出版社，1999.2.

[3] 王建宇.隧道开挖引起的围岩变形过程及岩体变形模型的反分析[J]，土木工程学报，1986（2）.

[4] 王红伟. 新奥法理论分析及工程应用研究[J] ,硕士学位论文，2004-08-26.

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”