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泥岩地质条件下浅埋特大断面隧道施工方法优化研究

文档作者：陈林杰1 谭绪凯1 艾振喜2 文档来源： 1．重庆交通大学土木建筑学院 2．中交一公局第三工程有限公司，		点击数：	更新时间： 2025年10月31日
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2014年12月上
第43卷第23期
施工技术
CONSTRUCTION TECHNOLOGY 121
DOI：10．7672／s由s2叭423012l
泥岩地质条件下浅埋特大断面隧道施工方法优化研究术
陈林杰1，谭绪凯1，艾振喜2
(1．重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074；2．中交一公局第三工程有限公司，北京101102)
[摘要】结合西宁南绕城高速公路西山隧道工程，通过有限元软件模拟计算了泥岩地质条件下浅埋特大断面隧道
的4种双侧壁导坑施工方法，包括初始设计方法和3种从断面尺寸上进行精细优化后的双侧壁导坑法，对比研究
了各种施工方法下隧道结构及围岩的受力特性，并结合各种施工方法的施工进度及难易程度等方面进行了综合性
的优劣对比分析。研究结果表明：泥岩地质条件下特大断面浅埋隧道可采用“减小中间岩柱中部宽度并提前拆除
临时支撑”优化的双侧壁导坑法施工，可保证在安全性的基础上提高施工速度和经济性。最后，通过采用优化方法
进行施工的实际效果验证了优化方法的可行性和施工安全性。
[关键词】隧道工程；双侧壁导坑法；有限元分析；施工技术；优化；泥岩
[中图分类号]U455．4 [文献标识码】A [文章编号]1002—8498(2014)23-0121-04
Study on Construction Technology Optimization of Shallow-buried
Super-large Section Tunnel in the Mudstone Geology Condition
Chen Linjie‘，Tan Xukail，Ai Zhenxi2
(1．School of Civil Engineering and Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；
2．The Third Engineering Co．，Ltd．of the First Highway Engineering Bureau of CCCC，Bering 1 01 1 02，China)
Abstract：Regarding Xishan Tunnel as the background，four double-side—wall heading methods of
shallow．buried tunnel in mudstones were simulated by finite element software．The characteristics of
mechanics，safety，economy and construction speed were studied through the simulation results．The
resuIts show that double．side．wall heading method should be adopted for shallow．buried tunnel in the
mudstone geology condition．While the method can be optimized by reducing the thickness of the centre
of the middle rock pillar and demolishing the temporary support structures in advance．At last，the
optimized method was verified by practical application of Xishan Tunnel．
Key words：tunnels；double—side-wall heading method； finite element analysis；construction；
optimization；mudstone
本文以泥岩地质条件下的特大断面3车道隧
道——西宁南绕城高速公路西山隧道为工程背景，利
用有限元数值仿真技术对泥岩条件下浅埋隧道双侧
壁导坑法及其优化方法进行模拟计算，综合对比了各
种施工方法中结构及围岩的受力特性。然后以施工
安全性为基础，结合施工进度、施工机具配置、施工难
易程度等多方面因素，以提高经济性、加快施工速度
为目的，针对泥岩条件下浅埋段的双侧壁导坑法进行
精细化研究，提出了优化的施工方法。
1工程概况
西宁南绕城高速公路西山隧道起讫桩号为
}中交集团科研项目(201206JS03)
[作者简介】陈林杰，副教授，博士研究生，E-mail：elj625@126．corn
[收稿日期】2013-12-18
K33+910一K35+190，单洞长度为1 280m，地层主
要由II～III级自重湿陷性黄土状土混合卵石和碎
石等组成，厚20～30m；下部为泥岩，全、强风化厚5
～10m。围岩级别均为V级强、中风化泥岩。
西山隧道浅埋段原设计的施工方法为双侧壁
导坑法。但是双侧壁导坑法本身的劣势是：施工工
序多，速度较慢，施工干扰大，成本较高。因此，结
合本项目工程实际，在原设计的基础上，从双侧壁
导坑法细部设计上进行优化研究，拟在保证施工方
法稳定性优势的同时，尽可能提高施工速度和降低
施工成本。
2双侧壁导坑施工方法优化
2．1施工方法优化思路
依据设计资料和现场施工实际情况，针对西山
万方数据
122 施I：技术第43卷
a方法b方法2 c方法3．4
图1 浅埋段各施工方法断面形式
Fig。1 Sections of shallow·buried tunnel for different construction methods
隧道浅埋段原设计施工方法提出以下优化思路。
1)适当减小中间岩柱的体积，相对于初始设计
方法适当提高围岩的自承能力，便于中间岩柱中下
部台阶一次性开挖。
2)相对于初始设计方法适当增加左、右导坑的
尺寸，便于提高导坑的机械化施工程度。
3)仰拱紧跟拆除临时支护工序进行，便于使用
机械，提高施工速度。
由此提出几种改进方法进行对比分析如下：①
方法1原始设计的双侧壁导坑法(见图1a)；②方
法2 中间岩柱顶部宽度变小的双侧壁导坑法(见
图1b)；③方法3 中间岩柱中部宽度变小的双侧壁
导坑法(见图l C)；④方法4针对方法3提前拆临
时支护，再做仰拱的双侧壁导坑法(见图1C)。
初始设计双侧壁导坑法中，中间岩柱尺寸为：
上部宽9．86m，中间部位宽4．65m。结合现场施工
情况及机械设备，拟定方法2的中间岩柱上部尺寸
在设计基础上减小3m；方法3和4的中间岩柱中间
部位的尺寸在设计基础上减小1．5m。
2．2各施工方法施工效应对比
4种开挖方法施工过程中的进度及施工难度等
方面的对比分析如表1所示。
表1 各施工方法施工对比分析
Table 1 Comparison of double-side··wall heading methods
由图1和表1可知，方法2～4相对于方法1
都减少了1个施工步序(中间只分2个台阶)，且增
加了作业区域，便于相对大些的机械作业，提高了
日进尺量。而方法4相对于方法2和3提前拆除了
临时支护，这样在施作仰拱时增加了施工作业空
间，更便于机械施工，增加了日进尺。
3各施工方法数值仿真分析
3．1计算模型
浅埋段隧道埋深取20m，隧道断面为三心圆断
面，断面宽17m、高11．89m，围岩为V级，模型范围
为：左、右两侧各取隧道开挖跨度的3倍(51m)，底
部取隧道开挖高度的3倍多(40m)，隧道锚杆加固
区深度取4m，初衬厚30em，二衬厚60cm，临时支护
厚20cm。模型上边界取自由边界，左、右两侧边界
加水平约束，底部边界施加固定约束。计算模型如
图2所示。
图2计算模型
Fig．2 Calculation model
3．2计算参数选取
通过ANSYS软件对隧道开挖过程进行平面应
变分析，采用应力释放法和软件中的“生死单元”功
能模拟隧道施工过程。围岩采用理想弹塑性模型，
服从Drucker．Prager准则，支护采用弹性模型。锚杆
加固效应通过提高加固区围岩材料参数进行模拟。
仿真分析计算所采用的计算参数如表2所示。
表2材料参数
Table 2 Material parameters
注：计算参数依据《公路隧道设计规范)JTG D70--2004及地勘资
料综合选取
3．3各施工方法计算结果与分析
3．3．1计算结果
1)临时支护受力情况
万方数据
陈林杰等：泥岩地质条件下浅埋特大断面隧道施工方法优化研究123
隧道开挖过程中，隧道临时支护主要起支撑作
用，受力主要表现为受压。
由各工法中l临时支护最大压应力出现时的支
护应力可知：①临时支护受力由大到小依次为
方法1(11．1 MPa)>方法2(9．86MPa)>方法3，4
(8．04MPa)；②方法l，3，4临时支护的最大压应
力均出现在中间岩柱中下台阶开挖之前，而方法2
出现在中间岩柱全部开挖之后；③方法l，3，4临
时支护的最大压应力出现在临时支护的最顶端，
而方法2的最大压应力出现在临时支护的最
底端。
2)初期支护受力情况
经过对初期支护受力分析，初期支护主要受
压。由各工法初期支护受力情况可知：①4种方法
中初期支护最终的最大压应力均出现在仰拱脚部
位；②方法1～4的最大压应力依次为7．93，8．16，
8．10，8．09MPa，方法1最小，但4种方法差别不大，
且均在初期支护材料的抗压强度之内；③方法3和
4的初支最终应力很接近，两种方法的初支应力均
在拆除临时支护计算步时有较大增加。
3)围岩塑性区情况
围岩塑性区体现了施工过程中围岩受力的好
坏及围岩稳定性，这里分别对两侧导洞开挖后(第9
计算步)中间岩柱围岩塑性区和二衬后(第16计算
步)围岩塑性区进行了分析。
由各工法中间岩柱塑性区对比可知，随着中间
岩柱体积的减小，改进方法中问岩柱的塑性区面积
均有所增大，但增大面积不大，且中间岩柱的塑性
区均未贯通，中间岩柱能很好地发挥控制围岩变形
作用。
由各工法围岩塑性区对比可知，方法1中围岩
最终的塑性区面积相对最小，但4种方法的塑性区
面积都较接近。
4)围岩变形情况
各工法施工过程中，拱顶沉降及周边收敛曲线
分别如图3，4所示。
施工步
1 1 i 7 q 11 1 1 1i
0 O
=一0．5
点1 0
羹一-s
曼2．0
霸2 5
—3 O
图3各工法拱顶沉降曲线对比
Fig．3 Comparison of vertical displacement curves
0 0
一e-O 2
三0 4
赫
融j
‘一l 6
8
旌工步
3 5 7 9 11 13 15
∥≯‘
图4各工法周边收敛曲线对比
Fig．4 Comparison of horizontal displacement curves
由图3，4可知：①4种双侧壁导坑法的围岩变
形量比较接近，拱顶累计沉降约2．65mm，最大周边
收敛值约为1．6mm，可见4种方法围岩变形控制能
力都较强，有较高的施工安全性；②相比较而言，方
法2的围岩变形控制能力要差一些，虽然拱顶沉降
控制很好，但周边收敛变形相对较大。
3．3．2计算结果分析
通过对以上计算结果的对比分析可知，4种双
侧壁导坑法都有很好的围岩变形控制能力，施工安
全性较好。但4种方法也有各自的特点，综合可得：
①方法1的临时支护对围岩支撑作用最大，施工过
程中，其临时支护受力大，围岩塑性区面积最小；②
方法2～4都在一定程度上提高了围岩的自承能
力，这3种方法临时支护受力相对较小，但围岩变形
相对于方法l要稍大一点；③方法2对周边收敛变
形的控制能力差，施工稳定性最差；④由于围岩自
承能力的提高，方法4相比于方法3的围岩稳定性
相差不大。
4方法4施工效应分析
基于以上分析，西山隧道浅埋段采用优化的方
法4进行开挖。结合西山隧道浅埋段实际施工方法
(方法4)现场监测数据，与计算模拟结果进行对比，
如图5所示。图中数字9～14分别对应数值模拟中
的计算步数。
时间／d
n E 10 S ，n
l 1
盘2
誉一3
蛊；4
一E
图5 隧道拱顶沉降曲线对比
Fig．5 Comparison of arch settlement curves of
simulation and monitoring
由图5可知，由于有核心土的作用，拱顶沉降主
要发生在中间岩土开挖之后，数值模拟最大拱顶沉
降量为2．673 9mm，实际监控量测最大拱顶沉降
为4．56mm。
万方数据
124 施工技术第43卷
通过数值模拟分析与现场监控数据可知，优化
的双侧壁导坑法(方法4)，即在常规双侧壁导坑法
基础上，减小中间岩柱中部宽度，并在中间下部仰
拱施作之前提前拆除l临时支护的方法，安全可靠。
5 结语
1)针对双侧壁导坑法施工断面小、施工速度慢
的劣势进行精细化研究，提出了“减小中间岩柱中
部宽度，并在中间下部仰拱施作之前提前拆除I临时
支护”的优化双侧壁导坑法，该方法相对于未优化
的方法能适当提高围岩自承能力，在确保开挖安全
的前提下，增加导洞开挖的断面面积，提高了机械
化开挖程度。
2)通过现场施工效果验证了优化的双侧壁导
坑法的可行性和施工稳定性，该方法既具有双侧壁
导坑法施工安全、稳定性高的特点，又一定程度上
提高了施工速度，施工效果较好。
3)在实际工程中，采用优化的施工方法施工
时，可依据动态监控量测结果及现场施工情况对施
工优化参数进行优化调整，以提高施工安全水平和
降低工程成本。本文为类似隧道施工方法的优化
提供了参考和思路，丰富和完善了特大断面隧道施
工技术。
参考文献：
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(上接第91页)
如表1所示。
表1 TMD主要吊装机具配备
Table 1 Main hoisting implements for TMD
5 质量控制
1)构件运输过程中应放置垫木，在用钢丝绳固
定时应做好构件四角保护工作，防止构件变形和刻
断钢丝绳，对不稳定构件应采用支架稳定。
2)对每个减振装置安装后应及时进行初步校
正，以便钢梁安装和后续矫正。校正时应对轴线、
垂直度、标高、焊接间隙等因素进行综合考虑，全面
兼顾，每个分项的偏差值都要达到设计及规范要求。
3)焊接材料应有完整的质量证明书，证明书上
的牌号和批号必须与焊材包装上的标记相符，重要
焊接产品使用的焊材要对焊材批号进行控制，以防
止批号用错。
6 结语
1)本文的研究避免了对已有的天桥进行拆除
或改建，有效节约了成本，避免了对天桥结构的破
坏。安装l台TMD就可节约切割和焊接费用2 000
元；采用分块安装，避免了对大型吊装器具的应用，
降低了机械费用，安装1台TMD可节约机械费用
800元。TMD的使用可以减少天桥的振动破坏，延
长使用寿命，降低维护费用。
2)能够利用TMD的减振效应减轻大跨结构人
行桥的振动，提高行人的行走舒适度；能够利用
TMD的减振效应降低大跨结构人行桥共振振幅，在
长期使用过程中，有效解决了钢结构的焊缝处在较
大疲劳荷载下容易引起的损坏和疲劳破坏，使结构
耐久性大大加强，延长使用寿命。
参考文献：
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