篇(1)

　　摘要：明挖裝配式工法修建城市高速鐵路隧道具有縮短工期、減少現(xiàn)場(chǎng)人力投入、改善施工質(zhì)量、提升環(huán)境友好性等諸多優(yōu)勢(shì)，是未來城市隧道的一個(gè)發(fā)展方向。通過對(duì)雄忻高鐵雄安隧道周邊規(guī)劃條件、項(xiàng)目實(shí)施環(huán)境調(diào)研，分析裝配式結(jié)構(gòu)工效，證明了采用裝配式結(jié)構(gòu)可有效的控制總體工期;結(jié)合本次裝配式實(shí)施段落的工程條件，從工期、經(jīng)濟(jì)性、拼裝效率以及臺(tái)車適用性等方面綜合比選，推薦使用吊裝法施工。通過建立隧道工程“荷載結(jié)構(gòu)”整體計(jì)算模型以及裝配式構(gòu)件局部接頭模型，對(duì)隧道整體內(nèi)力及裝配構(gòu)件接頭變形進(jìn)行分析。結(jié)果表明:裝配式隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力、接頭局部變形滿足設(shè)計(jì)要求;采用預(yù)應(yīng)力連接措施可有助于控制構(gòu)件接頭變形，證明了裝配明挖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性。

　　關(guān)鍵詞：高速鐵路;明挖隧道;裝配式結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)方案;受力特性

　　1概述

　　隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)足發(fā)展，鐵路交通行業(yè)有了突飛猛進(jìn)的增長(zhǎng)，截止2020年底，中國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)總里程達(dá)14.5萬km，其中，鐵路隧道共16798座，全長(zhǎng)約19630km[1]。經(jīng)濟(jì)交通的發(fā)展帶動(dòng)了區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展，以區(qū)域間城際、高速鐵路為代表的新型出行模式正在改變著人們的生活方式。為提高交通出行效率，各大城市均建立了綜合交通樞紐，將地鐵、高鐵、公交場(chǎng)站緊密聯(lián)系在一起，高鐵進(jìn)入主城區(qū)成為了必然，城市鐵路隧道應(yīng)運(yùn)而生，成為了未來重要的發(fā)展方向。高速鐵路城市隧道以盾構(gòu)、明挖施工形式為主。

　　目前，明挖城市隧道采主要用現(xiàn)場(chǎng)澆筑的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，實(shí)施工效低、受場(chǎng)地環(huán)境影響大、現(xiàn)場(chǎng)投入大、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工期不易控制、防水等工藝質(zhì)量較差、環(huán)境友好性差[24]。明挖裝配式工法修建城市鐵路隧道，隧道構(gòu)件工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，待現(xiàn)場(chǎng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成后進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)拼裝，具有縮短工期、改善施工質(zhì)量、有效控制現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境污染等諸多優(yōu)勢(shì)，是建筑產(chǎn)業(yè)化升級(jí)、信息化發(fā)展的有效途徑[57]。混凝土預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)在工業(yè)與民用建筑、橋梁、地鐵隧道、輸水管道等領(lǐng)域廣泛使用。國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)人員對(duì)全預(yù)制、半預(yù)制地下工程進(jìn)行了大量研究[812]。

　　隨著研究的深入，我國(guó)預(yù)制裝配式技術(shù)有了長(zhǎng)足發(fā)展，也積累了許多工程經(jīng)驗(yàn)，形成了比較成熟的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)[13]。2015年我國(guó)首座采用全預(yù)制拼裝工藝地鐵車站-袁家店站在長(zhǎng)春建成[14];北京市首座預(yù)制拼裝工藝的地鐵車站金安橋站，試驗(yàn)段工期比傳統(tǒng)工藝縮短了2/3，現(xiàn)場(chǎng)工效得到大幅提升[15];北京朝陽動(dòng)車所試車線地面線采用預(yù)制裝配式構(gòu)件拼裝，長(zhǎng)度80m[16]。

　　此外，我國(guó)在裝配式矩形盾構(gòu)、綜合管廊、拼裝沉管隧道的工程實(shí)施方面也有較多成功實(shí)施的案例[1720]。目前，明挖裝配式結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于城市軌道交通、市政管廊等領(lǐng)域，還未在高速鐵路中運(yùn)用，以雄忻高鐵雄安隧道裝配式結(jié)構(gòu)方案研究為背景，通過對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)整體受力以及裝配式構(gòu)件局部接頭變形的分析，證明了結(jié)構(gòu)設(shè)置的合理性。通過工效分析發(fā)現(xiàn)，裝配式方案可有效提高工效，減少總工期，加速一體化實(shí)施進(jìn)程。從而驗(yàn)證了裝配式方案的優(yōu)勢(shì)及合理性。

　　2明挖裝配式隧道結(jié)構(gòu)方案

　　2.1工程概況

　　雄忻高鐵雄安隧道位于規(guī)劃雄安新區(qū)，隧道總長(zhǎng)約20km，周邊規(guī)劃有多項(xiàng)市政工程，鐵路隧道與市政工程一體化設(shè)計(jì)、施工。隧址區(qū)位于華北平原區(qū)，屬于沖洪積平原小區(qū)，地形平坦，地勢(shì)開闊，略有起伏，局部為低洼地，地表多辟為耕地。本工程范圍內(nèi)地層主要為第四系沖洪積地層，粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、黏土、粉細(xì)砂、中砂，局部存在人工堆積素填土、雜填土。線位距離白洋淀較近，地下水位較高。場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水類型為第四系孔隙水，根據(jù)地層結(jié)構(gòu)和地下水的賦存條件，分為潛水和承壓水。其中，砂層為主要含水層，富水性和透水性較好，其他為弱透水層。

　　2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

　　裝配式隧道結(jié)構(gòu)采用拱形明洞形式，隧道寬18.6m，高12.12m。隧道設(shè)計(jì)考慮結(jié)構(gòu)空間受力關(guān)系、預(yù)制塊吊裝、結(jié)構(gòu)運(yùn)輸，將隧道結(jié)構(gòu)橫斷面分為6塊。

　　2.3結(jié)構(gòu)拼裝方案

　　根據(jù)裝配式預(yù)制構(gòu)件的拼裝方法不用，可采用種拼裝方法，分別為龍門吊預(yù)制襯砌支撐臺(tái)車吊拼法以及拼裝機(jī)運(yùn)輸設(shè)備預(yù)制襯砌支撐臺(tái)車拼裝法。

　　2.3.1龍門吊

　　預(yù)制襯砌支撐臺(tái)車吊拼法結(jié)構(gòu)拼裝采用臺(tái)車吊裝的方式，設(shè)備整體結(jié)構(gòu)主要分為門架、模板、附屬機(jī)構(gòu)、附屬平臺(tái)、行走系統(tǒng)、液壓泵站等部件。

　　完成基坑開挖后架設(shè)龍門架;在初始拼裝位置安裝固定架，作為拼裝受力架和定位架;利用龍門吊吊裝制塊，后吊裝、塊，將A/C、A/B塊間定位螺栓穿入并鎖緊;利用龍門吊吊裝塊，將C/E塊間定位螺栓穿入并鎖緊;利用龍門吊吊裝塊，將B/D塊間定位螺栓穿入并鎖緊;利用龍門吊吊裝塊，使用工裝上的調(diào)整油缸調(diào)整塊位置，安裝塊就位，將D/F、E/F塊間定位螺栓穿入并鎖緊。按以上步驟繼續(xù)安裝第+1環(huán)，并將環(huán)與環(huán)之間通過螺栓縱向預(yù)緊，第環(huán)與第+1環(huán)需錯(cuò)縫安裝。

　　2.3.2拼裝機(jī)運(yùn)輸設(shè)備

　　預(yù)制襯砌支撐臺(tái)車拼裝法在初始位置安裝固定架，作為初始的受力件和固定架，依次拼裝整個(gè)臺(tái)車，通過液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)管片，使管片安裝到位。回縮滑移油缸為管片提供一個(gè)預(yù)緊力，安裝軸向預(yù)緊螺栓，重復(fù)以上步驟，依次抓取其余管片，通過液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)管片，分別控制兩側(cè)的伸縮油缸，使管片調(diào)整到位，回縮滑移油缸為管片提供一個(gè)預(yù)緊力，安裝軸向預(yù)緊螺栓并安裝塊與塊之間的螺栓，直至完成整環(huán)安裝。

　　2.3.3結(jié)構(gòu)拼裝方案選擇

　　拼裝法的臺(tái)車可以適應(yīng)不同內(nèi)輪廓的隧道斷面，吊裝法臺(tái)車模板需根據(jù)隧道內(nèi)輪廓進(jìn)行定做，拼裝法臺(tái)車適用性更強(qiáng)，但成本較吊裝法高，且工效偏低。本線目前在隧道出口大放坡段240m范圍內(nèi)采用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，段落結(jié)構(gòu)內(nèi)輪廓形式單一，開挖面大場(chǎng)地開闊，龍門吊安裝方便。從工期、經(jīng)濟(jì)性、拼裝效率及臺(tái)車適用性綜合比選，推薦使用吊裝法施工。

　　3結(jié)構(gòu)受力模型計(jì)算

　　3.1整體模型受力計(jì)算

　　參考盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配式結(jié)構(gòu)截面內(nèi)力及變形方面的計(jì)算，采用慣用計(jì)算法。若將管片結(jié)構(gòu)視為梁，接頭視為變形連續(xù)彈簧，分別用來模擬管片和接頭的力學(xué)特性。通過彎矩提高系數(shù)ξ(彎矩增大系數(shù)ξ取0.3[2122])來實(shí)現(xiàn)對(duì)錯(cuò)縫拼裝彎矩傳遞的評(píng)價(jià)。計(jì)算時(shí)取單環(huán)管片進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，然后考慮錯(cuò)縫拼裝后的整體補(bǔ)強(qiáng)效果，進(jìn)行彎矩分配。本工程范圍內(nèi)地層主要為第四系沖洪積地層，粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、黏土、粉細(xì)砂、中砂，局部存在人工堆積素填土、雜填土。

　　采用SAP84有限元計(jì)算軟件，對(duì)整體結(jié)構(gòu)建模計(jì)算，考慮到截面剛度分配，側(cè)墻使用變截面，使拱腳處截面適當(dāng)加大。分別采用水平彈簧和豎向彈簧模擬坑底地層對(duì)結(jié)構(gòu)水平位移和底板垂直位移的約束作用，結(jié)構(gòu)底部豎向彈簧僅能承受壓力。

　　3.2接口計(jì)算

　　雄忻鐵路明挖裝配式預(yù)制構(gòu)件接頭型式為榫槽式接頭，接頭采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線加強(qiáng)，預(yù)制構(gòu)件厚700mm。對(duì)于拱墻型明挖隧道來說，結(jié)構(gòu)頂拱、側(cè)墻和底板受力工況均為軸力和彎矩組合工況，即：結(jié)構(gòu)構(gòu)件同時(shí)承受軸力和彎矩的作用。因此，主要研究軸力和彎矩組合工況作用下接頭抗彎剛度的影響因素，計(jì)算模型一端固定，另一端施加軸力，來模擬接口處所受軸力，施加向上的集中力，使接口位置達(dá)到設(shè)計(jì)彎矩。

　　4計(jì)算結(jié)果分析

　　對(duì)結(jié)構(gòu)使用階段的整體受力和接頭處局部變形進(jìn)行分析，從而判斷裝配式隧道結(jié)構(gòu)在使用階段的整體強(qiáng)度和接頭使用性能。

　　4.1整體受力分析

　　從各荷載組合計(jì)算結(jié)果分析，本項(xiàng)目工況按正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行配筋，結(jié)構(gòu)承載能力極限均滿足要求。

　　5施工工效分析

　　雄忻高鐵雄安隧道位于雄安新區(qū)起步區(qū)，周邊規(guī)劃有多項(xiàng)市政工程，鐵路隧道與市政工程一體化設(shè)計(jì)、施工，建設(shè)期與周邊多項(xiàng)市政工程同步實(shí)施，總體工期短，交叉工程多，鐵路隧道位于各項(xiàng)工程的最下層，完成時(shí)間決定著上方及周邊市政工程的開工建設(shè)，制約著總體建設(shè)工期。明挖裝配式隧道結(jié)構(gòu)可大幅提高現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)效率，縮短施工期。由于裝配式隧道管片預(yù)處理、接縫注漿、拱頂覆土、仰拱填充等工序可與管片拼裝平行作業(yè)，因此，計(jì)算單環(huán)管片安裝時(shí)間從吊裝到最后管片成環(huán)預(yù)緊即可。仰拱底部填充及調(diào)平處理約0.5h，吊裝、移動(dòng)設(shè)備、螺栓預(yù)緊及緊固合計(jì)耗時(shí)約1h，預(yù)制構(gòu)件平均單環(huán)有效作業(yè)時(shí)間約為1.5h，預(yù)計(jì)作業(yè)效率可達(dá)8m/d。

　　傳統(tǒng)明挖鐵路隧道按12m臺(tái)車計(jì)算，仰拱施工需4d，側(cè)墻施工需5d，拱頂施工需7d，考慮流水作業(yè)，襯砌作業(yè)效率約為12m/7d，可推算出此段落可比現(xiàn)澆工藝節(jié)省約110d，從工效方面裝配式襯砌有明顯優(yōu)勢(shì)。此外，裝配式構(gòu)件均在廠內(nèi)加工，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)拼裝即可，能夠解決寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)冬季無法施工的問題。由此，裝配式結(jié)構(gòu)可大幅度提高工效，為一體化實(shí)施項(xiàng)目中的其他工程，爭(zhēng)取施工時(shí)間，緩解總體工期壓力。

　　隧道建設(shè)論文范例： 橋梁隧道工程施工中灌漿法加固技術(shù)的運(yùn)用研究

　　6結(jié)論

　　依托雄忻高鐵雄安隧道方案研究，進(jìn)行裝配式高鐵隧道設(shè)計(jì)，對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)的拼裝方式及施工效率進(jìn)行了分析。并通過有限元計(jì)算軟件，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的整體受力及局部接頭變形情況進(jìn)行計(jì)算分析，得到如下結(jié)論。

　　(1)結(jié)合本次裝配式實(shí)施段落的工程條件，從工期、經(jīng)濟(jì)性、拼裝效率以及臺(tái)車適用性綜合比選，推薦使用吊裝法施工。(2)經(jīng)整體受力分析，預(yù)制結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及耐久性均滿足要求。(3)對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)接頭施加預(yù)應(yīng)力后，接縫張開量減小，預(yù)應(yīng)力筋對(duì)接縫張開量有一定的抑制作用，可減小接縫處的變形。在最不利彎矩和軸力作用下，接縫張開量小于0.2mm，接頭變形量小，可保證接縫位置的防水可靠性，該方案接頭連接具備有效性。(4)經(jīng)分析裝配式襯砌在提高工效方面有明顯優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能解決寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)冬季無法施工問題。由此，裝配式結(jié)構(gòu)可大幅度提高工效，為一體化實(shí)施項(xiàng)目中的其他工程，爭(zhēng)取施工時(shí)間，緩解總體工期壓力。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[7]劉瓊，李向民，許清風(fēng).預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].施工技術(shù)，2014，43(22):914，36.

　　作者：孫一鳴

篇(2)

　　摘要：印尼雅萬高鐵是中國(guó)高鐵全產(chǎn)業(yè)鏈“走出去”的第一單，作為其重要組成部分的城市隧道號(hào)隧道沿線穿越多處敏感環(huán)境制約點(diǎn)。為滿足目標(biāo)國(guó)各類施工控制條件并取得目標(biāo)國(guó)相關(guān)部門對(duì)方案的支持，對(duì)不同隧道施工方案優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較論證;對(duì)存在的盾構(gòu)與輕軌橋樁沖突、盾構(gòu)從互通橋臺(tái)樁底、收費(fèi)站樁底下方近接穿越、盾構(gòu)淺覆土近接寺廟穿越等問題，進(jìn)行了穿越清障方案、繞避方案、隔離加固方案對(duì)比論證;對(duì)盾構(gòu)設(shè)備進(jìn)場(chǎng)、始發(fā)接收?qǐng)龅貤l件、管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了可行性論證。研究結(jié)論：采用盾構(gòu)為主的方案占地面積最大可減少47.1%，可行性最高;采用拔樁后新建框架墩和懸臂墩解決輕軌沖突問題最為可行;采用橋臺(tái)樁底繞避側(cè)穿、收費(fèi)站樁底正穿的方案風(fēng)險(xiǎn)最低;采用MJS傾斜樁主動(dòng)隔離能滿足保護(hù)寺廟特殊要求;隧址盾構(gòu)始發(fā)接收?qǐng)龅乜尚校�盾�?gòu)機(jī)設(shè)備入場(chǎng)可行;盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案整體可行。

　　關(guān)鍵詞：雅萬高鐵;城市隧道;大直徑盾構(gòu);近接穿越;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);MJS工法樁

　　引言近年來，隨著“站城一體化”立體城市發(fā)展理念的推進(jìn)，高速鐵路、城際鐵路引入城市市區(qū)已成為必然趨勢(shì)。為滿足各大城市交通需求，國(guó)內(nèi)大直徑盾構(gòu)隧道不斷涌現(xiàn)，設(shè)計(jì)施工技術(shù)及設(shè)備生產(chǎn)水平逐步成熟，宋儀[1]對(duì)蘇埃隧道線位方案及施工工法進(jìn)行比選，總結(jié)出設(shè)計(jì)方案考慮問題的思路;楊明哲[2]綜合考慮道路功能發(fā)揮、周邊地塊需求、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)采用等因素，探討了適合城市地下隧道的最優(yōu)方案。還有眾多學(xué)者通過有限元軟件對(duì)盾構(gòu)隧道下穿既有線路工程及地上建筑進(jìn)行研究，得出了隧道及地層變形與掘進(jìn)參數(shù)的關(guān)系，總結(jié)了地層沉降變化規(guī)律[3。

　　隧道工程論文范例： 施工荷載對(duì)既有高鐵隧道群的影響數(shù)值分析

　　諸多學(xué)者的共同努力為我國(guó)隧道技術(shù)“走出去”打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。由于政治、經(jīng)濟(jì)、人文、法律等方面的差異，在境外修建類似鐵路工程會(huì)衍生出一些新的工程限制和邊界條件，征拆和外部協(xié)議成為制約工程成本和工期的最不可控因素，甚至是工程可行性的決定性因素，由此使得國(guó)內(nèi)一些通過政治體制優(yōu)勢(shì)能夠?qū)崿F(xiàn)的簡(jiǎn)單快捷的技術(shù)方案在境外不再適用。對(duì)于一些國(guó)外發(fā)展中國(guó)家而言，城市大直徑盾構(gòu)隧道工程尚無先例，其對(duì)城市隧道技術(shù)方案的成熟性和可靠性存在疑慮，這就要求所采用的技術(shù)方法必須進(jìn)行充分的可靠性論證以及系統(tǒng)周全的考慮，才能取得目標(biāo)國(guó)相關(guān)部門對(duì)方案的支持，從而穩(wěn)定實(shí)施方案的外部邊界條件。

　　新建印度尼西亞雅加達(dá)至萬隆高鐵(以下簡(jiǎn)稱“雅萬高鐵”)全長(zhǎng)142.3km，最高設(shè)計(jì)速度350km/h，是中國(guó)高鐵第一次全系統(tǒng)、全要素和全產(chǎn)業(yè)鏈走出國(guó)門、走向世界。其中號(hào)隧道是雅萬高鐵的重要組成部分，也是施工難點(diǎn)部分。本文就雅萬高鐵號(hào)隧道展開研究，基于印尼國(guó)政治文化等條件對(duì)該隧道工程的實(shí)施方案進(jìn)行研究和比選，通過對(duì)該隧道設(shè)計(jì)方案研究論證，來選擇出最佳實(shí)施方案，以期對(duì)類似城市隧道設(shè)計(jì)提供參考。項(xiàng)目主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)采用中國(guó)高速鐵路規(guī)范規(guī)定，項(xiàng)目設(shè)計(jì)由中國(guó)設(shè)計(jì)企業(yè)承擔(dān)，并接受印尼政府部門和專業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)的強(qiáng)制審查。

　　1工程概況雅萬高鐵號(hào)隧道為雙線隧道，位于雅加達(dá)東部市區(qū)，毗鄰Halim機(jī)場(chǎng)，線位近距離并行雅加達(dá)至萬隆高速公路(以下簡(jiǎn)稱“雅萬高速”)廊道，沿線穿越城市輕軌、高速公路、收費(fèi)站、互通立交橋和大型寺廟、密集居民區(qū)等敏感建筑。隧道范圍內(nèi)有處平面曲線，最小曲線半徑為1400m，隧道為“V”形坡，坡度依次為21‰，+17.6‰，+30‰。隧道設(shè)計(jì)為單洞雙線隧道，全長(zhǎng)1885m，分為進(jìn)口明挖段、盾構(gòu)隧道及出口明挖段。其中盾構(gòu)段全長(zhǎng)1469m，隧道設(shè)計(jì)速度200km/h，線間距4.2~4.4m，盾構(gòu)管片內(nèi)徑11.7m，外徑12.8m。施工土建工期要求27個(gè)月。

　　2工程建設(shè)條件

　　2.1隧址地貌及主要環(huán)境控制點(diǎn)

　　號(hào)隧道距離高鐵起點(diǎn)車站Halim站約2.5km，隧道位于沖洪積平原區(qū)，地形平坦。線路出始發(fā)站后向東延伸，在Halim機(jī)場(chǎng)附近，自雅萬高速公路北側(cè)進(jìn)入地下，約15°小角度下穿后貼邊并行高速公路，逐漸過渡至高速公路南側(cè)出地面，以盡可能減少居民區(qū)的用地及拆遷。

　　其中：

　　1)Halim機(jī)場(chǎng)：位于高速公路南側(cè)，跑道距離高鐵線位最小距離僅850m，根據(jù)飛行凈空要求，高鐵在穿越高速公路互通范圍時(shí)必須采用隧道方式穿。2)在建Bekasi輕軌：尚未通車，墩臺(tái)施工完畢，線位沿高速公路北側(cè)設(shè)置，與高鐵小角度交叉，需要下穿節(jié)點(diǎn)方案特殊設(shè)計(jì)，會(huì)造成輕軌的拆改工程。3)雅萬高速公路：大流量交通要道，需要下穿主干道及互通立交橋，下穿收費(fèi)站及天橋。

　　4)寺廟及房屋：側(cè)穿兩處多層建筑清真寺，其中處超淺埋近接側(cè)穿，宗教重地，基本無拆遷可能;高速公路沿線2~4層民房密布，私人土地征地拆遷難度極大，需盡量少拆遷。5)在建高速公路服務(wù)區(qū)：高鐵與服務(wù)區(qū)進(jìn)出道路交叉，橋跨方案需預(yù)留道路寬度和凈空。6)河流：高鐵與河流并行反復(fù)交叉，河道寬度16～20m、常年流水，水深最低3m，水量與旱、旺季相關(guān)，河流對(duì)高鐵施工干擾影響嚴(yán)重。7)征拆：高鐵被禁止侵占軍方用地，避免干擾高速公路，盡量減少征地拆遷。

　　2.2工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

　　隧道地層主要為第四系全新統(tǒng)人工堆積層(ml)，第四系更新統(tǒng)沖洪積層(av)，洞身范圍內(nèi)地層主要有黏土、粉質(zhì)黏土、粉土黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂及細(xì)圓礫土，地層差異較大，砂礫土地層局部有膠結(jié)，強(qiáng)度5MPa左右，地層存在軟硬不均。地表水系主要為隧道進(jìn)口附近城市河流及地勢(shì)低洼積水，河流護(hù)堤擋墻高度約5m，水流較緩，河道曲折，兩岸居民區(qū)存在洪泛現(xiàn)象。區(qū)內(nèi)地下水主要為第四系孔隙潛水和砂層承壓水，地下水埋深約0.3～7m，水位變幅2~3m;承壓水以黏性土層為相對(duì)隔水層，承壓水頭基本在略低于潛水水位處，隧道圍巖分級(jí)為Ⅵ級(jí)。

　　2.3氣候特性隧址為熱帶雨林氣候，分干濕兩季，瞬時(shí)降雨強(qiáng)度極大。雨季為10月次年月，雨季最大降雨量達(dá)到88mm/h。年平均降雨量2000mm以上，雨季對(duì)明挖施工組織影響巨大。

　　3隧道總體方案及工法比選研究

　　3.1隧道走向比選研究

　　根據(jù)沿線控制點(diǎn)、隧道工期以及各隧道施工工法的優(yōu)缺點(diǎn)，分析提出三項(xiàng)隧道方案。

　　方案Ⅰ：線路下鉆高速公路，明挖為主局部暗挖隧道方案充分發(fā)揮明挖隧道可以多點(diǎn)開花，縮短工期及工藝簡(jiǎn)單的特性，除了互通立交處難以明挖而采用暗挖外，其余地段均采用明挖施工隧道。采用明挖法下鉆高速公路時(shí)需進(jìn)行臨時(shí)交通導(dǎo)改，改移長(zhǎng)度1km。

　　3.1.2方案Ⅱ：線路下鉆高速公路，盾構(gòu)為主局部明挖隧道方案充分發(fā)揮盾構(gòu)隧道可以避免地面交通倒改干擾的特性，盡量多在高速公路下方穿行，減少在房屋下方穿行。

　　3.1.方案Ⅲ：線路上跨高速公路、隧道下鉆互通方案充分利用明線造價(jià)低特性，除了互通立交處采用暗挖外，其余地段均采用路橋方案。

　　3.2方案比較分析從技術(shù)可行性出發(fā)，從征地拆遷、建設(shè)工期，工程實(shí)施難易程度、工程投資等多方面進(jìn)行綜合分析，重點(diǎn)分析了各方案外部制約條件和需進(jìn)一步落實(shí)的問題。采用盾構(gòu)為主的方案占地面積較方案和方案III分別減小了5.2%和7.1%，考慮到目標(biāo)國(guó)私有土地及政治經(jīng)濟(jì)特性，征拆及外部協(xié)調(diào)周期難以控制，經(jīng)綜合比選，推薦采用方案Ⅱ，即盾構(gòu)方案，重點(diǎn)落實(shí)盾構(gòu)隧道穿越及施工實(shí)施的可行性問題。

　　4隧道近接穿越主要風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)技術(shù)研究

　　4.1下穿輕軌方案

　　雅加達(dá)輕軌為服務(wù)于2018年雅加達(dá)亞運(yùn)會(huì)而修建，由法國(guó)設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)，印尼施工企業(yè)承建，設(shè)計(jì)時(shí)速100km/h，以橋梁形式并行高速公路北側(cè)，采用雙線槽形梁結(jié)構(gòu)(普通梁型為跨度30m簡(jiǎn)支梁)，橋墩采用獨(dú)柱墩墩頂托盤形式，基礎(chǔ)采用¢1.2m摩擦群樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)，每墩群樁~6根，樁長(zhǎng)30~60m，樁基主筋¢32mm，每根樁基主筋20~24根。輕軌與高鐵線位約18°小角度交叉，強(qiáng)烈影響輕軌個(gè)橋墩，其中根樁基與盾構(gòu)刀盤沖突，根樁基距離刀盤邊線在0.2~0.5m以內(nèi)，難以采取主動(dòng)措施保護(hù)。

　　該處盾構(gòu)隧道覆土約10m，不足0.8(為隧道直徑)，且距離始發(fā)井不足80m，直接通過屬于超淺埋始發(fā)試驗(yàn)段切樁，工程風(fēng)險(xiǎn)巨大，需要研究提前躲避處置方案。由于高鐵設(shè)計(jì)階段輕軌交叉處橋墩尚未施工，但輕軌亞運(yùn)會(huì)工程，施工進(jìn)展迅速，為便于與輕軌產(chǎn)權(quán)單位協(xié)議，需要考慮輕軌與高鐵的建設(shè)時(shí)序和工籌的各種可能情形并提前制定解決方案。

　　4.1.3方案Ⅲ：輕軌原位不拆墩樁基托換導(dǎo)洞破樁隧道下穿方案正穿橋墩基礎(chǔ)采用“門”形承臺(tái)樁基托換，側(cè)穿橋墩基礎(chǔ)采用懸挑型承臺(tái)樁基托換，沖突樁基采用豎井暗挖導(dǎo)洞人工鑿除，導(dǎo)洞覆土僅3m。

　　4.1.4方案Ⅳ：輕軌原位拆墩拔樁新建框架墩跨越隧道方案正穿橋墩基礎(chǔ)采用“門”形框架墩，側(cè)穿橋墩基礎(chǔ)采用懸挑牛腿型歪脖子墩，沖突樁基采用地表機(jī)械拔除。

　　4.1.5方案優(yōu)缺點(diǎn)比選：綜合考慮施工安全風(fēng)險(xiǎn)和產(chǎn)權(quán)單位協(xié)調(diào)難度，對(duì)方案優(yōu)缺點(diǎn)比較如表所示。由于輕軌施工進(jìn)度迅速，高鐵規(guī)劃許可尚未穩(wěn)定，最終交叉處輕軌墩臺(tái)全部完成，隧道需下穿既有非運(yùn)營(yíng)輕軌橋墩，從安全和減少廢棄工程角度，方案Ⅳ最具可行性。

　　4.1.6拔樁施工可行性分析

　　為拔除¢1.2m鋼筋混凝土橋樁，對(duì)微擾動(dòng)拔樁設(shè)備及工程案例進(jìn)行了調(diào)研和研究，目前國(guó)內(nèi)該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，上海、北京、天津、南昌、徐州、廈門等地鐵及市政工程均有應(yīng)用，對(duì)于直徑1.5m以內(nèi)大深度軟硬地層均不乏成功案例，且設(shè)備基本完全國(guó)產(chǎn)化10。根據(jù)本項(xiàng)目工程地質(zhì)特點(diǎn)，采用擾動(dòng)較小的全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)(¢2.1m鋼套管)+150履帶吊車沖抓斗三種設(shè)備配合作業(yè)。35m樁長(zhǎng)天根，全套管拔樁設(shè)備可自上海港出口至工地現(xiàn)場(chǎng)，綜合考慮通關(guān)手續(xù)、場(chǎng)地施工準(zhǔn)備及工后恢復(fù)，需要局部臨時(shí)占用高速公路兩車道個(gè)月。

　　4.2下穿互通橋臺(tái)及收費(fèi)站樁基方案

　　考慮到隧道進(jìn)口外部明線地段大學(xué)學(xué)府等拆遷控制點(diǎn)，同時(shí)為了獲得運(yùn)營(yíng)較優(yōu)的線形平縱，盾構(gòu)隧道穿越高速公路互通橋梁部位，推薦線路方案為一個(gè)平面=2300m的線形正穿互通橋臺(tái)，隧道自橋臺(tái)樁底正下方穿越，垂直凈距約2.5m。作為比選線位，采用了兩個(gè)困難半徑，分別為1500m和1400m，由于受夾直線和緩和曲線長(zhǎng)度控制，比選方案需要限速150km/h，后者限速160km/h，基本能滿足臨近Halim車站運(yùn)營(yíng)需求;此時(shí)盾構(gòu)自互通橋臺(tái)樁底側(cè)下方穿越，平面凈距4.5m，垂直凈距1.9m;同時(shí)，需要自收費(fèi)站屋架樁底正下方穿越，垂直凈距3.0m。

　　4.2.1施工可行性分析

　　關(guān)于樁底下方隧道開挖對(duì)樁基的影響，學(xué)術(shù)界已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究。

　　眾多學(xué)者通過數(shù)值模擬計(jì)算及理論分析對(duì)樁基與地鐵盾構(gòu)隧道不同空間位置關(guān)系進(jìn)行研究，以樁基沉降、樁基承載力為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)并結(jié)合樁身傾斜，研究了樁基受力及變形性能與隧道開挖坍落拱塑性區(qū)的相對(duì)關(guān)系，提出了相對(duì)量化的參考數(shù)值：認(rèn)為盾構(gòu)刀盤距離樁軸線+6m~12m(正數(shù)為穿越前，負(fù)數(shù)為穿越后)之間樁基承載力損失及樁身沉降顯著，盾構(gòu)自樁底下方穿越時(shí)，從樁身負(fù)摩阻力的角度考慮，樁端與隧道頂?shù)淖钚“踩�距離可近似取為3m。由于地鐵盾構(gòu)隧道直徑較小，一般直徑=6m左右，從郭院成等的研究結(jié)論來看，對(duì)于樁底下方下穿，危險(xiǎn)刀盤與樁水平距離基本在;危險(xiǎn)樁端與隧道頂距離在0.5內(nèi)。

　　本工程盾構(gòu)直徑13.2m，按此推論，樁端與隧道頂距離應(yīng)超過6.6m。推薦線路方案隧道與樁底凈距僅為2.5m，且互通橋梁交通流量大，經(jīng)檢算橋臺(tái)承臺(tái)上部總集中荷載達(dá)到16000kN，受外部限制，地表主動(dòng)加固場(chǎng)地條件一般，加固效果難以保證，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中公路橋梁沉降風(fēng)險(xiǎn)極高，故建議否決推薦線路下穿方案，建議采用比選繞避橋臺(tái)線路方案。雖然比選方案在收費(fèi)站處仍然于樁底正下方下穿，但是收費(fèi)站屬于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，共6根獨(dú)柱樁，檢算單柱上部集中荷載僅為240kN，且收費(fèi)站屋架四角具備地表臨時(shí)支頂加固條件，因此不控制線位方案。

　　4.2.2結(jié)構(gòu)受力可行性

　　考慮到比選方案雖然平面繞避了橋臺(tái)樁底，對(duì)控制橋臺(tái)沉降條件已大大優(yōu)化，但仍屬于較近距離側(cè)下方斜穿樁底，且收費(fèi)站處屬于正下方下穿收費(fèi)站獨(dú)柱樁底，樁基礎(chǔ)上部荷載在隧道上部的附加應(yīng)力量化數(shù)值是多少，是否會(huì)對(duì)管片結(jié)構(gòu)造成較大影響，是否影響結(jié)構(gòu)安全，需要對(duì)此進(jìn)行量化計(jì)算分析。根據(jù)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范及相關(guān)土力學(xué)原理1516，對(duì)問題進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，采用角點(diǎn)法原理計(jì)算土中某空間位置的附加應(yīng)力。

　　對(duì)于互通橋臺(tái)樁基，認(rèn)為盾構(gòu)隧道上方范圍土體喪失側(cè)摩阻力，上部集中力減去承臺(tái)承載力及一部分樁側(cè)摩阻力，橋臺(tái)群樁樁底合計(jì)樁端力約826kN，樁端等效面荷載約182kPa，按照矩形面荷載土中豎向附加應(yīng)力角點(diǎn)法計(jì)算，算得側(cè)下穿時(shí)，隧道拱頂樁基附加應(yīng)力基本為，45°拱肩部位附加應(yīng)力最大，約為kPa，影響較小;對(duì)于收費(fèi)站樁基，由于是獨(dú)柱獨(dú)樁結(jié)構(gòu)，且樁底正下方，按側(cè)摩阻力全部喪失考慮，鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上部荷載按kN/m考慮，樁底集中力約240kN，按照集中荷載土中豎向附加應(yīng)力角點(diǎn)法計(jì)算，算得正下穿時(shí)，隧道拱頂樁基附加應(yīng)力拱頂最大，約為12kPa，同樣影響較小。故比選方案是可行的。

　　4.3近接寺廟保護(hù)方案

　　盾構(gòu)隧道在即將到達(dá)接收井附近(距離約80m)存在一處較大型清真寺，三層框架結(jié)構(gòu)，祈禱廳屬于大跨度高挑高主次梁層板多柱結(jié)構(gòu)，獨(dú)立擴(kuò)大及條形基礎(chǔ)，宗教敏感建筑拆遷難度極大，施工變形控制及噪聲環(huán)境控制要求極高。隧道覆土約8.5m，平面投影上，隧道結(jié)構(gòu)右側(cè)輪廓侵入清真寺圍墻約0.7m，管片外緣距離墻體約2.8m，距離條形基礎(chǔ)約1.8m，隧道左側(cè)輪廓基本位于高速公路路緣，場(chǎng)地十分局促。隧道屬于超淺埋近接盾構(gòu)下穿敏感建筑，初步主動(dòng)加固方案為臨時(shí)拆除圍墻后采用¢0.8m隔離樁排樁的保護(hù)方案，但對(duì)于拆除圍墻和樁基施工環(huán)境干擾問題，未取得產(chǎn)權(quán)單位認(rèn)可。

　　線位繼續(xù)下壓，出口高速公路天橋上跨控制點(diǎn)影響，勢(shì)必增加盾構(gòu)隧道長(zhǎng)度，增加巨額概算，如何在不拆圍墻情況下解決近接側(cè)穿的主動(dòng)加固問題，成為方案成立的關(guān)鍵。根據(jù)國(guó)內(nèi)地鐵工程近接工程主動(dòng)加固的經(jīng)驗(yàn)，MJS工法樁可以實(shí)現(xiàn)空間任意方向的施做，具有樁體直徑大，強(qiáng)度及密實(shí)度質(zhì)量高，帶壓力傳感及智能噴漿的鉆頭具有自平衡功能，對(duì)周邊環(huán)境干擾小等特點(diǎn)，能夠有效解決本工程的問題1719。隧道下穿施工前，在圍墻外場(chǎng)地施工MJ工法樁，斜向25°打入，樁徑2.5m，半圓形，樁長(zhǎng)30m，共排，樁頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁聯(lián)結(jié)，樁內(nèi)部插入¢108mm管棚(內(nèi)部配鋼筋籠)。

　　5盾構(gòu)隧道施工條件可行性研究

　　5.1始發(fā)接收及管片場(chǎng)地可行性

　　隧道進(jìn)口位于高速公路、輕軌與河道交叉并行夾心地帶，屬于洪澇影響區(qū)，存在夾心空地，居民房屋也相對(duì)稀疏，房屋為磚混結(jié)構(gòu)，1~2層居多。隧道出口位于高速公路側(cè)部，地勢(shì)略高，無洪澇問題，居民密集，房屋2~4層居多。

　　5.2盾構(gòu)機(jī)運(yùn)輸通關(guān)及入場(chǎng)可行性

　　盾構(gòu)機(jī)大型設(shè)備當(dāng)?shù)責(zé)o法生產(chǎn)，需國(guó)內(nèi)生產(chǎn)。盾構(gòu)機(jī)部件根據(jù)設(shè)備生產(chǎn)地址，可在廣州港、上海港等地出海，由貨輪海運(yùn)至雅加達(dá)Tanjungpriok港，在雅加達(dá)市區(qū)利用市區(qū)快速路及雅萬高速公路運(yùn)輸至工地，全程約20km，路線下穿約12處人行天橋，極端限高5.21m，限寬6.0m;經(jīng)過座大型橋梁，從以往大型機(jī)電設(shè)備(單組件最大370)進(jìn)口案例來看，除個(gè)別路段需要拆除路障外，設(shè)備組件運(yùn)輸載重及轉(zhuǎn)彎半徑無任何問題，交通較為方便。在設(shè)備通關(guān)上，專業(yè)報(bào)關(guān)公司預(yù)計(jì)報(bào)關(guān)時(shí)間15天，大致流程包括預(yù)備進(jìn)出口單據(jù)→換單→報(bào)檢→報(bào)關(guān)→辦理設(shè)備交接單→提箱→提貨。

　　6盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行性分析

　　6.1隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件

　　場(chǎng)地隧道洞身以火山堆積地層的粉質(zhì)黏土、砂礫土為主，占比各自一半左右。黏土標(biāo)貫8~30擊;砂礫土局部有膠結(jié)，標(biāo)貫20~50擊。全隧道覆土7~25m，地下水位變化幅度不大，始發(fā)和接收段施工期抗浮需要采取臨時(shí)措施。地表地震動(dòng)(相應(yīng)于50年超越概率為10%的地震動(dòng))峰值加速度值為0.221。場(chǎng)地類別為Ⅱ類，場(chǎng)地土類型為軟弱中硬土，場(chǎng)地為建筑抗震不利地段。

　　6.2隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行性分析

　　綜合上述地質(zhì)水文及地震條件，隧道土層相對(duì)較硬，屬于Ⅷ度地震區(qū)，與我國(guó)北京市中東部隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件有類似之處。故在管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用工程類比法，擬定通用楔形環(huán)管片，“8+1模式”的分塊方式，管片厚度0.55m，環(huán)寬2.0m。管片材料采用C50，環(huán)與環(huán)間以50根10.9級(jí)M36高性能的縱向螺栓相連，塊與塊間每環(huán)共計(jì)18根10.9級(jí)M36的高性能環(huán)向螺栓相連。依據(jù)GB50909—2014《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》采用管片結(jié)構(gòu)橫斷面反應(yīng)位移法、隧道縱向反應(yīng)位移法的初步檢算，通過一定的管片配筋加強(qiáng)，能夠滿足結(jié)構(gòu)受力安全要求。

　　7結(jié)論

　　本文針對(duì)印尼雅萬高鐵號(hào)隧道工程進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的比選分析，考慮了目標(biāo)國(guó)政治文化等差異因素，提出一套針對(duì)環(huán)境敏感區(qū)大斷面盾構(gòu)隧道的總體設(shè)計(jì)方案和分析方法，具體結(jié)論如下：

　　(1)隧道走向方案及工法選擇應(yīng)充分考慮到目標(biāo)國(guó)政治經(jīng)濟(jì)特性，盡量避免大體量征拆或拆改的方案，采用盾構(gòu)為主的方案對(duì)周邊環(huán)境干擾最小，工期最為可控，可行性最高。(2)盾構(gòu)穿越輕軌橋樁應(yīng)兼顧輕軌拆改協(xié)調(diào)難度和施工安全風(fēng)險(xiǎn)，能地上解決絕不地下解決，盡量避免多重工程風(fēng)險(xiǎn)的互相疊加，采用拔樁后新建框架墩和懸臂墩最為可行。下穿互通橋臺(tái)及收費(fèi)站處，樁底下穿應(yīng)根據(jù)上部荷載區(qū)別對(duì)待，從隧道與建筑物兩方面量化分析影響，避實(shí)就虛，確定安全可控的近接穿越方案。近接寺廟穿越采用MJS傾斜樁主動(dòng)隔離保護(hù)能夠解決特殊建筑物保護(hù)問題。

　　(3)隧址進(jìn)口始發(fā)、出口接收?qǐng)龅乜尚校�盾�?gòu)機(jī)設(shè)備通關(guān)入場(chǎng)可行。盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無重大特殊條件，工程類比結(jié)構(gòu)方案整體可行。(4)本工程盾構(gòu)隧道總體技術(shù)方案可行，應(yīng)根據(jù)論證分析結(jié)論，圍繞盾構(gòu)隧道實(shí)施條件，著重落實(shí)外部邊界條件穩(wěn)定線路穿越協(xié)議，并根據(jù)協(xié)議及時(shí)調(diào)整細(xì)節(jié)方案設(shè)計(jì)。本工程提出的針對(duì)環(huán)境敏感區(qū)大斷面盾構(gòu)隧道的總體設(shè)計(jì)方案和分析方法可為類似境外隧道工程的設(shè)計(jì)提供參考。(5)本工程在實(shí)施階段需重點(diǎn)對(duì)高速公路及寺廟部分動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，白天高速公路車流量大，應(yīng)布置自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)，夜晚車流量小時(shí)可采用局部人工監(jiān)測(cè)校核;寺廟的監(jiān)測(cè)點(diǎn)則應(yīng)盡量布置于寺廟外以防干擾寺廟內(nèi)的禱告活動(dòng)。本文以整體設(shè)計(jì)方案研究為主，文中未提及的輔助施工措施、施工工藝、時(shí)機(jī)掌控以及動(dòng)態(tài)控制等在實(shí)際工程的施工中也同等重要。

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　　作者：韓華軒，孟慶余，朱戰(zhàn)魁，趙福全

篇(3)

　　摘要：進(jìn)行雙線高速鐵路隧道全斷面機(jī)械化開挖時(shí)對(duì)圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的要求較高，雖然大面積開挖對(duì)隧道受力特性及穩(wěn)定性具有一定影響，但由于隧道采用全斷面機(jī)械化施工，初期支護(hù)的施作能夠及時(shí)封閉成環(huán)，圍巖仍具有一定自穩(wěn)能力。而既有大斷面隧道在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮圍巖自穩(wěn)能力，因此需要就高鐵隧道全斷面機(jī)械化下圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)優(yōu)化就行研究。首先，以黃(岡)黃(梅)高速鐵路劉元隧道為依托工程，通過巖石常規(guī)三軸試驗(yàn)獲得準(zhǔn)確可信的數(shù)值計(jì)算參數(shù);其次，采用強(qiáng)度折減法，數(shù)值求解依托工程工況下的安全系數(shù)，以安全系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)依托工程工況下的圍巖穩(wěn)定性;然后，以拱頂沉降位移及邊墻收斂位移作為評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性的定量指標(biāo)，對(duì)依托工程進(jìn)行支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究，得到適用于依托工程的合理初期支護(hù)參數(shù);最后，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)采用優(yōu)化后支護(hù)參數(shù)段隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：雙向高速鐵路隧道全斷面機(jī)械化開挖時(shí)具有良好的自穩(wěn)能力，且在強(qiáng)度折減法分析中，拱頂沉降及邊墻收斂對(duì)折減系數(shù)變化敏感;可將拱頂沉降及邊墻收斂作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到適用于依托工程的優(yōu)化支護(hù)參數(shù);現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了采用優(yōu)化后參數(shù)段隧道的圍巖穩(wěn)定性和優(yōu)化參數(shù)的合理性。

　　關(guān)鍵詞：鐵路隧道;強(qiáng)度折減法;圍巖穩(wěn)定性;支護(hù)優(yōu)化;現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè);全斷面機(jī)械作業(yè)

　　引言

　　高鐵隧道全斷面機(jī)械化作業(yè)具有開挖斷面大、工程風(fēng)險(xiǎn)高、技術(shù)難度大、建設(shè)工期緊等特點(diǎn)。一方面，隧道大面積開挖會(huì)對(duì)圍巖的變形和失穩(wěn)造成一定影響，情況嚴(yán)重時(shí)將會(huì)增大隧道施工風(fēng)險(xiǎn)、危及人身安全;另一方面由于隧道采用全斷面機(jī)械化施工，初期支護(hù)的施作又能夠及時(shí)封閉成環(huán)，有利于圍巖穩(wěn)定性。且隧道全斷面機(jī)械化施工明顯地改變了傳統(tǒng)以人工開挖、半機(jī)械化作業(yè)經(jīng)驗(yàn)所形成的設(shè)計(jì)施工規(guī)范及相應(yīng)的圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致原有規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的適用性降低，相關(guān)研究和工程案例可提供的施工經(jīng)驗(yàn)也較少。

　　目前，已有眾多學(xué)者對(duì)大斷面隧道的支護(hù)形式開展了大量研究。Kang等[1]以大斷面鐵路隧道為背景，采用DEA算法對(duì)初支厚度、錨桿長(zhǎng)度及間距進(jìn)行優(yōu)化分析，得出在隧道埋深增加過程中，應(yīng)相應(yīng)增厚初支的厚度，以保證隧道圍巖的穩(wěn)定性。Zhao等[2]提出了一種基于LSSVM/ABC的錨桿加固隧道的可靠性優(yōu)化方法，對(duì)錨桿長(zhǎng)度、數(shù)目及間距進(jìn)行優(yōu)化分析，研究表明該方法精度高、可靠性強(qiáng)、優(yōu)化效率高。Kim等[3]針對(duì)大斷面隧道支護(hù)措施進(jìn)行研究，通過改進(jìn)鋼架連接及結(jié)構(gòu)形式，改善了傳統(tǒng)格柵拱架的承載能力。

　　Rodríguez等[4]基于支護(hù)特性曲線及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)性，推導(dǎo)得出大斷面隧道初支鋼架受力形式及初支噴混的應(yīng)力形式，研究結(jié)果對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供一定的理論依據(jù)。Choi等[5]針對(duì)軟巖大斷面隧道工程，利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值計(jì)算方法，研究了能確保圍巖穩(wěn)定性的最佳支護(hù)施作時(shí)機(jī)。張全全[6]以淺埋大斷面隧道工程為背景，采用數(shù)值分析、理論計(jì)算等方法，研究大斷面隧道圍巖變形特征及支護(hù)參數(shù)優(yōu)化，研究結(jié)論對(duì)控制大斷面隧道圍巖穩(wěn)定提供依據(jù)。

　　劉大剛等[7]基于極限平衡法得出不同支護(hù)措施下掌子面穩(wěn)定系數(shù)公式，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，建立大斷面機(jī)械化施工隧道支護(hù)模型，并將研究成果成功應(yīng)用到鄭萬高鐵隧道工程。牛澤林等[8]以大斷面板巖隧道為背景，研究不同工法對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，表明兩臺(tái)階法施工較CD法對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響小，并針對(duì)性的提出支護(hù)措施，保證了隧道施工中的安全。葉萬軍[9]等針對(duì)大斷面黃土隧道開展支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，通過數(shù)值計(jì)算及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析支護(hù)的受力特征，研究指出支護(hù)結(jié)構(gòu)較為薄弱部位，提出相應(yīng)加固措施。

　　李術(shù)才等[10]針對(duì)超大斷面軟巖隧道圍巖穩(wěn)定問題開展研究，通過模型試驗(yàn)真實(shí)再現(xiàn)大斷面隧道開挖過程，在分析開挖過程中圍巖變形及受力規(guī)律后，提出軟巖隧道大斷面開挖造成的圍巖擾動(dòng)范圍為三倍洞徑，盡早施作支護(hù)可改善圍巖的穩(wěn)定。綜上，雖然目前就大斷面隧道的受力形態(tài)和支護(hù)形式進(jìn)行了一定的研究，但既有研究未充分考慮圍巖的自穩(wěn)能力和大斷面隧道機(jī)械化作業(yè)時(shí)支護(hù)施作及時(shí)成環(huán)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的有利之處。綜上，本文以黃(岡)黃(梅)高速鐵路劉元隧道作為依托工程，運(yùn)用強(qiáng)度折減法計(jì)算安全系數(shù)，定量分析圍巖穩(wěn)定性，對(duì)初期支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)初期支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)效果進(jìn)行驗(yàn)證。

　　1工程概況

　　本文以黃(岡)黃(梅)高速鐵路劉元隧道作為依托工程。劉元隧道隧址區(qū)位于武穴市大金鎮(zhèn)境內(nèi)，為單洞雙線隧道，采用全斷面機(jī)械化作業(yè)施工。隧道全長(zhǎng)605m。隧道進(jìn)出口里程分別為：DK90+660、DK91+265;所處地區(qū)為丘陵地貌，隧道最大埋深89m，隧道區(qū)主要巖性為石英片巖，全~弱風(fēng)化，單軸飽和抗壓強(qiáng)度平均值為39.79MPa，地表水無腐蝕性、弱發(fā)育。劉元隧道典型里程段(DK90+60~DK90+80)為IV級(jí)圍巖，埋深30m，隧道跨度14.7m。原設(shè)計(jì)依據(jù)圍巖分級(jí)及工程類比法[11]。

　　2圍巖力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)

　　本文利用巖石常規(guī)三軸試驗(yàn)測(cè)定依托工程圍巖力學(xué)參數(shù)，以獲得準(zhǔn)確、可信的依托工程圍巖力學(xué)參數(shù)，用于后續(xù)數(shù)值計(jì)算研究。

　　2.1試樣參數(shù)

　　本次巖石常規(guī)三軸試驗(yàn)所用標(biāo)準(zhǔn)試件均取自黃黃鐵路HHZQ3標(biāo)劉元隧道DK90+060080里程現(xiàn)場(chǎng)掌子面，取樣方法為現(xiàn)場(chǎng)鉆芯，隨后用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室切石機(jī)進(jìn)行加工。試樣為天然狀態(tài)下石英片巖，直徑50mm，高100mm。

　　2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

　　2.2.1巖石抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算

　　2.2.2巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

　　依據(jù)巖石常規(guī)三軸試驗(yàn)獲得石英片巖達(dá)到峰值應(yīng)力之后的應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)�過程曲線可知[1214]：此次試樣曲線并沒有表現(xiàn)出明顯的壓密階段，隨著圍壓的增大，巖石試樣峰值強(qiáng)度逐漸增大，超過峰值強(qiáng)度后，此時(shí)巖石試樣內(nèi)部裂隙繼續(xù)發(fā)展，最后可以觀察到峰值強(qiáng)度后的殘余應(yīng)變和殘余強(qiáng)度曲線。

　　2.2.3圍巖物理力學(xué)參數(shù)的確定

　　利用HoekBrown強(qiáng)度準(zhǔn)則，可將上述由常規(guī)三軸試驗(yàn)得到的巖石物理力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場(chǎng)巖體的物理力學(xué)參數(shù)。

　　3基于強(qiáng)度折減法的隧道穩(wěn)定性分析

　　鄭穎人、胡文清、張黎明等人[1821]利用強(qiáng)度折減法，將安全系數(shù)的概念引入巖質(zhì)隧道的穩(wěn)定性分析。安全系數(shù)具有一定的力學(xué)意義，可以作為隧道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的定量指標(biāo)。因此本文利用強(qiáng)度折減法，求出毛洞隧道圍巖的安全系數(shù)，以此定量評(píng)價(jià)圍巖的穩(wěn)定性。

　　3.1強(qiáng)度折減法原理及失穩(wěn)判據(jù)

　　強(qiáng)度折減法是通過不斷的折減圍巖的內(nèi)摩擦角及黏聚力，在此過程中分析特征點(diǎn)變化規(guī)律，直到所分析的指標(biāo)表明圍巖達(dá)到失穩(wěn)極限狀態(tài)。

　　使用強(qiáng)度折減法計(jì)算隧道工程的安全系數(shù)時(shí)，關(guān)鍵在于選用合理失穩(wěn)判據(jù)確定隧道圍巖處于臨界極限平衡狀態(tài)，現(xiàn)有的判據(jù)有以下幾種：(1)塑性區(qū)貫通。一般來說，塑性區(qū)貫通是隧道失穩(wěn)的必要不充分條件。若單單只以塑性區(qū)是否貫通作為判據(jù)會(huì)導(dǎo)致求得圍巖的安全系數(shù)F偏小。(2)計(jì)算不收斂。以此為判據(jù)需人為設(shè)定計(jì)算精度及步數(shù)等，具有一定的主觀性，計(jì)算結(jié)果也未必準(zhǔn)確。同時(shí)計(jì)算模型網(wǎng)格、計(jì)算軟件對(duì)計(jì)算的收斂性也具有一定影響。(3)特征點(diǎn)位移突變。在強(qiáng)度折減計(jì)算過程中，圍巖及結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)位移會(huì)隨著折減系數(shù)Fs而變化，當(dāng)在某一Fs下位移發(fā)生突變，即可認(rèn)為該Fs為安全系數(shù)F。

　　隨著折減進(jìn)行，當(dāng)圍巖強(qiáng)度降低到某一臨界值時(shí)，隧道會(huì)產(chǎn)生破壞。現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，施工人員常利用隧道特征點(diǎn)(拱頂、洞周、仰拱)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以此判斷是否穩(wěn)定。因此，以此作為隧道圍巖失穩(wěn)的判據(jù)是可行的。綜上，以特征點(diǎn)位移突變作為隧道圍巖失穩(wěn)的主要判據(jù)最為直觀且最易判斷[22]，因此本文選擇特征點(diǎn)(拱頂、拱腰、拱肩、仰拱等部位)位移是否發(fā)生突變?yōu)樗淼绹鷰r失穩(wěn)的主要判據(jù)。

　　4初期支護(hù)優(yōu)化研究

　　根據(jù)第3節(jié)中無支護(hù)狀態(tài)下隧道各測(cè)點(diǎn)位移隨折減系數(shù)的變化特點(diǎn)，由于拱頂豎向位移以及邊墻水平位移對(duì)折減系數(shù)的變化較為敏感，本文以隧道拱頂沉降位移以及邊墻收斂位移作為評(píng)價(jià)不同初期支護(hù)工況下圍巖穩(wěn)定性的指標(biāo)，作為初期支護(hù)優(yōu)化研究的依據(jù)，從初期支護(hù)中涉及的初期支護(hù)厚度、鋼架縱向間距及錨桿長(zhǎng)度三方面進(jìn)行數(shù)值模擬優(yōu)化研究。數(shù)值計(jì)算時(shí)采用計(jì)算的模型尺寸，采用實(shí)體單元模擬初支，采用Beam單元模擬鋼拱架，采用Cable單元模擬錨桿，并施加80kPa的預(yù)應(yīng)力;開挖過程選用全斷面開挖。

　　考慮到雙線高鐵隧道全斷面機(jī)械化施工中開挖與支護(hù)施作存在間隔時(shí)間，支護(hù)施作難免存在滯后的情況，本文在數(shù)值模擬中將初期支護(hù)的施作落后開挖一個(gè)循環(huán)(一次開挖進(jìn)尺4m);文獻(xiàn)[25]中研究了噴射混凝土彈性模量隨時(shí)間發(fā)展規(guī)律，結(jié)果表明：在噴射混凝土施作后2小時(shí)內(nèi)，噴射混凝土彈性模量?jī)H為2.043GPa，在24小時(shí)內(nèi)噴射混凝土彈性模量迅速增長(zhǎng)，并在28天內(nèi)發(fā)展達(dá)到終值23GPa。因此，本文通過模擬噴射混凝土彈性模量的發(fā)展，考慮初支強(qiáng)度發(fā)展。在數(shù)值模擬中噴射混凝土剛剛施作時(shí)，認(rèn)為其彈性模量?jī)H發(fā)揮10%，至下一循環(huán)恢復(fù)100%。

　　5基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的圍巖穩(wěn)定性分析

　　如前文所述，拱頂沉降位移及邊墻收斂位移對(duì)折減系數(shù)變化敏感，因此本文以拱頂沉降位移及邊墻收斂位移作為評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性的定量指標(biāo)。為了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證優(yōu)化方案的安全性和可行性，本節(jié)通過對(duì)采用由第4節(jié)中確定的優(yōu)化支護(hù)參數(shù)的依托工程DK90+060~DK90+080里程段進(jìn)行拱頂沉降、水平收斂現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而評(píng)價(jià)采取支護(hù)優(yōu)化方案后的隧道圍巖穩(wěn)定性。

　　DK90+060里程段現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)拱頂沉降穩(wěn)定后最終值為4.92mm，數(shù)值模擬值為2.65mm，相差2.27mm;水平收斂穩(wěn)定后最終值為0.73mm，數(shù)值模擬值為0.33mm，相差0.40mm。整體上來看，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有一定偏差，造成這一結(jié)果的原因可能有以下幾點(diǎn)：

　　(1)數(shù)值計(jì)算時(shí)并未考慮地下水、節(jié)理裂隙等對(duì)最終計(jì)算結(jié)果的影響;(2)實(shí)際工程中采用光面爆破開挖，模擬時(shí)暫沒有考慮該因素的影響;(3)模擬時(shí)支護(hù)得以及時(shí)的進(jìn)行施作，在實(shí)際施工中，由于種種原因，支護(hù)的施作或多或少有一定的滯后性。盡管現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有一定偏差，但現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果均處于正常安全結(jié)果以內(nèi)，因此現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果仍能夠證明支護(hù)優(yōu)化參數(shù)的安全性和合理性。

　　6結(jié)論與討論

　　(1)本工程中的石英片巖在試驗(yàn)過程中未表現(xiàn)出明顯的壓密階段，隨著圍壓的增大，巖石試樣峰值強(qiáng)度逐漸增大。結(jié)合HoekBrown強(qiáng)度準(zhǔn)則以及MohrCoulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)三軸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正，得到現(xiàn)場(chǎng)巖體的物理力學(xué)參數(shù)。

　　(2)以位移突變?yōu)榕袚?jù)，采用強(qiáng)度折減法，就高鐵隧道全斷面機(jī)械化作業(yè)條件下無支護(hù)狀態(tài)隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，計(jì)算得出無支護(hù)狀態(tài)隧道圍巖的安全系數(shù)為2.02，具有良好的自穩(wěn)能力。在強(qiáng)度折減法分析中，拱頂沉降及邊墻收斂對(duì)折減系數(shù)變化敏感，應(yīng)在監(jiān)測(cè)過程中加強(qiáng)對(duì)拱頂沉降及邊墻收斂的監(jiān)測(cè)，以保證隧道圍巖穩(wěn)定性。

　　(3)將拱頂沉降及邊墻收斂作為評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性的定量指標(biāo)，對(duì)全斷面機(jī)械作業(yè)雙線高鐵隧道進(jìn)行初期支護(hù)優(yōu)化研究，得到適用于劉元隧道的合理初期支護(hù)參數(shù)：初支噴射C30混凝土20cm，選用I18鋼拱架縱向間距2.0m，錨桿長(zhǎng)4.5m，環(huán)向間距1.0m，縱向間距2.0m。可為同類工程的設(shè)計(jì)施工提供參考和依據(jù)。

　　(4)通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，隧道拱頂沉降最終值為4.92mm，自監(jiān)測(cè)之日起，27d后拱頂沉降速率小于0.15mm/d，隧道拱頂沉降達(dá)到穩(wěn)定;水平收斂最終值為0.73mm，自監(jiān)測(cè)之日起，27d后收斂速率趨于穩(wěn)定并小于0.2mm/d，水平收斂達(dá)到穩(wěn)定。表明圍巖變形得到有效控制，驗(yàn)證優(yōu)化后支護(hù)參數(shù)的安全性和合理性，工程效益顯著。

　　(5)本文在基于圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行初期支護(hù)優(yōu)化研究時(shí)僅從初期支護(hù)中涉及的初期支護(hù)厚度、鋼架縱向間距及錨桿長(zhǎng)度三方面進(jìn)行了初期支護(hù)優(yōu)化研究，針對(duì)初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化方面的研究不夠深入。后續(xù)可進(jìn)行進(jìn)一步的研究，如考慮隧道埋深及開挖進(jìn)尺對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，對(duì)初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行更深入的研究。

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　　作者：劉雨萌1，張俊儒1，*，何冠男2，燕波1，王智勇1