燕尾隧道小净距段施工设计探究

'燕尾隧道小净距段施工设计探究　　摘要：受地形、地质及长大隧道线间距限制，燕尾隧道应运而生。为解决隧道由大跨段过渡至双洞正常间距段的问题，本文结合山西中南部铁路克昌隧道(燕尾隧道)，采用直接由小净距隧道衔接过渡。通过数值模拟计算、工程类比，选择合理的隧道间距和支护参数。根据现场施工监测显示数据是满足规范要求的，说明该方案是合理、可行的。且该方案结构受力合理、工序相对简单、施工难度较小，可供类似工程参考。关键词：燕尾隧道；小净距段；支护参数；合理净距；施工设计Abstract:restrictedbyterrain,geologyandgrewupinthetunnellinespacing,dovetailtunnelarisesatthehistoricmoment.Tosolvetheproblembylargecrosssectiontunneltransitiontonormaldoubleholespacingproblem,thispapercombinedwiththecentralandsouthernShanxirailway,changtunnel(dovetailtunnel),usingsmallcleardistancetunnellinkingdirectlybythetransition.Throughnumericalsimulationcalculation,engineeringanalogy,choosereasonabledistance15 betweentunnelandsupportingparameters.Accordingtotheconstructionmonitoringdataaremeetthespecificationrequirements,showstheschemeisreasonableandfeasible.Andtheprogramstructureisreasonable,theprocedureisrelativelysimple,lessconstructiondifficulty,toprovidereferenceforsimilarproject.Keywords:dovetailtunnel;Smallcleardistance;Supportingparameters;Reasonableinterval;Constructiondesign中图分类号：U455.2文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)0引言随着我国铁路建设平稳快速的推进，越来越多的铁路需要在复杂的地质、地形、外部环境等条件下建设。受地形、总体线路线形、桥隧相接、车站设置等因素影响，燕尾隧道成为必然的选择。隧道如何由大跨段过渡至双洞正常间距段成为设计研究的重点。15 刘国庆[3]结合兰渝铁路哈达铺隧道对超小净距隧道的设计与施工进行研究,阐述超小净距铁路隧道设计与施工的可行性、经济型及优越性。朱道建[4]从隧道平面布置、分岔过渡形式、可行性论证及计算方法等几方面，提出了由大跨段过渡至连拱隧道进而转换至小净距隧道的步骤、关键问题及相应的计算原则和方法。李春奎，杜立新[5]着重介绍了范家坪铁路隧道喇叭口段由双线向单线反向施工方案比选、施工步骤、施工支护及衬砌参数、施工效果。周有江[6]、卢汉军[9]分别结合工程实例沪总结了燕尾段的施工方案及施工参数。刘继国，郭小红[7]结合沪蓉国道某燕尾隧道采用普氏理论对深埋对深埋小净距隧道的围岩压力计算公式进行了推导。王云震[8]结合向莆铁路赤岭隧道小间距段总结了左右线的施工顺序和滞后距离等施工措施。随着数值模拟计算越来越多的运用于地下工程，在燕尾隧道的计算上，不应仅仅通过理论计算与工程类比总结施工设计参数，更应该加入数值模拟计算来指导其施工设计。本文结合新建山西中南部铁路通道克昌隧道（燕尾隧道）通过数值模拟计算、工程类比对小净距段选择合理的隧道间距和支护参数进行施工设计，结合现场施工监控测量数据总结出净距选择及支护参数，可供类似工程参考。1工程概况克昌隧道为新建山西中南部铁路通道中的一个燕尾隧道。该线为国铁Ⅰ级双线重载铁路，速度目标值为120km/h。[1]15 克昌隧道位于山西省平顺境内，该隧道全长920米，进口段为单洞双线，出口段为2个单洞单线隧道。隧道进口里程为Dk577+990，左线出口里程为DK578+580，右线出口里程为DyK578+600。隧道在DK578+493处由单洞双线分叉为2个单洞单线[1]，本隧道于2010年8月动工，于2012年10月土建贯通。2设计方案的选择2.1线路平纵设计图1克昌隧道燕尾段地形平面图Fig.1Terrainmapofswallow-tail-shapedinkechangtunnel图2克昌隧道燕尾段地质纵断面图Fig.1Longitudinalgeologyofkechangtunnelswallow-tail-shapedsection线路此段位于太行山脉区，克昌隧道出口段受太行山隧道(全长约18.1km)设两条单线隧道线间距30m影响及地形限制，需在克昌隧道内将线间距逐步拉大，在太行山隧道进口处将线间距拉大至30m。15 DK578+493处线间距为8.86m，平面左线以R=1600m的半径、右线以R=2000m的半径拉大线间距，逐步在DK578+580处将线间距增大至16.08m。此段两洞隧道纵坡均为10.7‰的单面下坡。地形平面图如图1。2.2地质概况此段隧道最大埋深35m，洞室位于强-弱风化砂岩、石英砂岩中，产状产缓，砂岩中垂直节理发育，岩体较破碎，工程地质条件较差。隧道围岩等级划分为：DK578+493～DK578+495为Ⅲ级、DK578+495～DK578+528为Ⅳ级、DK578+528～DK578+580为Ⅴ级；DyK578+493～DyK578+503为Ⅲ级、DyK578+503～DyK578+536为Ⅳ级、DyK578+536～DyK578+600为Ⅴ级。地质纵断面图见图2。2.3设计方案的确定燕尾隧道一般意义上由小间距段、连拱段、大跨段组成。连拱隧道结构复杂，施工工序复杂，在软弱破碎级围岩中采用先墙后拱的三导洞法施工时，前后工序互相制约，施工难度较大;而小净距隧道两洞分开施工，在工序上优于连拱隧道。并且小净距隧道在结构受力、工程造价、结构防水等方面具有很大优势。双连拱隧道目前暴露出很多弊端，如施工过程中初支不能及时封闭，运营过程中出现病害几率较高，特别是中端部位渗漏水情况比较普遍；而小净距结构，两座并行隧道是独立的，防排水各成系统。[3]15 图3小净距段平面布置图Fig.3Thefloorplanofsmallintervalsection　　根据克昌隧道的地质情况，克昌隧道采用小净距到大跨段的过渡形式。3施工设计及支护参数3.1净距的选择相邻隧道间距确定，与地质条件、断面尺寸、施工方法、工序等因素有密切关系。当相邻隧道被置于免压圈，即所谓围岩松弛范围以外，就认为互不受施工开挖的影响，或者壁柱中计算的最大应力不超过岩石容许应力，则认为是安全的。但计算数值一般与设计情况出入较大，因此在确定相邻隧道间距时，不能单纯地依据计算结果，更重要的是参考已建成隧道间距的实例和过去实践经验，经验类比确定。[10]田志宇、何川等通过模型实验研究，得出了不同围岩级别下小净距隧道的最小净距建议值（见表1）。[2]上世纪修建的成昆线、襄渝线、新世纪后的宜万线、石太客专等由于各种因素均有修建成功的燕尾隧道可供借鉴。根据克昌隧道的地质情况，小净距段净距由1.5m逐渐过渡到6m。衬砌平面布置图如图3。表1小净距隧道最小合理净距建议值Chart1Therecommendedvalueofreasonable15 minimumspacingofthesmallintervaltunnel注：B为隧道开挖宽度。3.2支护参数设计为减小相互洞室影响，控制洞室本身收敛，利于洞室稳定，左右洞采用分开开挖模式，左右洞掌子面拉开不小于30m的距离。3.2.1工程类比法取支护参数本线紧邻克昌隧道的太行山隧道为双洞单线隧道，是本线控制性先行开工工程，已于2010年3月开工。断面大小与本隧道双洞段断面一样，可类比其支护参数。本线单线隧道断面简图如图4。图4单线隧道断面简图Fig.3single-tracktunnelsectionfigure已施工的Ⅳ级围岩加强衬砌支护参数：全断面初喷厚度18cm、全断面格栅钢架1.2m/榀、锚杆2.5m间距1.2m×1.2m、全断面钢筋网(纵向φ6×环向φ8)间距25cm×25cm。已施工的Ⅴ级围岩加强衬砌支护参数：超前小导管长3.5m(纵向2.25m×环向0.4m)、全断面初喷厚度20cm、全断面工16型钢钢架0.75m/榀、锚杆3m间距1m纵向×0.75m环向、全断面钢筋网(纵向φ6×环向φ8)间距20cm×20cm。15 类比暂取小净距段支护参数如下，Ⅳ级围岩加强衬砌支护参数：全断面初喷厚度20cm、全断面工16型钢钢架1m/榀、锚杆3m间距1m×1m、全断面钢筋网(纵向φ6×环向φ8)间距20cm×20cm。Ⅴ级围岩加强衬砌支护参数：超前小导管长3m(纵向1.8m×环向0.4m)、全断面初喷厚度25cm、全断面工20型钢钢架0.6m/榀、锚杆3m间距1m纵向×0.75m环向、全断面钢筋网(纵向φ6×环向φ8)间距20cm×20cm。3.2.2数值模拟计算本文进行数值模拟采用大型通用有限元软件ANSYS进行单线铁路隧道初支设计力学分析，模型采用地层—结构法分析，将支护结构与围岩视为一体，作为共同的承载结构。本数值模拟假定：a.开挖部分采用单元杀死技术，主体采用Druck_Prager本构模型进行非线性分析；b.不考虑构造应力的影响；c.不考虑开挖工法但主要考虑施工工序的影响；d.不考虑地下水的影响；e.将土体考虑成各向同性的弹塑性模型，锚杆和初期支护考虑成弹性模型。有限元模型：采用平面单元模拟围岩，杆单元模拟锚杆，梁单元模拟初期支护。15 几何模型：由于隧道是在纵向比较长，而横向断面比较小的地下结构物，因此，在计算分析中，简化成平面应变问题。隧道计算属于半无限空间或平面问题。从半无限理论上讲，隧道的开挖施工仅对其开挖洞室周围地层有影响，随着远离隧道的距离的增大，其影响越来越小。因此，在计算中，只要取足够的计算边界就可以得出合理的计算结果。这样可缩小计算边界，从而大大地降低计算资源。取左右两侧的计算边界为隧道总跨度的3～5倍，而隧道下方计算边界取为隧道总高的2倍以上，隧道的上边界到地面（浅埋隧道）。分析思路：第一步自重条件下进行初始应力分析，得到隧道周围节点的初始节点力；第二步在隧道周围的节点上施加节点反力，模拟隧道开挖后应力释放过程；第三步删除节点反力，激活锚杆和初期支护的单元，模拟锚杆和初期支护。本隧道施工由双洞段向单洞段施工，先开挖右线隧道后开挖左线隧道。本模型取DyK578+495处进行分析，断面面向单洞段。隧道埋深30m，净距1.5m。下列数值分析图形中，左边为右线隧道。支护参数取3.2.1节中类比后暂取的支护参数。分析两种工况：右线隧道初支加载，左线隧道在此处开挖；右线隧道初支加载，左线隧道开挖后加载初支。隧道模型单元图如图5。图5隧道模型单元图Fig5.themodelofelement工况一：右线隧道加载初期支护，左线隧道开挖，竖向位移图如图6、水平位移图如图7。图6竖向位移图Fig6.TheY-Displacement(mm)15 图7水平位移图Fig7.TheX-Displacement(mm)工况二：右线隧道加载初期支护，左线隧道加载初期支护，竖向位移图如图8、水平位移图如图9。图8竖向位移图Fig8.TheY-Displacement(mm)图9水平位移图Fig9.TheX-Displacement(mm)从以上位移图中可以得知：工况一，右线隧道竖向最大位移18mm，左线隧道竖向最大位移10mm，右线隧道水平最大位移4mm，左线隧道水平最大位移10mm。工况二，右线隧道竖向最大位移19mm，左线隧道竖向最大位移19mm，右线隧道水平最大位移4mm，左线隧道水平最大位移10mm。根据隧道手册[7]围岩稳定性判断，均满足围岩稳定性要求。4现场量测数据分析现场量测监视围岩应力和变形情况，验证支护衬砌的设计效果，保证围岩稳定和施工安全，确定二次衬砌的施做时间。通过数据分析掌握围岩稳定变化规律，确认或修改支护衬砌设计参数，为今后的隧道设计与施工提供工程类比的依据。15 本隧道出口燕尾段为隧道监测的重点，对拱顶下沉、上下台阶水平收敛进行加密测量。挑选DyK578+495处在2011年1月9日～2011年3月28日时间段内拱顶及边墙的测量数据进行分析。位移收敛及速率收敛曲线图如图10～15所示。图10下台阶水平位移收敛曲线图Fig.10Convergencegraphofhorizontaldisplacementoflowerbench图11下台阶水平速率收敛曲线图Fig11.theconvergencecurveofhorizontalvelocityoflowerbench图12拱顶下沉曲线图Fig12.thesubsidencecurveofvault图13拱顶下沉速率曲线图Fig13.thesubsidencevelocitycurveofvault　　图14上台阶水平位移收敛曲线图Fig14.theconvergencecurveofhorizontaldisplacementofupperbench图15上台阶水平速率收敛曲线图Fig15.theconvergencecurveofhorizontalvelocityofupperbench15 根据隧道手册[7]围岩稳定性判断：位移值，在单线隧道中小于25mm；隧道水平收敛速度小于0.1～0.2mm/d，即围岩基本稳定。通过测量数据分析，隧道水平收敛在一个月后趋于稳定，最大位移值为13.7mm；拱顶下沉在45天后趋于稳定，最大位移值为21.8mm。满足稳定条件，位移值的大小从一定程度上也反映了初期支护参数对本段隧道是适中的。5体会燕尾隧道是受外部条件影响下的特殊隧道，小净距段在平纵断面选择上，在勘察阶段，一定要选择好的围岩，埋深一定要深，并且避开不良地质区域，以避免因地质条件而造成的施工风险增加。本文只是针对特定条件下，针对具体的工程实际，只讨论了Ⅲ级围岩、埋深30m等条件下的最小净距和初支参数。在不同的地质条件下，隧道埋深与净距的研究是值得深入研究的问题。1)最小净距的选择要根据不同等级、岩性的围岩进行不同的选择，可借鉴相邻地区已建隧道的成功经验，结合计算等选择适合隧道本身的合理净距。通过本文研究，建议将大跨变小净距的分叉点控制在Ⅱ、Ⅲ级围岩中，如果没有条件而分叉在Ⅳ、Ⅴ级围岩中则要根据实际情况加大最小净距的间距，如有必要则不能由大跨直接过渡至小净距段。15 2）小净距段的支护参数，要参照隧道其他同等级围岩的支护参数。结合计算，在原有的基础上适当加强，不可盲目过大加强，以避免造成资源浪费。通过施工监测，对支护参数进行效验，可根据现场实际情况适当调整支护参数，以达到最经济、安全的施工设计。通过本文研究，克昌隧道小净距段的支护参数对于本隧道的围岩是适中的。参考文献：[1]中铁隧道勘测设计院有限公司山西中南部铁路通道克昌隧道设计图[R],天津:中铁隧道勘测设计院有限公司,2010[2]田志宇，何川，姚勇，李玉文，兰北章.双洞小净距隧道合理净距模型实验研究[C].2005年全国公路隧道学术会议论文集，2005:40[3]刘国庆.复杂地质条件下超小净距铁路隧道设计与施工研究[J].铁路工程造价管理，2011,第3期:43~46(Liuguoqing.ResearchontheDesignandConstructionoftheSuperSmallSpacingRailwayTunnelsinComplicatedGeologicalConditions[J].RailwayEngineeringCostManagement,2000,No.3:43~46inchinese)[4]朱道建.喇叭口分岔隧道设计方法及其计算分析[J].地下空间及工程学报，2011,第7卷4期:749~752(ZhuDaojian.DesignMethodandAnalysisofForked15 Tunnel[J].ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineering,2011,Vol.7:749~752inchinese)[5]李春奎，杜立新.范家坪隧道喇叭口段施工技术[J].现代隧道技术，2011,第48卷2期:137~140(LinChunkui,DuLixin.ConstructionTechniquesfortheTrumpetSectionofFanjiapingTunnel[J].ModernTunnellingTechnology,2011,Vol.48,No.2:137~140inchinese)[6]周有江.燕尾式隧道设计及施工探讨[J].隧道建设，2009,29(3):367~370(ZhouYoujiang.DiscussesonDesignandConstructionofSwallow-tail-shapedTunnel[J].TunnelConstruction,2009,29(3):367~370inchinese)[7]刘继国，郭小红.深埋小净距隧道围岩压力计算方法研究[J].公路，2009,第3期:200~204(LiuJiguo,GuoXiaohong.AStudyonCalculationMethodofSurroundingRockPressureAboutDeep-BuriedTunnelwithSmallSpacing[J].Highway,2009,No.3:200~204inchinese)[8]王云震.向莆铁路赤岭隧道燕尾段小间距施工技术[J].国防交通工程与技术，2012,第2期:39~42(WangYunzhen.Short-SpacedConstruction15 TechniquesfortheRedMountainSwall-Tailed-TypeTunneloftheXiang-PuRailway[J].TrafficEngineeringandTechnologyforNationalDefence,2012,No.2:39~42inchinese)[9]卢汉军.论双线隧道燕尾段开挖及支护的施工要点[J].科学之友，2012,第13期:62~64(LUHanjun.Ontwo-lanetunneltheswallowtailExcavationandconstructionelementsofthesupport[J].FriendofScienceAmateurs,2012,No.13:62~64inchinese)[10]铁道部第二勘测设计院主编.铁路工程设计技术手册(隧道)，1995:13；11815'