浅埋隧道大小断面转换工程数值计算及工艺优化.docx

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浅埋隧道大小断面转换工程数值计算及工艺优化

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摘要：贵阳地铁2号线金朱西路站～诚信路站区间是位于岩溶发育地区的浅埋深隧道，在建设过程中，存在多种断面的切换。小断面转大断面开挖常采用逐渐扩大断面正掘，扩至设计大断面后反掘的方式进行施工。考虑岩溶发育区复杂地质条件，对传统渐变断面外扩“喇叭口”施工方法进行了改进，设计了一种短距外扩接断面突变施工工法，该方法的核心为在从小断面起逐渐加大断面，在断面尺寸适宜时在强支护下突增断面至设计大断面。解决了地质条件难以开展渐变施工的限制，同时降低了外扩和反掘工作量。为验证该方法的合理性，根据地勘资料和实际工程特征建立数值计算模型。计算了在正掘扩面过程中采用密集超前注浆锚杆、喷射混凝土和系统锚杆支护条件下围岩和支护结构所处的状态及地表沉降，通过数值计算验证了设计方法的有效性。研究成果为相关工程提供参考。

关键词：地铁隧道；断面转换；短距外扩接断面突变施工工法；岩溶地区；数值计算。

1引言

地铁隧道站点和会车等线路复杂，设计的大小断面转换工程较多。其中由小断面转为大断面施工较复杂，在施工组织和变形控制方面带来挑战。练志勇[1]采用FLAC计算了突变断面隧道施工地表沉降，发现从小断面转大断面施工引起的地表沉降明显小于较大断面转小断面引起的沉降。刘瑞琪[2]介绍了大连3号线穿越岩溶区的施工流程及超前地质预报手段。王亚君[3]应用有限元程序计算了复杂变截面隧道开挖地表沉降和围岩应力及变形响应，验证了组合梁理论和Peck模型在计算浅埋隧道引起地表沉降的适宜性。闫明超等[4]介绍了合分修隧道由4个断面逐渐扩大断面的施工工艺；侯琴[5]介绍了重庆市轨道6号线变截面隧道施工工艺。可见变断面施工是隧道施工中的重要问题，且在岩溶发育地区的研究较少。

小断面转大断面施工通常采用逐渐扩大断面的“喇叭”外扩法施工，外扩过程中的支护均为临时支护，在扩大至设计大断面后需拆除，反扩工作量大，造成材料的浪费；此外在岩溶地区，渐变断面段在临时支护条件下穿越岩溶发育区为施工安全带来挑战。本文结合贵阳地铁2号线金朱西路站～诚信路站区间岩溶发育地质条件下大小断面转换段地质情况和工程特征，设计了一种短距外扩接断面突变施工工法，并建立数值计算模型，验证设计方法对开挖过程和地表沉降控制的影响。研究相关为相关工程提供借鉴。

2工程背景

2.1地质条件概况

场区地貌类型为溶蚀洼地及溶蚀残丘相间地貌。工程区附近多由第四系地层覆盖，基岩仅在周边小山包处零星出露，出露地层主要为三叠系下统地层，其岩性特征由新至老为：（1）第四系覆盖层，其中素填土层（Qml），由混凝土块、碎石及红黏土组成，结构松散，平均厚度3.2m；残积层（Qel）为红黄、黄色红黏土夹少量碎块石，主要分布在洼地、溶槽及缓坡地带，平均厚度7.3m。（2）基岩，三叠系下统大冶组一段（T1d），分布于整个场区，以浅灰色极薄至薄～中厚层泥晶灰岩为主，厚134~190m。其中强风化灰岩内溶蚀强烈，风化裂隙发育，岩体破碎，有溶蚀泥槽分布，钻孔岩芯多呈碎块状；中风化灰岩中岩石组织结构少部分破坏，矿物成分基本未变化，裂隙较发育，裂面主要由方解石及岩屑充填，少量泥质，完整性较好，钻孔岩芯呈柱状、短柱状及少量碎块状。

2.2工程概况

贵阳轨道交通地铁2号线金朱西路站～诚信路站区间隧道穿越岩溶区，地质比较复杂，位于市政道路下面，两段区间因为后期运营功能所需，在隧道开挖施工期间大小断面转换施工多达11次，隧道施工大小断面转换期间的安全控制是本项目隧道施工的控制重点以及难点。如图1(a)、(b)，YDK+930大里程方向为小断面，断面面积为38m2；YDK+930小里程方向为大断面，断面面积为129m2。从小断面向大断面方向围岩溶蚀加剧，在转入大断面23m左右隧道穿越严重溶蚀地段。若采用常规逐渐外扩扩大断面方法，采用临时支护通过该段，将为施工安全和地表沉降控制带来挑战。针对这种地质和工程条件，需要设计新的施工方法通过该段。

(a)隧道转换纵断面图

(b)大小断面转换横截面图

图1大小断面转换

3大小断面转换设计工法及计算

3.1大小断面转换设计工法

3.1.1设计原则

(1)根据地质条件设计施工方案，确保施工安全。小断面转大断面的常用施工方法从小断面外扩“喇叭口”式逐渐增大开挖隧道断面。前期地质勘查表明在大断面隧道约23m(YDK882)位置上部岩溶较为发育，岩体质量差。若采用常规缓慢变径外扩法通过该段，外扩过程中临时支护的强度较低，难以确保安全施工和有效的变形沉降控制。

(2)减少临时支护和反扩工作量。外扩过程中的临时支护将在反扩过程中被拆除，造成材料的浪费；同时反扩过程施工组织复杂，比较耗时。因此