ABAQUS在隧道中的应用_施工工法优化

第3章ABAQUS在隧道中的应用—施工工法优化知识要点：;隧道施工工法概述;新奥法的施工特点及开挖方法;ABAQUS的模拟方法;隧道施工工法优化研究;本章小结本章导读：本章主要研究ABAQUS在隧道开挖过程中施工工法优化方面的数值模拟。首先介绍一般隧道的施工工法，然后针对目前常用的新奥法的施工特点和开挖方法进行了介绍，采用ABAQUS在隧道施工开挖方面的数值模拟功能，对小间距隧道在不同围岩类别情形下的各种施工工法逐一进行了优化分析研究，并得到相关结论。3.1概述概括地说，隧道施工具有隐蔽性大、作业的循环性强、作业空间有限、作业综合性、施工动态性、作业环境恶劣、作业的风险性大、气候影响小等特点，因此，各种施工技术必须考虑这些特性，才能够发挥其作用。根据隧道穿越地层的不同情况和目前隧道施工方法的发展，隧道施工方法可按以下方式分类：⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎩⎨⎧盾构法沉管法水底隧道施工方法盾构法浅埋暗挖法盖挖法地下连续樯法明挖法法浅埋及软土隧道施工方掘进机法新奥法传统矿山法钻爆法矿山法山岭隧道施工方法隧道施工方法)(矿山法因昀早应用于矿石开采而得名，它包括上面已经提到的传统方法和新奥法。由于在这种方法中，多数情况下都需要采用钻眼爆破进行开挖，故又称为钻爆法。有时候为了强调新奥法与传统矿山法的区别，而将新奥法从矿山法中分出另立系统。掘进机法包括隧道掘进机(TunnelBoringMachine，简写为T.B.M.)法和盾构掘进机法。前者应用于岩石地层，后者则主要应用于土质围岩，尤其适用于软土、流砂、淤泥等特殊地层。沉管法、明挖法等则是用来修建水底隧道、地下铁道、城市市政隧道等，以及埋深很浅的山岭隧道。在隧道施工中昀重要的是选择合理的施工方法。选择施工方法时需考虑的基本因素大体上可归纳为：(一)施工条件(二)围岩条件(三)隧道断面积(四)埋深(五)工期(六)环境条件从目前的工程实际出发，在今后很长一段时期内，矿山法仍然是修建山岭隧道的主流方法，是其他方法不可能代替的。隧道施工过程和方法是多种多样的，目前在我们经常采用的矿山法中大致有全断面法、台阶法和分部开挖法三大类。在当前的施工实践中，采用昀多的方法是台阶法，其次是全断面法。在大断面隧道中，单侧壁导坑（中隔壁法）和双侧壁导坑（眼镜法）采用较多。由于施工机械的开发和辅助工法的采用，施工方法有向更多地采用全断面法，特别是全断面法与超短台阶法结合的发展趋势。也就是说，施工方法有向全地质型方法转变的趋势。因此，目前选择施工方法，并不完全决定于地质条件。地质条件仅仅是选择施工方法的一个因素，而更应强调的是：施工方法必须符合快速、安全、质量及环境的要求。其中环境因素有时成为选择施工方法的决定性因素。3.2新奥法3.2.1隧道施工应遵循的基本原则1963年，由奥地利学者L·腊布兹维奇教授命名为“新奥地利隧道施工法(NewAustriaTunnellingMethod)”，简称“新奥法(NATM)”正式出台。它是以控制爆破或机械开挖为主要掘进手段，以锚杆、喷射混凝土为主要支护方法，理论、量测和经验相结合的一种施工方法。同时又是一系列指导隧道设计和施工的原则。归纳起来，施工中不管采用哪种方法，都必须遵循的基本技术原则是：1.围岩是隧道的主要承载单元，所以要在施工中充分保护和爱护围岩。2.为了充分发挥围岩的结构作用，应容许围岩有可控制的变形。3.变形的控制主要是通过支护阻力(即各种支护结构)的效应达到的。4.在施工中，必须进行实地量测监控，及时提出可靠的、足够数量的量测信息，以指导施工和设计。这是“新奥法”的重要组成部分。5.在选择支护手段时，一般应选择能大面积的、牢固的与围岩紧密接触的、能及时施设和应变能力强的支护手段。6.要特别注意，隧道施工过程是围岩力学状态不断变化的过程。7.在任何情况下，使隧道断面能在较短时间内闭合是极为重要的。。8.在隧道施工过程中，必须建立设计—施工检验—地质预测—量测反馈—修正设计的一体化的施工管理系统，以不断地提高和完善隧道施工技术。上述隧道施工的基本原则可扼要地概括为：“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”。在实际施工过程中，这些原则也不是一成不变的，应该结合实际情况进行完善和提高。3.2.2新奥法的分类及施工工序新奥法施工，按其开挖断面的大小及位置，基本上又可分为以下几种：1全断面开挖法。2台阶法，其中包括：(1)长台阶法；(2)短台阶法；(3)超短台阶法。3分部开挖法，其中包括：(1)台阶分部开挖法(环形开挖留核心土法)；(2)中隔壁法(单侧壁导坑法、CD法)；(3)双侧壁导坑法(眼镜法)等。新奥法的施工工序可用以下框图(图3-1)表示：图3-1新奥法施工程序3.2.3开挖方法按开挖隧道的横断面分部情形来分，开挖方法可分为全断面开挖法、台阶开挖法，分部开挖法。1.全断面开挖法如图，施工的顺序是：Step1：施工准备完成后，用钻孔台车钻眼，然后装药，联接起爆网路；Step2：退出钻孔台车，引爆炸药，开挖出整个隧道断面；Step3：进行通风、撒水，排烟、降尘；Step4：排除危石，安设拱部锚杆和喷第一层混凝土；Step5：用装碴机将石碴装入矿车或运输机，运出洞外；Step6：安设边墙锚杆和喷混凝土；Step7：必要时可喷拱部第二层混凝土和隧道底部混凝土；Step8：开始下一轮循环；Step9：在初次支护变形稳定后，或按施工组织中规定日期灌注内层衬砌。根据围岩稳定程度及施工设计亦可以不设锚杆或设短锚杆。也可先出碴，然后再施作初次支护，但一般仍先进行拱部初次支护，以防止局部应力集中而造成的围岩松动剥落。适用条件：全断面法适用于岩层覆盖条件简单、岩质较均匀的硬岩中。必须具备大型施工机械。隧道长度或施工区段长度不宜太短。否则采用大型机械化施工的经济性差。根据经验，这个长度不应小于1km。2.台阶开挖法台阶开挖法一般是将设计断面分上半断面和下半断面两次开挖成型。台阶法包括长台阶法、短台阶法和超短台阶法等三种，其划分是根据台阶长度来决定如图3-3所示。至于施工中究竟应采用何种台阶法，要根据以下两个条件来决定：(1)初次支护形成闭合断面的时间要求，围岩越差，闭合时间要求越短；(2)上断面施工所用的开挖、支护、出碴等机械设备施工场地大小的要求。在软弱围岩中应以前一条件为主，兼顾后者，确保施工安全。在围岩条件较好时，主要考虑是如何更好地发挥机械效率．保证施工的经济性，故只要考虑后一条件。现将各种台阶法叙述如下：图3-2全断面开挖法1-全断面开挖法;2-锚喷支护;3-模筑混凝土衬砌图3-3台阶法施工形式1）长台阶法：上、下断面相距较远，一般上台阶超前50m以上或大于5倍洞跨。长台阶法的作业顺序为：上半断面开挖：Step1：用两臂钻孔台车钻眼、装药爆破，地层较软时亦可用挖掘机开挖。Step2：安设锚杆和钢筋网，必要时加设钢支撑、喷射混凝土。Step3：用推铲机将石碴推运到台阶下，再由装载机装入车内运至洞外。Step4：根据支护结构形成闭合断面的时间要求，必要时在开挖上半断面后，可建筑临时底拱，形成上半断面的临时闭合结构，然后在开挖下半断时再将临时底拱挖掉。但从经济观点来看，昀好不这样做，而改用短台阶法。下半断面开挖：Step1：用两臂钻孔台车钻眼、装药爆破。装碴直接运至洞外。Step2：安设边墙锚杆(必要时)和喷混凝土。Step3：用反铲挖掘机开挖水沟。喷底部混凝土。优缺点及适用条件：有足够的工作空间和相当的施工速度，上部开挖支护后，下部作业就较为安全，但上下部作业有一定的干扰。相对于全断面法来说，长台阶法一次开挖的断面和高度都比较小，只需配备中型钻孔台车即可施工，而且，对维持开挖面的稳定也十分有利。所以，它的适用范围较全断面法广泛，凡是在全断面法中开挖面不能自稳，但围岩坚硬不要用底拱封闭断面的情况，都可采用长台阶法。2）短台阶法：台阶长度小于5倍但大于1～1.5倍洞跨。上下断面采用平行作业。短台阶法的作业顺序和长台阶相同。优缺点及适用条件：由于短台阶法可缩短支护结构闭合的时间，改善初次支护的受力条件，有利于控制隧道收敛速度和量值，所以适用范围很广，Ⅰ～Ⅴ级围岩都能采用，尤其运用于Ⅳ、Ⅴ级围岩，是新奥法施工中经常采用的方法。缺点是上台阶出碴时对下半断面施工的干扰较大，不能全部平行作业。为解决这种干扰可采用长皮带机运输上台阶的石碴；或设置由上半断面过渡到下半断面的坡道。将上台阶的石碴直接装车运出。过渡坡道的位置可设在中间，也可交替地设在两侧。过渡坡道法通用于断面较大的双线隧道中。3）超短台阶法：台阶仅超前3～5m，只能采用交替作业。优缺点及适用条件：由于超短台阶法初次支护全断面闭合时间更短，更有利于控制围岩变形。在城市隧道施工中，能更有效的控制地表沉陷。所以，超短台阶法适用于膨胀性围岩和土质围岩，要求及早闭合断面的场合。当然，也适用于机械化程度不高的各类围岩地段。缺点是上下断面相距较近，机械设备集中，作业时相互干扰较大生产效率较低，施工速度较慢。在软弱围岩中施工时，应特别注意开挖工作面的稳定性，必要时可对开挖面进行预加固或预支护。3.分部开挖法分部开挖法是将隧道断面分部开挖逐步成型，且一般将某部超前开挖，故也可称为导坑超前开挖法。分部开挖法可分为三种变化方案：台阶分部开挖法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法，见图6-6。1）台阶分部开挖法。又称环形开挖留核心土法。开挖面分部形式：一般将断面分成为环形拱部（图3-4(a)中的1、2、3）、上部核心土4、下部台阶5等三部分。施工作业顺序为：Step1：用人工或单臂进机开挖环形拱部。或根据断面的大小，环形拱部又可分成几块交替开挖。Step2：安设拱部锚杆、钢筋网或钢支撑、喷混凝土。Step3：在拱部初次支护保护下，用挖掘机或单臂掘进机开挖核心土和下台阶，随时接长钢支撑和喷混凝土、封底。Step4：根据初次支护变形情况或施工安排建造内层衬砌。由于拱形开挖高度较小，或地层松软锚杆不易成型，所以施工中不设或少设锚杆。环形开挖进尺为0.5～1.0m，不宜过长。上部核心土和下台阶的距离，一般双线隧道为1倍洞跨，单线隧道为2倍洞跨。优缺点及适用条件：在台阶分部开挖法中，因为上部留有核心土支挡着开挖面，而且能迅速及时地建造拱部初次支护，所以开挖工作面稳定性好。和台阶法一样，核心土和下部开挖都是在拱部初次支护保护下进行的，施工安全性好。这种方法适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩中。与超短台阶法相比，台阶长度可以加长，减少上下台阶施工干扰；而与下述的侧壁导坑法相比，施工机械化程度较高，施工速度可加快。虽然核心土增强了开挖面的稳定，但开挖中围岩要经受多次扰动，而且断面分块多，支护结构形成全断面封闭的时间长，这些都有可能使围岩变形增大。因此，它常要结合辅助施工措施对开挖工作面及其前方岩体进行预支护或预加固。图3-4台阶开挖形式2）单侧壁导坑法。开挖面分部形式：一般将断面分成三块：侧壁导坑1、上台阶2、下台阶3，见图3-4(b)。侧壁导坑尺寸应本着充分利用台阶的支撑作用，并考虑机械设备和施工条件而定。一般侧壁导坑宽度不宜超过0.5倍洞宽，高度以到起拱线为宜，这样，导坑可分二次开挖和支护，不需要架设工作平台，人工架立钢支撑也较方便。导坑与台阶的距离没有硬性规定，但一般应以导坑施工和台阶施工不发生干扰为原则，所以在短隧道中可先挖通导坑，而后再开挖台阶。上、下台阶的距离则视围岩情况参照短台阶法或超短台阶法拟定。施工作业顺序为；Step1：开挖侧壁导坑，并进行初次支护(锚杆加钢筋网、或锚杆加钢支撑、或钢支撑，喷射混凝土)，应尽快使导坑的初次支护闭合；Step2：开挖上台阶，进行拱部初次支护，使其一侧支承在导坑的初次支护上，另一侧支撑在下台阶上；Step3：开挖下台阶，进行另一例边墙的初次支护，并尽快建造底部初次支护，使全断面闭合；Step4：拆除导坑临空部分的初次支护；Step5：建造内层衬砌。优缺点及适用条件：单侧壁导坑法是将断面横向分成3块或4块，每步开挖的宽度较小，而且封闭型的导坑初次支护承载能力大，所以，单侧壁导坑法适用