论文总字数：18153字

摘 要

本文经过数值模拟研究了预切槽法在超浅埋隧道中的作用，通过监测隧道的变形与预切槽结构受力进行分析，分析了预切槽法在超浅埋隧道中的适用性，为预切槽法在超浅埋隧道中的应用提供了理论依据。论文主要工作和研究成果如下：

（１）总结了软弱围岩隧道变形控制方法，要重视掌子面超前核心土在隧道变形中

的作用，应从超前预切槽支护、掌子面玻璃纤维锚杆加固、施作仰拱3个方面加强对于隧道变形的控制。

（２）采用预切槽作为超前支护方式，可以有效控制地表沉降、拱顶沉降和隧道四周的收敛，预切槽法能够减少隧道收敛变形。

（３）应该保证支护结构安全满足要求，在隧道开挖时应遵守＂快挖、快支＂的原则以防止错过最佳时间从而导致隧道变形增大。



关键词：超浅埋隧道；新意法；超前加固；预切槽法；分布开挖。

Abstract

In this paper, the function of pre-cutting method in ultra-shallow buried tunnel is studied through numerical simulation, and the applicability of pre-cutting method in ultra-shallow buried tunnel is analyzed by monitoring the deformation of tunnel and the stress of pre-cutting structure, which provides a theoretical basis for the application of pre-cutting method in ultra-shallow buried tunnel. The main work and research results are as follows: (1) the control method of tunnel deformation in soft surrounding rock is summarized. The role of tunnel face advanced core soil in tunnel deformation should be emphasized. The control of tunnel deformation should be strengthened from three aspects: pre-cutting slot support, tunnel face fiberglass bolt reinforcement and invert construction.

(2) Adopting pre-cutting as the advanced support method can effectively control the surface subsidence, vault subsidence and the convergence around the tunnel, and pre-cutting can reduce the convergent deformation of the tunnel.

(3) The safety of the support structure should be guaranteed to meet the requirements. The principle of "quick digging and quick support" should be observed in the excavation of the tunnel to avoid the increase of tunnel deformation caused by missing the best time.

Key Words： ultra-shallow buried tunnel；ADECO-RS approach；advance reinforcement；

Pre-cutting method；Distribution of excavation.

目录

第一章 绪论 1

1.1超浅埋隧道面临的问题与研究意义 1

1.1.1超浅埋隧道面临的问题 1

1.1.2研究意义 1

1.1.3国内外研究现状 2

第2章预切槽工法和预切槽机介绍 3

2.1预切槽工法的基本原理及适用范围 3

2.1.1预切槽工法的基本原理 3

2.1.2预切槽主要适合工况 4

2.2预切槽技术的重要指标 4

2.3预切槽法的特点 5

2.4限制机械预切槽的条件 6

2.5预切槽机介绍 6

2.5.1轴心回转式预切槽机 6

2.6预切槽法与管棚法相比 8

第3章软弱围岩隧道的建设方案与控制随便变形技术 9

3.1软弱围岩隧道的建设方案 9

3.1.1ADECO-RS法（新意法） 9

3.2软弱围岩隧道控制变形的方案和原则 11

3.2.1软弱围岩隧道控制变形的方案 11

3.2.2软弱围岩隧道控制变形的基本原则 11

3.3软弱隧道围岩控制变形的技术 11

3.3.1超前预衬砌 12

3.3.2掌子面加固措施 12

3.3.3施加仰拱措施 12

第4章预切槽法下穿机场高速公路隧道施工过程数值分析 12

4.1工程概况 12

4.2flac3d数值分析模拟计算 13

4.2.1数值模拟计算模型参数选取 13

4.2.2模型计算建模建立 14

4.2.3模拟计算方案 15

4.3计算分析 16

4.3.1地表沉降分析 16

4.3.1.1机场高速地表沉降分析 16

4.3.1.2地表沉降槽分析 18

4.3.2拱圈竖向沉降及横向收敛分析 19

4.3.2.1拱顶竖向沉降分析 20

4.3.2.2拱脚竖向沉降及横向收敛分析 20

4.3.2.3墙中竖向沉降及横向收敛分析 22

4.3.2.4墙脚竖向沉降及横向收敛分析 23

4.3.3拱圈应力变化分析 25

结论与展望 26

主要工作与结论 26

展望 27

第一章 绪论

1.1超浅埋隧道面临的问题与研究意义

1.1.1超浅埋隧道面临的问题

在本世纪，我们国家的隧道建设速度突飞猛进。所面临就将由一些问题：第一地表下方的地质条件问题十分复杂；第二城市地下隧道所面临的约束越来越大（不能有较大的变形岩土）第三，劳动力越来越少短缺严重。因此，采用机械化预切槽功法的开挖方法隧道是将来在施工中越来越多的。城市隧道建设中存在主要问题有以下几个方面：（1）隧道施工容易出现塌方冒顶，施工风险大。（2）浅埋段地表沉降大，易开裂，对周边地下地表建筑物影响大。

1.1.2研究意义

现在城市中的进行开挖隧道将会引起地层的变化从而对于地表的建筑物有一定风险，在我们国家，目前在城市中的隧道建设主要使用的两种方法分别为浅埋暗挖法和盾构机法。但是这些方法都不能保证遇到复杂困难的岩层的时候对于地表沉降有很好的解决方法。这时候就需要采用机械预切槽进行隧道支护以保证地表沉降最小化，预切槽功法中的掌子面开挖方法十分灵活分为全断面开挖或者分步开挖。采用预切槽功法可以减少人员的数量，节省成本，增加隧道的施工过程中的机械化水平，同时最重要的是对于地表沉降的控制十分出色。

预切槽法适用在以下面临的工况下：（1）埋深浅，需要严格控制地表沉降变形的场合;(2)土砂等强度较低的场合；（3）靠近重要建筑物的场合。

预切槽法是结合了和吸收了浅埋暗挖法和盾构法优点的一种隧道施工方法，预切槽法摒弃了浅埋暗挖法的缺点不能很好的控制地表沉降从而使地表的建筑物有损坏的风险，并且可保证隧道内作业人员的安全和通过机械自动化来改造工作面环境加快效率。预切槽法和盾构法相互比较可以得出，预切槽法的优点在于设备造价不到盾构的1/4，成本便宜，更加经济。其次是更加灵活，隧道断面不在只有圆形隧道，隧道的掌子面是暴露在外的，当掌子面突发情况的时候相比于盾构机来比更能迅速的处理突发情况，当掌子面产生塑性变形时，能够及时的对掌子面进行加固处理。节省时间，可以进行分层同时作业。

在美国，法国，意大利等国家中，预切槽法适用的频率更加频繁，我国的预切槽机械研制工作开展时间是在上世纪末，由于当时的机械制造的工艺和材料没有达到要求的水平，切割机的切刀材料强度不够，而且、不能实现开挖切槽之后进行切槽浇筑混凝土的一体化切刀，因此对于预切槽机械的研制就告一段落。由于机械预切槽法对于城市地区隧道挖掘中所遇到的问题例如地表沉降，噪声，震动等一系列有关安全的方面有很好的解决方法，现在国内外的隧道届的人们一直很感兴趣这一新的开挖方法。但是预切槽也有局限的地方，在特别松软的地层中很难形成预切槽衬砌，在水量较大的地方混凝土衬砌浇筑困难。

随着我们地下城市的建设加快增长，面临的地层环境问题会越来越复杂，机械预切槽法会在未来中占有一席之地，所以为了将这种新潜力的作业开挖方法进行发展，对机械预切槽技术的开展研究是有一定必要的。

1.1.3国内外研究现状

在美国——机械预切槽技术的诞生之地，上个世纪60年代，在美国南达科塔州密苏里河上的兰德尔堡水库工程项目中。工程师们将一些圆形隧道的精确轮廓用粉笔画出来，运用的方法是机械预切割法。直到70年代在法国重新发现并进一步发展了机械预切割技术之后，才进一步应用该技术。

之后日本为了城市隧道的建设，从80年代初期引进了预切槽技术，经过实践研发了最初的曲线型链锯切槽机械。在日本城市中需要建造的隧道需要对地表沉降要求严格。所以理所当然的就选择了机械预切槽技术。如日本的横滨新道的新保土的谷隧道，这一条隧道是典型的穿越城市隧道，上部有住宅建筑物和管道线路，要求沉降控制严格，施工难度较大。主要采用的是全断面newPLS新型预切槽法。巴黎一条长2810m的公路隧道，其中的1855m用的是机械预切槽法施工，隧道由两个中心距为29m的双孔隧道构成。每孔隧道的有效断面积为75m^2，埋藏于地下15m。最高日进速度10m，最高周进速度59.8m最高月进速度1994年7月达到了194m。巴黎的EOLE北端隧道，1993年在巴黎使用原有的预切槽机来修筑267m长、跨度为9.50m的隧道。该隧道以19cm厚、4.5m长的预置拱圈来进行上半断面开挖，预置拱圈搭接长度为1～3m不等。值得注意的是，就1m的搭接而言，支护实际上是用两个重叠的预置拱圈组成的。在预置拱圈下掘进机进行开挖。在开挖后不久，便安设重型拱架，继之灌注7m一环的混凝土水久拱圈。通过用土壤回填核心部分，再挖掘和灌注混凝土边墙，最后施做仰拱来完成隧道施工。使用的切槽机是第二代产品，其切割头的功率为90KW。

在意大利预切槽技术得到了空前的发展，采用新型设备，相比于以前的预切槽机将预切槽厚度提高到40-80cm，提高深度到8-9.5m。如2005年左右施工中的Casttello1号隧道和Serralunga公路隧道。其中Casttello1号隧道长75m、开挖直径12m、隧道最小覆土厚度不足10m、洞顶有古老遗迹和易损坏的城堡，隧道施工必须严格控制沉降以确保历史古迹的安全，洞身穿越地层为成层火山沉积岩、采用全断面预筑拱，切槽灌注一体化工艺，切槽长10m、厚度80cm，预筑拱作为永久支护使用，隧道施工采用全断面法开挖。

在上世纪年代处，铁道建筑研究所根据我们当时国家所需要的隧道发展情况，开展了预切槽机械的研制，提出了以中软岩隧道为开挖对象的适用于的预切槽机的研究方案，取得了一定成果，完成了预切槽机的切割工具头的设计与制作，但由于生产工艺和材料强度没有达到标准，所以没有取得预期的结果。

王秀英通过三维flac3d数值模拟软件，研究了预切槽对于软弱围岩隧道控制隧道结构变形和减小变形，认为预切槽法能够对地层变形进行控制。

李斌根据隧道掌子面挤出变形的量将掌子面的稳定性进行了分级处理，主要分为稳定状态，短期稳定，不稳定状态3种，在掌子面的平衡研究中，提出了进行锚杆加固密度，锚杆的加固长度，掌子面的加固范围的确定方法。

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第2章预切槽工法和预切槽机介绍

2.1预切槽工法的基本原理及适用范围

2.1.1预切槽工法的基本原理

机械预切槽法工艺原理为：

（1）在工作面土体幵挖前，运用特制的预切槽机链切式刀沿工作面一定半径连续切割出一条厚度为几十厘米，深度数米的窄沟槽。为使超前预筑拱有支护的作用，在软岩隧道中的超前预筑拱的厚度要比硬岩隧道的超前预筑拱要厚。在困难复杂土体中施工时，为了员工们的安全性和可能发生的不确定性因素，要将切槽深度减小，分多段的进行施工。为了使两段预筑拱之间形成搭接长度，每环切槽要沿着隧道轮廓线进行一定角度的变化，最终形成喇叭状

（2）在切割一段预切槽后的用与切刀下方相连的混凝土灌注设备进行灌注，此时切刀和灌注设备应该在一体，在经过一系列的连续的切槽切灌最终形成一个连续的超前混凝土预筑拱。一般情况下，在预切槽中灌注的混凝土要在混凝土达到一定强度后进行下一阶段的切槽灌注。在最终预筑拱没有达到沉降要求时。必要时首先架设钢架对预衬砌进行加固然后进行第二次喷射混凝土形成二衬，然后在超前预筑拱的支护下进行分布开挖或者全断面开挖。隧道幵挖过程中，根据地质状况在开挖面后15m左右下方喷射混凝土形成封闭仰拱，机械预切槽法施工时，二衬一般在开挖后1.4倍洞径施作，预切槽法施工顺序如图。

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