高速鐵路超大斷面隧道施工方法數(shù)值模擬研究

蘇 江

(鐵道第三勘測設計院集團有限公司，天津 300240)

高速鐵路超大斷面隧道施工方法數(shù)值模擬研究

蘇 江

(鐵道第三勘測設計院集團有限公司，天津 300240)

針對高速鐵路軟弱、淺埋超大斷面隧道，采用雙側(cè)壁導坑法、三臺階七步法兩種施工方法分別進行三維數(shù)值模擬和開挖方法的科學性進行對比分析，結(jié)果表明：在施作大管棚超前支護的前提下，三臺階七步法比較合理. 研究結(jié)論為同類工程的設計和施工提供理論參考.

高速鐵路隧道；數(shù)值模擬；雙側(cè)壁導坑法；三臺階七步法

與常速鐵路隧道相比，高速鐵路隧道開挖面積將達到140～170m2，為超大斷面隧道[1]. 由于開挖斷面增大，隧道開挖時圍巖自穩(wěn)能力變差，松弛范圍加大，施工難度急劇增加. 如果隧道施工方法選擇不當，將直接影響到施工進度、施工安全、工程投資等[2].

京滬高速鐵路西渴馬一號隧道洞身DK421+400～DK421+575段上覆30m厚崩塌堆積層，充填碎石土及角礫土，結(jié)構(gòu)松散，容易掉頂，淺埋破碎，施工難度較大. 此地段，設計采用長管棚超前支護、雙側(cè)壁導坑法施工. 雙側(cè)壁導坑法通過剛性分隔讓大斷面隧道改為小斷面隧道，能盡早封閉成環(huán)，有利于控制變形，保證隧道施工的安全；但同時也存在著作業(yè)面多，各工序相互干擾大，施工進度慢，增加對圍巖的擾動次數(shù)等缺點[3]. 因此在現(xiàn)場施工中，可以考慮采用三臺階法施工，以達到既保證施工安全同時加快施工速度的目的.

本文擬選取雙側(cè)壁導坑法、三臺階七步法等兩種施工方法對淺埋、軟弱圍巖段進行開挖模擬. 通過對模擬結(jié)果的分析，評價開挖方案的合理性，為設計和施工提供理論依據(jù)，并為類似工程提供借鑒.

1 西渴馬一號隧道洞身淺埋段支護設計

西渴馬一號隧道洞身淺埋段采用復合式襯砌結(jié)構(gòu). 初期支護采用錨桿、鋼拱架、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土聯(lián)合支護：砂漿錨桿直徑為22mm，長為4m，0.8m×1m 梅花形布置；鋼拱架采用間距為0.6m 的I20a型工字鋼；噴射混凝土采用厚度為28cm 的C25混凝土，全環(huán)施作，拱墻噴混凝土中摻加合成纖維. 二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，拱墻處厚度為50cm，仰拱處厚度為60cm. 由于圍巖破碎，穩(wěn)定性差，拱部120°范圍內(nèi)打設長30m，外徑108mm的大管棚超前支護作為輔助施工措施.

2 數(shù)值模擬方案

2.1 計算模型的建立

為保證計算結(jié)果的可靠性，同時考慮合理的計算工作量，三維計算模型的邊界范圍按以下要求選?。核椒较蜃运淼乐行木€至模型邊界取50m；垂直方向自隧道底部向下取42m；考慮到隧道淺埋，模型向上取至地表；模型沿隧道縱向取50m. 計算采用的邊界條件為：模型的側(cè)面邊界受水平位移約束；下部邊界受到豎向位移約束；地表為自由邊界，不受任何約束. 雙側(cè)壁導坑法三維數(shù)值模型見圖 1，三臺階七步法三維數(shù)值模型見圖2.

圖1 雙側(cè)壁導坑法三維數(shù)值模型

圖2 三臺階七步法三維數(shù)值模型

2.2 計算參數(shù)

西渴馬一號隧道洞身淺埋段為Ⅴ級圍巖，模擬計算時假設圍巖為單一、均質(zhì)的連續(xù)介質(zhì)，其物理力學性質(zhì)根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料并結(jié)合規(guī)范來取值[4]. 錨桿、長管棚超前預支護的加固效果，根據(jù)經(jīng)驗通過提高圍巖的物理力學參數(shù)來模擬[5]. 鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮，即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土. 計算沒有考慮鋼筋網(wǎng)的作用效果，作為結(jié)構(gòu)的安全儲備.

由于隧道埋深較淺，初始應力場根據(jù)巖體的自重應力場計算得到. 巖體的本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，并服從Mohr-Coulomb 屈服準則.

本次計算圍巖及錨桿、超前支護加固區(qū)的物理力學參數(shù)見表1.

表1 圍巖及加固區(qū)物理力學參數(shù)

2.3 施工步驟模擬

西渴馬一號隧道的模擬施工步驟，分別為設計階段推薦采用的雙側(cè)壁導坑法和施工考慮采用的三臺階七步法. 這兩種開挖方法的施工工序示意圖見圖3，圖中的數(shù)字表示依次開挖的斷面順序編號.

圖3 施工工序示意圖

3 計算結(jié)果分析

計算采用有限差分軟件FLAC3D進行數(shù)值模擬計算. 考慮到邊界條件的影響，以及隧道開挖時的空間效應，取隧道模型縱向的中間斷面為研究斷面，對計算結(jié)果進行分析.

3.1 拱頂下沉對比分析

在研究斷面處，兩種工法圍巖豎向位移分布云圖見圖4.

圖4 圍巖豎向位移分布云圖

從圖4可知，在隧道開挖過程中，雙側(cè)壁導坑法最大拱頂下沉值為8.52mm，三臺階七步法最大拱頂下沉值為14.55mm，前者僅為后者的58.56%. 雙側(cè)壁導坑法未出現(xiàn)豎向位移大于1mm的區(qū)域，三臺階七步法豎向位移大于1mm的區(qū)域位于拱頂及兩側(cè)拱肩上方約10m范圍內(nèi).

可見，雙側(cè)壁導坑法對圍巖變形的控制效果，要優(yōu)于三臺階七步法. 通過計算過程可知，兩種開挖方法的圍巖變形都能在開挖后趨于收斂，并參照《鐵路隧道設計規(guī)范》關(guān)于隧道周邊位移的規(guī)定[4]，兩種開挖方法拱頂下沉量都不超過允許變形值. 因此，兩種開挖方法都能夠保證施工安全.

3.2 圍巖應力及塑性區(qū)對比分析

在研究斷面處，采用三種施工方法時，圍巖最小主應力(壓應力)分布云圖見圖 5，隧道周邊圍巖塑性區(qū)見圖6.

采用雙側(cè)壁導坑法開挖時，周邊圍巖最大壓應力值為1.019MPa；塑性區(qū)分布在兩側(cè)邊墻，最大塑性區(qū)深度約為1.5m. 采用三臺階七步法開挖時，邊墻處一定深度內(nèi)為應力集中區(qū)，最大值壓應力值為1.140MPa；塑性區(qū)分布在兩側(cè)邊墻及墻腳處，邊墻塑性區(qū)深度約為3m，墻腳處最大塑性區(qū)深度約為5.5m.

圖5 圍巖最小主應力分布云圖

圖6 隧道周邊圍巖塑性區(qū)

對比兩種施工方法，雙側(cè)壁導坑法的最大壓應力值、塑性區(qū)大小都小于三臺階七步法，說明雙側(cè)壁導坑法由于一次開挖斷面面積較小，初期支護及時封閉，引起隧道兩側(cè)邊墻的應力集中程度較小. 對于三臺階七步法，最大壓應力值為1.140MPa，在圍巖可以承受的壓應力范圍；最大塑性破壞深度約為5.5m，也是可以通過打設長錨桿，加強鎖腳錨管等措施加以控制的.

3.3 初期支護應力對比分析

在研究斷面附近，兩種施工方法的初期支護最小主應力分布云圖見圖7.

圖7 初期支護最小主應力分布云圖

從圖 7可以看出，雙側(cè)壁導坑法的初期支護在臨時支護與初期支護交接部位壓應力最大，達到14.453MPa，超過C25噴射混凝土的彎曲抗壓強度設計值13.5MPa[4]，這樣大的壓應力對于臨時支護來說是一個嚴峻的考驗. 三臺階七步法的初期支護在邊墻處壓應力最大，達到6.319MPa.

以上分析表明，雙側(cè)壁導坑法的支護受力遠大于三臺階七步法. 雙側(cè)壁導坑法施工可以有效控制圍巖位移，是以支護承受較大的形變壓力為代價的；而三臺階七步法施工通過適度的圍巖變形使得圍巖應力得到有效釋放，大大減小了支護受力.

4 三臺階七步法可行性

雙側(cè)壁導坑法能夠多次封閉成環(huán)，提供多次的支護阻力，且能夠有效的控制變形. 但三臺七步法，雖不能多次成環(huán)，卻能夠通過適度的圍巖變形使得圍巖應力得到有效釋放，減小了支護受力，充分發(fā)揮圍巖自身承載能力，這反映了新奧法的核心理念，也可以通過特征曲線法分析反映出來(見圖8).

圖8 特征曲線法圖解

5 三臺階七步法在施工進度及經(jīng)濟比較中的優(yōu)越性

5.1 施工進度優(yōu)越性

根據(jù)隧道施工經(jīng)驗，采用三臺階七步法施工，月成洞指標約 50~60m，而采用雙側(cè)壁導坑法施工，月成洞指標只能達到20~30m. 從施工進度的角度考慮，三臺階七步法遠遠優(yōu)于雙側(cè)壁導坑法.

5.2 經(jīng)濟比較中優(yōu)越性

由于三臺階七步法不用施作臨時支護，相比雙側(cè)壁導坑法，節(jié)省了鋼架及射混凝土數(shù)量，工程造價得到降低. 以西渴馬一號隧道斷面為例，如采用雙側(cè)壁導坑法，每延米需臨時支護鋼架 1.715t，臨時支護噴射混凝土7.12m3，加上裝拆臨時支護的工費. 雙側(cè)壁導坑法在臨時支護方面的投資每延米近1.5萬元，而三臺階七步法則沒有這部分投資費用. 因此，在滿足支護效果的前提下，三臺階七步法更為經(jīng)濟合理.

6 結(jié)論

通過對淺埋軟弱圍巖大斷面隧道施工的三維數(shù)值模擬對比研究，可以看出，雖然雙側(cè)壁導坑法對控制圍巖變形、減小圍巖塑性破壞的效果要優(yōu)于三臺階七步法，但其對圍巖位移及塑性破壞的控制效果，是以支護承受較大的形變壓力、增多施工工序、延長施工工期、增加工程造價為代價的；而在超前大管棚支護作用下，采用三臺階七步法施工，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，使圍巖變形值小于允許變形值，塑性破壞也在可控范圍內(nèi)，能滿足隧道開挖支護效果，確保施工安全，同時達到加快施工進度，節(jié)省施工費用的目的.另外，三臺階法可以發(fā)揮大型施工機械設備多臺階流水施工的優(yōu)勢，同時遇到其他地質(zhì)條件改變時，能容易地變換為其他施工方法，體現(xiàn)靈活多變易變的特點.

因此，在施作大管棚超前支護的前提下，三臺階七步法能夠很好的解決大斷面隧道開挖快速掘進和圍巖穩(wěn)定的問題，又能降低工程造價，是比較合理的施工方法，適用于高速鐵路隧道超大斷面礦山法施工.

[1] 陳立寶. 三臺階法在客運專線山嶺隧道軟弱圍巖中的推廣應用[J]. 鐵道工程學報, 2008(12): 72-74.

[2] 鐵道部工程設計鑒定中心. 高速鐵路隧道[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2006.

[3] 楊仲杰. 客運專線特大斷面隧道開挖方法研究[J]. 鐵道建筑, 2008(5): 61-63.

[4] 中華人民共和國鐵道部第二勘察設計院. TB 10003-2005鐵路隧道設計規(guī)范[S]. 北京: 中國鐵道出版社, 2005.

[5] 湯勁松, 劉松玉, 童立松, 等. 破碎巖體淺埋大跨公路隧道開挖方案對比研究[J]. 巖土力學, 2007(S1): 469-473.

(責任編輯：饒 超)

Numerical Analysis on Excavation Methods of High-speed Railway Tunnel with Extra-large Section

SU Jiang
( The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation Ltd., Tian Jing 300240, China)

Aiming at the shallow overburned and extra-large section tunnel in high speed railway, the three dimensional numerical simulation is conducted to model different excavation methods, including double-sidedrift excavation and three-bench seven-step excavation. By comparative analysis, it demonstrates that double-side- drift excavation is more reasonable when the pipe-roof advanced support technology is applied. The results of this study are expected to provide academic reference to design and construction for the similar engineering.

High-speed railway tunnel; Numerical simulation; Double-side- drift excavation ; Three-bench seven-step excavation

U455

A

1009-2854(2011)05-0042-06

2011-03-01；

2011-04-13

蘇 江(1983— )，男，四川南充人，鐵道第三勘測設計院集團有限公司助理工程師.