高速鐵路大斷面隧道淺埋段多臺(tái)階開挖法施工技術(shù)優(yōu)化研究

姜長(zhǎng)清

(中鐵十九局集團(tuán)第七工程有限公司，廣東珠海 519020)

國(guó)家“十二五”計(jì)劃以來(lái)，高速鐵路大量修建，2013年在廣西壯族自治區(qū)開通的高速鐵路里程達(dá)到1 000 km以上。南寧到欽州北段的花甲山隧道是一座大斷面、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高的重點(diǎn)隧道，位于廣西南面的十萬(wàn)大山地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，尤其在軟弱圍巖淺埋段，施工難度很大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。本文探討如何低風(fēng)險(xiǎn)、高效率地修建大跨度大斷面淺埋隧道，通過(guò)優(yōu)化已有施工工法，總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，在保證施工安全和質(zhì)量的前提下，提高工效，節(jié)約成本[1]。

1 工程概況

花甲山隧道全長(zhǎng)6 984 m，起止里程DK48+772—DK55+756，設(shè)計(jì)為雙塊式無(wú)砟軌道。該隧道共有DK49+250—DK49+290，DK49+560—DK49+590，DK49+730—DK49+800，DK55+210—DK55+270 4個(gè)淺埋段，洞頂為弱風(fēng)化巖層，設(shè)計(jì)為Ⅴ級(jí)圍巖，覆土厚度約為5～20 m，地表為溝谷地貌，低洼處為水田。

選取 DK49+730—DK49+800典型地段，采用FLAC3D建模計(jì)算，對(duì)開挖工序的應(yīng)力、變形監(jiān)測(cè)分析后，提出優(yōu)化圍巖受力控制圍巖變形，充分發(fā)揮圍巖的自身承載能力同時(shí)減少不同開挖步驟之間的相互擾動(dòng)，并適當(dāng)?shù)匦拚巳_(tái)階七步開挖法。使得該開挖方法的工序轉(zhuǎn)換次數(shù)變少，有效保證掌子面的穩(wěn)定。

2 淺埋暗挖段施工方案

2.1 正洞淺埋段開挖方法

對(duì)花甲山隧道三臺(tái)階七步開挖法建模分析，得出了隧道圍巖及支護(hù)的位移、應(yīng)力的變化情況，分析隧道開挖的穩(wěn)定性，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化了具體施工方案。

三臺(tái)階七步開挖法橫斷面如圖1所示。

圖1 淺埋段三臺(tái)階七步開挖法橫斷面

根據(jù)技術(shù)指南和施工經(jīng)驗(yàn)確定上臺(tái)階開挖高度控制在3.0～3.5 m(可根據(jù)掌子面土層高度調(diào)整上臺(tái)階開挖高度)，核心土長(zhǎng)度控制在3～5 m，上臺(tái)階長(zhǎng)度控制在5～10 m。在施工上臺(tái)階的同時(shí)，中臺(tái)階一側(cè)可緊跟上臺(tái)階開挖，距上臺(tái)階3～5 m，上臺(tái)階進(jìn)尺約10 m后，中臺(tái)階另一側(cè)再進(jìn)行開挖，當(dāng)中臺(tái)階與上臺(tái)階成環(huán)進(jìn)尺約10～15 m后，即可進(jìn)行下臺(tái)階一側(cè)開挖，進(jìn)尺5～10 m后，可開挖下臺(tái)階另一側(cè)及仰拱，最后隧底與下臺(tái)階完全結(jié)合封閉成環(huán)，形成整體[2-3]。建模過(guò)程中，對(duì)上臺(tái)階高度和三臺(tái)階長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化，以得出理想的施工參數(shù)。

2.2 三臺(tái)階七步開挖法建模及結(jié)果分析

根據(jù)花甲山地質(zhì)勘探報(bào)告以及鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范所要求的相應(yīng)圍巖地質(zhì)條件下的圍巖參數(shù)取值，圍巖及注漿加固圈均采用Morh-Coulomb理想彈塑性模型模擬;開挖單元采用Null Model模型模擬，巖體支護(hù)材料參數(shù)取值如表1所示。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的尺寸建模，模型左右采用4倍洞徑，底部采用3.5倍洞徑，上部覆土按淺埋高度取16 m。開挖方法的模擬根據(jù)三臺(tái)階七步施工方法，斷面開挖分為7個(gè)施工步驟，開挖進(jìn)尺為0.6 m，各臺(tái)階之間開挖不同步。以上臺(tái)階開挖高度為3.8 m建模，其他參數(shù)依次調(diào)整，計(jì)算模型及開挖過(guò)程如圖2所示。

表1 實(shí)體單元力學(xué)參數(shù)

圖2 隧道模型及開挖過(guò)程

2.2.1 圍巖應(yīng)力結(jié)果分析

這里只對(duì)第一輪開挖和開挖完成后兩個(gè)關(guān)鍵工序進(jìn)行主應(yīng)力分析。隨著隧道開挖以及加固等施工工序的進(jìn)行，圍巖應(yīng)力場(chǎng)相應(yīng)發(fā)生了顯著變化。圖3～圖6為不同開挖狀態(tài)下的主應(yīng)力云圖。在隧道開挖后，圍巖應(yīng)力的分布基本相似，呈對(duì)稱分布，主應(yīng)力在隧道周圍變化較大，遠(yuǎn)離隧道變化較小。

圖3 第一輪開挖完成后的最大主應(yīng)力云圖(單位:Pa)

從最大主應(yīng)力等值線圖來(lái)看，隧道周圍圍巖中基本以壓應(yīng)力出現(xiàn)，與開挖完成后及時(shí)進(jìn)行支護(hù)有很大關(guān)系，圍巖最大主應(yīng)力場(chǎng)變化明顯，尤其是在各轉(zhuǎn)角部位，但均處于安全受力范圍。

圖4 第一輪開挖完成后的最小主應(yīng)力云圖(單位:Pa)

圖5 開挖完成后的最大主應(yīng)力云圖(單位:Pa)

圖6 開挖完成后的最小主應(yīng)力云圖(單位:Pa)

從最小主應(yīng)力場(chǎng)等值線圖來(lái)看，其分布特征與最大主應(yīng)力基本相似，即在隧道周圍變化較大，遠(yuǎn)離隧道變化較小，且在隧道下部拱腳處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，該處為圍巖受力薄弱部位。

2.2.2 圍巖位移特征分析

下面重點(diǎn)分析圍巖豎向和水平位移變化。隨著隧道的開挖和加固，引起隧道各處產(chǎn)生不同程度的擾動(dòng)，從而引起隧道位移場(chǎng)的變化。通過(guò)分析圍巖位移變化情況可以判斷圍巖穩(wěn)定性。

圖7 第一步圍巖豎向位移云圖(單位:m)

圖8 第一步圍巖水平位移云圖(單位:m)

圖7和圖8為第一步開挖完成后，隧道洞周圍巖豎向和水平位移變化情況。隧道豎向位移從上臺(tái)階掌子面向后發(fā)展，掌子面處拱頂沉降值為6.88 mm，二襯施作處拱頂沉降值為27.6 mm，拱底隆起變形略小，為23.5 mm。受到開挖步和隧道頂部注漿圈加固的影響，最大水平變形量出現(xiàn)在拱腰至起拱線位置，水平位移值類似于豎向位移，其最大水平位移值為27.8 mm。

圖9和圖10為開挖完成后，隧道洞周圍巖豎向和水平位移變化情況。拱頂最終最大沉降值為31.2 mm，拱底隆起最大變形量為25.0 mm。

圖9 第七步圍巖豎向位移云圖(單位:m)

圖10 第七步圍巖水平位移云圖(單位:m)

3 基于數(shù)值模擬結(jié)果的施工方案優(yōu)化

3.1 利用數(shù)值模擬結(jié)果修正三臺(tái)階七步開挖法參數(shù)

結(jié)合已有的設(shè)計(jì)資料，并依據(jù)數(shù)值模擬中所歸納的圍巖施工力學(xué)特性，修正了花甲山隧道三臺(tái)階七步開挖法參數(shù)。Ⅴ級(jí)淺埋段圍巖掌子面穩(wěn)定性較差，上臺(tái)階開挖高度控制在3.6～3.8 m，上臺(tái)階面的開挖長(zhǎng)度控制在3～5 m，每個(gè)斷面循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5～0.6 m。為盡量減輕開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)，采用機(jī)械開挖或弱爆破，爆破時(shí)嚴(yán)格控制炮眼深度及裝藥量。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

圖11為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬拱頂沉降曲線對(duì)比情況?？梢钥闯?，數(shù)值模擬出的隧道拱頂位移與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。表現(xiàn)在隨著開挖步的進(jìn)行，監(jiān)測(cè)斷面的拱頂位移量變化趨勢(shì)一致，隨著隧道的開挖位移逐漸趨于收斂，數(shù)值模擬最終的位移量為31.2 mm，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)最終的變形量為36.6 mm，拱頂沉降的最終數(shù)值計(jì)算結(jié)果略小于監(jiān)測(cè)值。這與計(jì)算視材料為連續(xù)介質(zhì)、采用彈塑性本構(gòu)模型等假設(shè)有關(guān)。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬拱頂沉降曲線對(duì)比

根據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》(TB 10121—2007)，當(dāng)拱頂下沉、水平收斂速率達(dá)5 mm/d或位移累計(jì)達(dá)100 mm時(shí)，應(yīng)暫停掘進(jìn)，并及時(shí)分析原因，采取處理措施。在花甲山隧道施工監(jiān)測(cè)時(shí)Ⅴ級(jí)圍巖地段拱頂沉降基本在25～40 mm，小于監(jiān)測(cè)規(guī)范規(guī)定的允許值。在DK49+730—DK49+800段，第一步開挖加大了上臺(tái)階開挖高度，圍巖受力、位移以及位移速率變化不大，數(shù)值均在安全范圍之內(nèi)，說(shuō)明隧道采用優(yōu)化的施工方案是可行的。

4 結(jié)論

加大上臺(tái)階開挖高度至3.8 m后，拱頂最終最大沉降值為31.2 mm，水平位移值為28.6 mm，變形速率及累計(jì)變形值均處于規(guī)范允許值范圍，表明在適當(dāng)范圍加大上臺(tái)階開挖高度是可行的。

花甲山隧道Ⅴ級(jí)淺埋圍巖地段，將上臺(tái)階開挖高度控制在3.6～3.8 m，優(yōu)化了施工工序，加快了施工進(jìn)度，明顯提高了工效，節(jié)約成本近200萬(wàn)元，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，結(jié)果可靠，進(jìn)一步印證了隧道信息化施工的科學(xué)性，可為類似工程提供借鑒。

[1]龔成術(shù).淺談大斷面黃土隧道三臺(tái)階七步開挖法[J].鐵道建筑技術(shù)，2009(6):71-74.

[2]唐朝松.大管棚超前支護(hù)環(huán)形開挖預(yù)留核心土三臺(tái)階隧道施工方法[J].鐵道建筑，2009(9):46-49.

[3]馬顯紅.杉樹坳隧道臺(tái)階法開挖初期支護(hù)變形規(guī)律分析[J].鐵道建筑，2012(1):44-47.