高速鐵路隧道洞口淺埋偏壓段開挖方法優(yōu)選

朱小鵬

(中鐵二十五局集團(tuán)有限公司第二工程公司，湖南衡陽 421000)

隧道洞口淺埋偏壓段開挖、支護(hù)過程中圍巖松弛和坡體形變是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，影響因素多且作用機(jī)理非常復(fù)雜。采用純理論方法或模型試驗(yàn)方法對該過程進(jìn)行定性和定量描述非常困難，而數(shù)值模擬分析方法可以動(dòng)態(tài)模擬隧道洞口淺埋偏壓段周邊圍巖和坡體在不同開挖方法下的變形并進(jìn)行分析，進(jìn)而對比優(yōu)選出最優(yōu)施工開挖和支護(hù)方案。

依托工程觀音山隧道所處圍巖等級多以Ⅳ、Ⅴ級為主，巖層較破碎，風(fēng)化較為嚴(yán)重，巖性較差，承載自穩(wěn)性能較低。隧道洞口淺埋偏壓段經(jīng)風(fēng)險(xiǎn)評估后均劃分為高度風(fēng)險(xiǎn)等級。為此，本文采用數(shù)值分析方法分析不同開挖和支護(hù)方案下隧道圍巖變形、應(yīng)力、塑性區(qū)的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，進(jìn)而確定較優(yōu)施工開挖和支護(hù)方案，以期有效指導(dǎo)工程實(shí)踐。

同時(shí)，為了解圍巖穩(wěn)定狀態(tài)和支護(hù)、襯砌可靠程度，確保施工安全及結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性，并驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)效果，確定支護(hù)參數(shù)，通過現(xiàn)場監(jiān)控量測資料準(zhǔn)確獲得圍巖和坡體變形狀態(tài)，并將其與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對比分析。

1 工程概況

觀音山隧道全長1165 m，主要通過丘陵區(qū)，局部為丘間谷地，地形起伏較大，隧道最大埋深約70 m。依據(jù)沿線構(gòu)造地質(zhì)特征綜合測繪、物探、鉆探結(jié)果，觀音山隧道洞口淺埋偏壓段圍巖級別及工程地質(zhì)特征為:隧道進(jìn)口段自然坡度5°～15°，局部超過30°，地勢平緩，坡體較穩(wěn)定;Ⅴ級圍巖，表層為第四系殘坡積角礫土，稍密～中密，厚6～8 m;下伏石炭系下統(tǒng)大唐階灰?guī)r，青灰色，弱風(fēng)化，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，間夾炭質(zhì)灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖溶發(fā)育。

依據(jù)原鐵道部文件《關(guān)于鐵路高風(fēng)險(xiǎn)隧道安全管理工作的實(shí)施意見》(工管質(zhì)[2011]36號(hào))、《鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評估與管理暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)[2007]200號(hào))的要求，對觀音山隧道洞口淺埋偏壓段開展了風(fēng)險(xiǎn)評估。觀音山隧道洞口淺埋偏壓段地質(zhì)條件復(fù)雜，巖層較破碎，風(fēng)化較為嚴(yán)重，巖性較差，承載自穩(wěn)性能較低。此外，部分隧道深埋較大的斷層帶和可溶巖與非可溶巖的接觸帶構(gòu)造裂隙發(fā)育，為較好的儲(chǔ)水構(gòu)造，地下水量較豐富，遇暴雨等強(qiáng)不利天氣因素可能導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生。該隧道埋深較淺坍塌冒頂風(fēng)險(xiǎn)等級為高度，易產(chǎn)生塌方事故。因而分析不同支護(hù)設(shè)計(jì)和施工方案的安全性顯得尤為重要。

2 模型的建立及參數(shù)選取

2.1 數(shù)值模型的建立

從施工造價(jià)及施工速度考慮，施工方法的選擇順序?yàn)?全斷面法→臺(tái)階法→環(huán)形開挖預(yù)留核心土法→中隔壁法(CD法)→交叉中壁法(CRD法)→雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。從施工安全角度考慮，其選擇順序應(yīng)反過來。如何正確選擇，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮，但必須符合安全、快速、質(zhì)量和環(huán)保的要求，達(dá)到規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、加快進(jìn)度和節(jié)約投資的目的。淺埋、偏壓段隧道地質(zhì)條件差，安全因素在選擇施工方法中起主導(dǎo)作用。以下就工程實(shí)際中常用的二臺(tái)階法、三臺(tái)階法、三臺(tái)階預(yù)留核心土法、CD法進(jìn)行對比分析。

數(shù)值計(jì)算采用大型通用有限元計(jì)算軟件ABAQUS，模型范圍取水平方向120 m，垂直方向至隧道以下50 m。地表坡度與實(shí)際坡度相同，地應(yīng)力場為自重應(yīng)力場。邊界條件為:左右邊界水平約束、下邊界垂直約束、地表為自由面。圍巖視為摩爾—庫倫理想彈塑性材料。初期支護(hù)視為理想彈性材料。數(shù)值計(jì)算過程中各部分圍巖壓力在開挖過程時(shí)釋放40%，支護(hù)后釋放剩下的60%。

2.2 參數(shù)的選取

巖土體物理力學(xué)參數(shù)選取參照現(xiàn)場、室內(nèi)試驗(yàn)，并結(jié)合《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2005)中對各類隧道圍巖的建議綜合選取。巖土體、襯砌物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。

表1 圍巖及初期支護(hù)的物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

模擬計(jì)算結(jié)果中，應(yīng)力結(jié)果正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力;豎向位移垂直向上為正，垂直向下為負(fù);水平位移向右為正，向左為負(fù)。

3.1 初始應(yīng)力場分析

巖體初始地應(yīng)力場與開挖后的應(yīng)力重分布和應(yīng)力集中效應(yīng)有著密切的聯(lián)系，同時(shí)也對施工開挖后巖體變形破壞有著較為重要的影響。因此，研究坡體初始地應(yīng)力場，對于分析隧道開挖圍巖—邊坡體系應(yīng)力場和變形破壞具有重要意義。坡體初始地應(yīng)力場分布如圖1所示。最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均表現(xiàn)出受重力場影響的特征，其量值總體上隨深度的增加而逐漸增大。主應(yīng)力分布比較均勻，表現(xiàn)為壓應(yīng)力，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 天然狀態(tài)下主應(yīng)力分布云圖(單位:Pa)

3.2 開挖后應(yīng)力、變形特征分析

3.2.1 圍巖應(yīng)力分布特征分析

隧道開挖完成之后隧道圍巖應(yīng)力呈明顯的偏壓狀態(tài)，隧道左側(cè)圍巖最大、最小主應(yīng)力明顯高于右側(cè)圍巖，這是受開挖卸荷不均及地形偏壓的影響造成的。應(yīng)力變化較大的區(qū)域主要集中在拱頂、拱底、邊墻區(qū)域，拱頂和拱底區(qū)域主要表現(xiàn)為應(yīng)力松弛。采用CD法施工拱頂和拱底區(qū)域應(yīng)力變化相對最小，三臺(tái)階預(yù)留核心土法次之(圖2)，二臺(tái)階法最差。

圖2 三臺(tái)階預(yù)留核心土法主應(yīng)力云圖(單位:Pa)

為了進(jìn)一步分析淺埋偏壓隧道圍巖應(yīng)力隨施工開挖的變化過程，對隧道拱頂、左右側(cè)拱腰等關(guān)鍵部位圍巖應(yīng)力進(jìn)行追蹤，結(jié)果見圖3。可知，兩側(cè)拱腰圍巖應(yīng)力特征主要表現(xiàn)為:左側(cè)拱腰圍巖應(yīng)力受開挖的影響較大，而右側(cè)拱腰受開挖影響較小。左側(cè)拱腰圍巖應(yīng)力變化主要集中在各施工方法的第一部分開挖結(jié)束之前的幾個(gè)施工階段。開挖后，兩側(cè)拱腰最大主應(yīng)力量值增大，最小主應(yīng)力量值減小。拱頂圍巖應(yīng)力表現(xiàn)為主應(yīng)力量值隨開挖減小，由于支護(hù)及時(shí)起作用，拱頂均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。對比分析可以看出:采用CD法施工拱頂和兩側(cè)拱腰應(yīng)力變化相對最小，三臺(tái)階預(yù)留核心土法次之，二臺(tái)階法最差。

圖3 不同開挖方法關(guān)鍵部位主應(yīng)力變化特征

3.2.2 位移場特征分析

1)拱頂位移特征分析

圖4 拱頂位移變化曲線

圖4為不同開挖方法下隧道拱頂隨開挖進(jìn)程的位移特征曲線。由圖4(a)可知，受淺埋偏壓隧道—邊坡特殊體系的影響，隧道開挖后自穩(wěn)能力較差，開挖后拱頂變形較大。由圖4(b)可知，采用不同施工方法，對隧道拱頂?shù)某两悼刂朴泻艽笥绊?。采用二臺(tái)階法隧道拱頂沉降最大，位移達(dá)15.1 cm;三臺(tái)階法次之，位移為12.7 cm;三臺(tái)階預(yù)留核心土法與CD法拱頂沉降最大值相近，約8.6 cm，僅為二臺(tái)階法的57%。由圖4(c)可知，受淺埋偏壓隧道—邊坡特殊體系的影響，隧道拱頂出現(xiàn)較大水平位移，各施工方法結(jié)束后水平位移約占總位移的25%。對比分析可見，三臺(tái)階預(yù)留核心土法與CD法對于控制隧道拱頂沉降優(yōu)于其余兩種方法。

2)圍巖位移分布特征

圖5 三臺(tái)階預(yù)留核心土法位移分布云圖(單位:m)

計(jì)算得到各施工方法結(jié)束后的豎向位移和水平位移分布云圖，其中三臺(tái)階預(yù)留核心土法位移分布云圖如圖5所示。由圖可以看出淺埋偏壓隧道圍巖變形受地形偏壓影響明顯，開挖后圍巖豎向位移和水平位移量值均較大。圍巖豎向位移主要集中在拱頂以上和仰 拱以下的豎直區(qū)域，受隧道開挖卸荷回彈的影響，以隧道拱腳為分界線，向上為沉降變形區(qū)域，向下為隆起回彈區(qū)域。受偏壓初始地應(yīng)力場的影響，沉降變形區(qū)域偏向深埋側(cè)，而回彈隆起區(qū)域偏向淺埋側(cè)。水平位移受偏壓初始地應(yīng)力場的影響較大，變形主要集中在隧道拱頂以上區(qū)域和右側(cè)拱腰區(qū)域。隧道開挖后，邊坡穩(wěn)定性變差，隧道拱頂以上區(qū)域和右側(cè)拱腰區(qū)域均產(chǎn)生向右的位移。

3)邊坡位移分布特征

四種施工方法引起的地表沉降曲線對比如圖6所示?？芍?二臺(tái)階法、三臺(tái)階法、三臺(tái)階預(yù)留核心土法、CD法施工引起的地表沉降最大值分別為11.7，10.0，6.9，5.4 cm。從地表沉降來看，采用二臺(tái)階法和三臺(tái)階法地表沉降太大，無法滿足要求，采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法和CD法能有效減小地表沉降。

圖6 四種施工方案的地表沉降曲線

3.2.3 塑性區(qū)特征分析

計(jì)算結(jié)果表明，二臺(tái)階法塑性區(qū)主要分布在淺埋側(cè)拱腰和深埋側(cè)拱肩上方。隧道圍巖塑性區(qū)分布特征與圍巖變形方式相關(guān)，淺埋側(cè)圍巖由于自穩(wěn)能力較差，開挖后發(fā)生卸荷松弛變形導(dǎo)致圍巖受拉破壞，而深埋側(cè)拱肩處存在回填土與基巖的交界面，隨著隧道的開挖，上方較弱巖土沿交界面向下剪出變形，因而深埋側(cè)拱肩上方圍巖表現(xiàn)為剪切破壞。三臺(tái)階法、三臺(tái)階預(yù)留核心土法和CD法完成隧道開挖后的圍巖塑性區(qū)主要位于淺埋側(cè)，而由于開挖方法合理，支護(hù)施加及時(shí)，三臺(tái)階預(yù)留核心土法和CD法施工結(jié)束后塑性區(qū)范圍最小。

3.2.4 開挖方法選取

數(shù)值分析方法動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果表明，三臺(tái)階預(yù)留核心土法和CD法均能夠較好地保證隧道洞口偏壓淺埋段的施工穩(wěn)定性，但三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工方法相對更為簡便快速，施工造價(jià)相對較低，因而經(jīng)濟(jì)可行的較優(yōu)施工開挖方法為三臺(tái)階預(yù)留核心土法。

4 淺埋偏壓段隧道施工現(xiàn)場監(jiān)測方案

在隧道施工過程中，監(jiān)控量測可為調(diào)整支護(hù)參數(shù)和施工方法提供依據(jù)。監(jiān)控量測的主要目的在于了解圍巖穩(wěn)定狀態(tài)和支護(hù)、襯砌可靠程度，確保施工安全及結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性，并驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)效果，確定支護(hù)參數(shù)。隧道監(jiān)控量測應(yīng)按照《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》(TB 10121—2007)執(zhí)行，本工程隧道洞口淺埋偏壓段主要對地質(zhì)和支護(hù)狀況觀察、周邊位移、拱頂下沉、洞口淺埋段地表下沉4個(gè)必測項(xiàng)目開展監(jiān)控量測。洞口淺埋段地表下沉測點(diǎn)布置如圖7所示。

圖7 地表下沉測點(diǎn)布置示意

監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)歷經(jīng)以下基本過程:測點(diǎn)埋設(shè)→數(shù)據(jù)采集→數(shù)據(jù)收集→數(shù)據(jù)分析→信息反饋。

監(jiān)控量測信息反饋是根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析結(jié)果對工程安全性進(jìn)行評價(jià)，并提出相應(yīng)工程對策與建議。數(shù)據(jù)反饋流程如圖8所示。

圖8 量測數(shù)據(jù)反饋管理程序框圖

5 隧道現(xiàn)場測試與數(shù)值模擬對比分析

為驗(yàn)證觀音山隧道洞口淺埋偏壓段開挖方法的有效性，將淺埋偏壓段隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

5.1 拱頂下沉對比分析

隧道洞口淺埋偏壓段開挖和支護(hù)施工全過程典型斷面拱頂下沉累計(jì)值現(xiàn)場量測與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對比如圖9所示。

圖9 典型斷面拱頂下沉數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場量測結(jié)果對比

由圖9可知:由于觀音山隧道洞口淺埋偏壓段地質(zhì)條件較差，自穩(wěn)能力差，遇水更加容易產(chǎn)生坍塌和沉降過大現(xiàn)象，在該段圍巖開挖和支護(hù)施工全過程典型斷面拱頂下沉累計(jì)值為114.35 mm。最大沉降速率32.24 mm/d，出現(xiàn)在核心土開挖、掌子面推進(jìn)過程中。其原因在于該段雨水下滲使圍巖軟化，支護(hù)基礎(chǔ)下切，支護(hù)結(jié)構(gòu)整體下沉。同時(shí)，數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場量測結(jié)果較為接近，隨著開挖施工結(jié)束，支護(hù)措施協(xié)調(diào)受力，沉降速率相對于前期明顯減小，后期拱頂沉降逐步趨于穩(wěn)定。

5.2 地表下沉對比分析

隧道洞口淺埋偏壓段開挖和支護(hù)施工全過程典型斷面地表下沉累計(jì)值如圖10所示?，F(xiàn)場量測與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對比如圖11所示。

圖10 開挖和支護(hù)施工全過程典型斷面地表沉降量測結(jié)果

由圖10、圖11可知:隧道洞口淺埋偏壓段圍巖開挖和支護(hù)施工全過程典型斷面坡體中點(diǎn)地表沉降總累計(jì)值為90.65 mm，略小于隧道拱頂沉降值。最大沉降速率39.91 mm/d，出現(xiàn)在核心土開挖、掌子面推進(jìn)過程中。其原因在于該段雨水下滲使圍巖軟化，支護(hù)基礎(chǔ)出現(xiàn)下切沉降，支護(hù)結(jié)構(gòu)整體下沉進(jìn)而導(dǎo)致坡體變形。同時(shí)，數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場量測結(jié)果較為接近，隨著開挖施工結(jié)束，支護(hù)措施協(xié)調(diào)受力，沉降速率相對于前期明顯減小，后期地表沉降逐步趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖11 典型斷面地表沉降數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場量測結(jié)果對比

監(jiān)控量測與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對比表明，依托工程隧道洞口淺埋偏壓段采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法是比較經(jīng)濟(jì)有效的施工開挖方案，保證了施工時(shí)圍巖的穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

為確保具有高度風(fēng)險(xiǎn)等級的觀音山隧道洞口淺埋偏壓段的順利開挖施工和支護(hù)，本文采用數(shù)值分析和現(xiàn)場監(jiān)控量測方法對該段開挖和支護(hù)效果進(jìn)行了對比分析。結(jié)論如下:

1)采用數(shù)值分析方法動(dòng)態(tài)模擬了不同開挖方法對隧道洞口淺埋偏壓段周邊圍巖和坡體變形、應(yīng)力和塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律的影響，對比優(yōu)選出穿越該段的經(jīng)濟(jì)可行的較優(yōu)施工開挖方法為三臺(tái)階預(yù)留核心土法。

2)對觀音山隧道洞口淺埋偏壓段開挖和支護(hù)施工全過程進(jìn)行了必測項(xiàng)目的監(jiān)控量測，得到了隧道洞口淺埋偏壓段開挖和支護(hù)施工全過程圍巖和坡體變形變化規(guī)律，并將該變化規(guī)律與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，觀音山隧道洞口淺埋偏壓段采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法保證了該段施工的安全性。

[1]中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)[2010]120號(hào) 關(guān)于進(jìn)一步明確軟弱圍巖及不良地質(zhì)鐵路隧道設(shè)計(jì)施工有關(guān)技術(shù)規(guī)定的通知[S].北京:中華人民共和國鐵道部，2010.

[2]中華人民共和國鐵道部.TB 10121—2007 鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國鐵道出版社，2007.

[3]彭琦，羅威，李亮.淺埋偏壓小凈距隧道施工力學(xué)數(shù)值分析[J].鐵道建筑，2009(12):34-37.