復(fù)雜地質(zhì)條件下特大斷面隧道施工工法及其循環(huán)進(jìn)尺參數(shù)的優(yōu)化研究

李 波，吳 立，左清軍，陳 劍，袁 青

（1.中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢430074；2.中國地質(zhì)大學(xué)巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心，湖北 武漢430074；3.三峽大學(xué)三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室，湖北 宜昌443002）

高速鐵路特大斷面隧道建設(shè)常常經(jīng)過復(fù)雜地質(zhì)地段，導(dǎo)致隧道修建過程中易出現(xiàn)圍巖坍塌、變形過大、突水和掌子面失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害。目前國內(nèi)對于特大斷面雙線高速鐵路隧道開挖施工是一個全新的課題，國外也很少有類似的經(jīng)驗可供參考［1—2］。因此，對高速鐵路特大斷面隧道在穿越復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工工法及其循環(huán)進(jìn)尺參數(shù)進(jìn)行有針對性的研究就顯得十分必要。

復(fù)雜地質(zhì)條件主要包括斷層破碎帶、巖溶、富含地下水的坡積體、軟質(zhì)巖土體和復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造等。本文以滬昆鐵路客運專線長沙至昆明段崔家沖隧道為研究對象，在隧道穿越復(fù)雜地質(zhì)段發(fā)生較大塌方的情況下，為了尋找在此復(fù)雜地質(zhì)地段隧道開挖的合理施工工法，通過建立隧道施工有限元力學(xué)模型，對特大斷面隧道在不同施工工法、不同循環(huán)進(jìn)尺下的力學(xué)形態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過對隧道圍巖變形、應(yīng)力場變化以及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析比較，確定了該特大斷面高速鐵路隧道在復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工工法及其循環(huán)進(jìn)尺的最優(yōu)方案。

1 工程概況

1.1 隧道概況

崔家沖隧道是滬昆鐵路客運專線長沙至昆明段的重點工程之一，設(shè)計行車速度為350km/h，為雙線鐵路隧道，隧道起訖里程為：DK403＋207～DK407＋637，全長為4 430m，最大埋深為181.944 m。

崔家沖隧道通過地層主要為第四系全新統(tǒng)坡洪積層（Qdl＋pl4）、板溪群一段（Ptbnw1）和板溪群二段（Ptbnw2），主要巖層產(chǎn)狀傾向北西，大部分地段為單斜巖層，正常產(chǎn)狀為270°～350°∠7°～25°，其圍巖主要為凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r和凝灰質(zhì)板巖。

1.2 隧道施工參數(shù)

崔家沖隧道最大開挖斷面內(nèi)輪廓尺寸為14.96 m×10.58m，開挖面積高達(dá)160m2，屬于特大斷面鐵路隧道。隧道初期支護(hù)設(shè)計采用噴射混凝土、系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼拱架（格柵鋼架）的綜合支護(hù)系統(tǒng)。噴射混凝土采用C25濕噴混凝土，噴射厚度拱墻為12～30cm，仰拱為10～30cm；系統(tǒng)錨桿采用φ25中空注漿錨桿和φ22砂漿錨桿，長度為3～4m；隧道襯砌采用C35混凝土，厚度為40～70cm；鋼拱架間距為0.6～1m。

1.3 隧道開挖方式

特大斷面高速鐵路隧道開挖斷面大、施工難度高，結(jié)合目前的施工技術(shù)水平，特大斷面隧道穿過復(fù)雜地質(zhì)段的開挖方法主要有中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）、三臺階七步開挖法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等［3］。在實際施工中，主要根據(jù)隧道圍巖級別、埋深、斷面尺寸和施工進(jìn)度的不同選擇不同的施工工法。崔家沖隧道原設(shè)計開挖方式（部分）如表1所示。

表1 崔家沖隧道原設(shè)計開挖方式Table 1 Excavation method of the original design of Cuijiachong Tunnel

當(dāng)按設(shè)計要求的兩臺階法開挖至DK406＋010時，掌子面及掌子面后方初期支護(hù)發(fā)生較大塌方，施工被迫停止。經(jīng)現(xiàn)場TSP、地質(zhì)雷達(dá)和紅外探水測試，發(fā)現(xiàn)此段圍巖物探異常，角礫巖化特征明顯，且?guī)r體破碎、穩(wěn)定性差，因此圍巖等級變更為Ⅴb（Ⅴb級圍巖即Ⅴ級弱圍巖，其軟弱破碎程度略大于Ⅴ級圍巖，介于Ⅴ級與Ⅵ級之間），需要及時處理塌方并轉(zhuǎn)換、優(yōu)化施工工法。為了尋找適合本工程在上述復(fù)雜條件下的施工工法以及該工法的最優(yōu)循環(huán)進(jìn)尺，本文針對Ⅴb級圍巖情況下的中隔壁法（CD）、三臺階七步開挖法進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對兩種施工工法進(jìn)行了比較［4］，見表2。

表2 兩種施工工法的比較Table 2 Comparison of the two construction methods

2 數(shù)值模擬方案

2.1 計算模型的建立

計算模型選取DK406＋010塌方處隧道橫斷面，埋深為21.4m，圍巖等級為Ⅴb，洞室寬度B為14.89m、高度H為10.55m。考慮到隧道開挖影響的范圍為3倍左右洞徑，因此模型尺寸為：橫向以隧道中心線左右各取40m；豎向以隧道頂部向上取至地表，即21.4m，以隧道底部向下取30m。模型邊界約束條件為：地表為自由邊界，左右兩側(cè)施加土壓力，底部施加y方向約束。本次采用Mohr－Coulomb本構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計算［5］，主要采用三種單元：模擬圍巖的實體單元Plane42、模擬錨桿的桿單元Link1、模擬噴射混凝土和鋼拱架的梁單元Beam3。由于鋼拱架在隧道開挖后對圍巖起到了很好的支護(hù)作用，故本次計算在選取Beam3單元的幾何常數(shù)時，計入了鋼拱架在彎曲剛度方面的貢獻(xiàn)［6］。計算模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 計算模型及網(wǎng)格劃分Fig.1 Computation model and mesh dividing

2.2 計算參數(shù)的選取

為了獲得圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，本文選取工程現(xiàn)場的巖樣進(jìn)行了包括密度試驗、單軸壓縮試驗和三軸壓縮試驗在內(nèi)的室內(nèi)巖石力學(xué)試驗。

通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗并結(jié)合地質(zhì)勘察報告，得到隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physical mechanical parameters of surrounding rock mass and reinforcement structures

3 數(shù)值模擬結(jié)果及施工工法選擇

本文主要通過數(shù)值模擬計算得到隧道在Ⅴb級圍巖條件下采用中隔壁法（CD）、三臺階七步開挖法所產(chǎn)生的圍巖變形、應(yīng)力場變化以及初期支護(hù)受力狀況，以獲得最優(yōu)施工工法。本次數(shù)值模擬計算過程中采用單元生死功能模擬實際工程中的開挖、澆筑，采用荷載釋放［7］的方法模擬隧道開挖進(jìn)度及循環(huán)進(jìn)尺。

3.1 圍巖位移數(shù)值模擬計算結(jié)果

在特大斷面高速鐵路隧道施工中，拱頂沉降值和水平收斂位移值是分析隧道穩(wěn)定性最為重要的依據(jù)，本次數(shù)值模擬計算得到的兩種施工工法的圍巖豎向位移分布云圖見圖2和圖3。

圖2 CD法圍巖豎向位移分布云圖Fig.2 Vertical displacement distribution nephogram of surrounding rock mass under the construction by CD method

圖3 三臺階七步開挖法圍巖豎向位移分布云圖Fig.3 Vertical distribution nephogram of surrounding rock mass under the construction by three benches and seven steps excavation method

由圖2和圖3可以看出：隧道開挖過程中，CD法最大拱頂下沉值為14.1mm，三臺階七步開挖法為18.2mm，前者僅為后者的77.5%，因此CD法對圍巖變形的控制效果要優(yōu)于三臺階七步開挖法。由于上述兩種施工工法的最大拱頂沉降值都未超過《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》（TB 10003—2005）［8］中規(guī)定的允許相對變形值0.16%，因此兩種施工工法都能滿足該隧道復(fù)雜地質(zhì)條件下對拱頂下沉的要求。

本次數(shù)值模擬計算得到的兩種施工工法的圍巖周邊收斂值分布云圖見圖4和圖5。

圖4 CD法圍巖周邊收斂值分布云圖Fig.4 Peripheral convergence distribution nephogram of surrounding rock mass under the construction by CD method

圖5 三臺階七步開挖法圍巖周邊收斂值分布云圖Fig.5 Peripheral convergence nephogram of surrounding rock mass under the construction by three benches and seven steps excavation method

由圖4和圖5可以看出：隧道分部開挖過程中，CD法圍巖最大周邊收斂值為16.9mm，三臺階七步開挖法為22.6mm，前者為后者的74.8%。事實上，由于分部開挖各部分及時支護(hù)，因此兩者的周邊收斂值相差并不大，但CD法在拱腳處的收斂變形效果要略為優(yōu)于三臺階七步開挖法。由于上述兩種施工工法的圍巖最大周邊收斂值都遠(yuǎn)未超過《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》（TB 10003—2005）［8］規(guī)定的允許相對變形值0.8%，因此兩種施工工法都能滿足該隧道復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工安全。

3.2 圍巖應(yīng)力數(shù)值模擬計算結(jié)果

本次數(shù)值模擬計算得到的兩種施工工法圍巖的第一主應(yīng)力分布云圖見圖6和圖7。

圖6 CD法圍巖第一主應(yīng)力分布云圖Fig.6 First principal stress distribution nephogram of surrounding rock mass under the construction by CD method

圖7 三臺階七步開挖法圍巖第一主應(yīng)力分布云圖Fig.7 First principal stress distribution nephogram of surrounding rock mass under the construction by three benches seven steps excavation method

由圖6和圖7可以看出：采用CD法開挖過程中，圍巖最大壓應(yīng)力分布在隧道邊墻處（圖6中藍(lán)色區(qū)域），壓應(yīng)力值為0.399MPa；采用三臺階七步開挖法開挖過程中，隧道邊墻與拱腳連接處發(fā)生壓應(yīng)力集中［9］（圖7中藍(lán)色區(qū)域），壓應(yīng)力值為0.413 MPa。兩種施工工法所產(chǎn)生的壓應(yīng)力值都在圍巖可以承受的安全范圍內(nèi)，但CD法由于單次開挖斷面面積較小，初期支護(hù)封閉及時，因此邊墻應(yīng)力集中程度略差于三臺階七步開挖法。

3.3 圍巖初期支護(hù)受力數(shù)值模擬計算結(jié)果

施工工法不同對成洞后的隧道初期支護(hù)內(nèi)力有較大的影響，本文通過對CD法和三臺階七步開挖法隧道開挖過程中初期支護(hù)各部分內(nèi)力進(jìn)行數(shù)值模擬計算，得到兩種施工工法初期支護(hù)的最大彎矩值、最大軸力值以及所出現(xiàn)的位置，詳見表4。

表4 兩種施工工法下初期支護(hù)最大彎矩值和最大軸力值Table 4 Maximum bending moment and maximum axial force of initial support under the construction by the two construction methods

由表4可以看出：CD法初期支護(hù)的最大彎矩和最大軸力出現(xiàn)在拱部結(jié)點處，此處易發(fā)生噴射混凝土開裂現(xiàn)象［10］；三臺階七步開挖法初期支護(hù)的最大彎矩和最大軸力出現(xiàn)在臺階分界處，后者的最大彎矩值和最大軸力值都小于前者，分別僅為前者的56.1%、49.6%。由此可見，三臺階七步開挖法能夠有效減少初期支護(hù)所受的內(nèi)力。

3.4 最優(yōu)施工工法的選擇

上述分析表明，兩種施工工法所產(chǎn)生的圍巖位移與應(yīng)力都在安全范圍內(nèi)，都能滿足隧道開挖支護(hù)強度的要求，能確保施工安全。

CD法的圍巖拱頂位移、應(yīng)力值均小于三臺階七步開挖法，但是它能夠有效控制圍巖位移是以初期支護(hù)承受較大的形變壓力為代價的；而三臺階七步開挖法在分部開挖的過程中，通過適度的圍巖變形使得圍巖應(yīng)力得到了有效釋放，從而減小了初期支護(hù)的受力，充分發(fā)揮了圍巖自身的承載能力。此外，考慮到采用三臺階七步開挖法的施工進(jìn)度比CD法快，機械設(shè)備利用率也比CD法高，因此從可行性、經(jīng)濟合理性和安全可靠性三方面綜合比較，選擇三臺階七步開挖法為該隧道在塌方且掌子面前方為復(fù)雜地質(zhì)情況下的最優(yōu)施工工法。

4 循環(huán)進(jìn)尺參數(shù)的優(yōu)化及驗證

4.1 循環(huán)進(jìn)尺參數(shù)的優(yōu)化

由于隧道開挖已經(jīng)發(fā)生坍塌，且掌子面前方地質(zhì)條件復(fù)雜多變，因此需要對所選定的三臺階七步開挖法的循環(huán)進(jìn)尺參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足隧道穿越此特殊地質(zhì)地段的施工要求。該隧道原設(shè)計三臺階七步開挖法循環(huán)進(jìn)尺參數(shù)為：上臺階每循環(huán)開挖進(jìn)尺0.6～1.2m，開挖高度不小于上臺階開挖跨度的0.3倍，約3.9m，上臺階長度控制在3～5m；預(yù)留核心土長度4～5m；中、下臺階長度控制在3～4m。

通過上述所建的計算模型，采用荷載釋放法計算隧道不同循環(huán)進(jìn)尺分部開挖所引起的圍巖拱頂下沉值及周邊收斂值，并通過對比分析來獲取三臺階七步開挖法的最優(yōu)循環(huán)進(jìn)尺參數(shù)。本文提出4種循環(huán)進(jìn)尺參數(shù)的優(yōu)化方案，見表5。

經(jīng)過計算，4種循環(huán)進(jìn)尺參數(shù)方案所引起的圍巖拱頂下沉值及周邊收斂值見圖8和圖9。

由圖8可以看出：4種循環(huán)井尺參數(shù)方案最終施工步的圍巖拱頂下沉值分別為16.7mm、18.6 mm、29.5mm、47.3mm，其中方案一、二、三的圍巖拱頂下沉值處于規(guī)范允許的變形范圍，而方案四的圍巖拱頂下沉值超出了規(guī)范允許的變形值；方案三由于上臺階循環(huán)進(jìn)尺增加，導(dǎo)致其起始施工步的圍巖拱頂下沉值較大，且圍巖拱頂下沉值在第三施工步發(fā)生突變，對圍巖的穩(wěn)定性不利。

表5 4種循環(huán)進(jìn)尺參數(shù)方案（m）Table 5 Four optimization plans of circulation measurement parameters（unit：m）

圖8 4種方案的圍巖拱頂下沉曲線Fig.8 Settlement curves of surrounding rock dome by four plans

圖9 4種方案的圍巖周邊收斂曲線Fig.9 Peripheral displacement convergence curves of surrounding rock mass by four plans

由圖9可以看出：方案三、四的圍巖最終周邊收斂值遠(yuǎn)大于方案一、二，盡管方案二的圍巖周邊收斂值20.7mm略大于方案一的18.6mm，但方案二的圍巖周邊收斂值隨施工步變化幅度較小，變化速率均勻，有效地避免了位移突變的發(fā)生。因此，經(jīng)過分析比較4種循環(huán)進(jìn)尺參數(shù)方案所引起的圍巖拱頂下沉值及周邊收斂值，選取方案二為最優(yōu)循環(huán)進(jìn)尺參數(shù)方案。

4.2 循環(huán)進(jìn)尺參數(shù)的驗證

為了驗證所選取的三臺階七步開挖法及其優(yōu)化的循環(huán)進(jìn)尺參數(shù)在本隧道施工中的合理性，本研究于2012年9月3日—10月21日對隧道DK406＋010處斷面進(jìn)行了現(xiàn)場實測，現(xiàn)場實測的圍巖拱頂下沉值及周邊收斂值見圖10和圖11。

圖10 現(xiàn)場實測的圍巖拱頂下沉曲線Fig.10 Measured settlement curve of surrounding rock dome

圖11 現(xiàn)場實測的圍巖周邊收斂曲線Fig.11 Measured peripheral displacement convergence curve of surrounding rock mass

由圖10和圖11可以看出：隧道斷面DK406＋010處的圍巖拱頂下沉值在隧道開挖后第0～7d快速增長，該階段的沉降量占總下沉值的52.6%，隨后下沉值在第20d開始緩慢增加，到第30d趨于穩(wěn)定，最終拱頂下沉值為17.1mm，與本文數(shù)值模擬結(jié)果相差8.77%；最終圍巖周邊收斂值為18.9 mm，與本文數(shù)值模擬結(jié)果相差8.69%。上述結(jié)果表明實測結(jié)果與本文數(shù)值模擬結(jié)果吻合性較好，且實測數(shù)據(jù)變化趨勢也與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。而實測數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的小幅度突變，說明分部開挖過程中對隧道頂部產(chǎn)生了一定的擾動。

5 結(jié) 論

本文基于有限元數(shù)值模擬仿真法，對復(fù)雜地質(zhì)條件下特大斷面高速鐵路隧道的施工工法及其循環(huán)進(jìn)尺參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，得到如下結(jié)論：

（1）在特大斷面高速鐵路隧道穿過復(fù)雜地質(zhì)條件地段時，采用CD法和三臺階七步開挖法施工均能滿足隧道開挖支護(hù)強度的要求，可確保施工安全。但三臺階七步開挖法通過適度的圍巖變形使得圍巖應(yīng)力得到了有效釋放，從而減小了初期支護(hù)的受力，充分發(fā)揮了圍巖自身的承載能力，因而從可行性、經(jīng)濟合理性和安全可靠性綜合比較，三臺階七步開挖法為該特大斷面高鐵隧道在塌方且掌子面前方為復(fù)雜地質(zhì)情況下的最優(yōu)施工工法。

（2）隧道開挖循環(huán)進(jìn)尺參數(shù)對圍巖的變形有較大的影響，且決定了整個工程的工期。在圍巖等級為Ⅴb級且地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下，適合本隧道三臺階七步開挖法的最優(yōu)循環(huán)進(jìn)尺參數(shù)為：上臺階每循環(huán)開挖進(jìn)尺0.6m，上臺階長度控制在4m，預(yù)留核心土長度4m，中、下臺階長度控制在3m。

（3）通過將數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果得出兩者圍巖拱頂下沉值、圍巖周邊收斂值的差別僅在8%左右，說明實際開挖過程中分部開挖對圍巖產(chǎn)生了一定的擾動。但由于實際開挖過程中仰拱封閉未能立即完成，因此實測結(jié)果略為偏大，這在施工中應(yīng)引起注意。

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