大斷面黃土隧道不同試驗(yàn)工法下的力學(xué)特性及變形特征研究

李 波，宋 冶，師亞龍，劉志強(qiáng)

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都 611731)

0 引言

高速鐵路黃土隧道不僅存在著跨徑大、斷面大等設(shè)計(jì)特點(diǎn)，而且還存在圍巖強(qiáng)度低、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變、圍巖開挖變形量大等施工困難，尤其是在開挖后受到變形控制等因素影響，施工難度很大［1－2］。張英才等［3］通過對優(yōu)化后的大斷面黃土隧道開挖工法進(jìn)行仿真計(jì)算，研究了隧道開挖工法CRD法、短臺階七步法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在進(jìn)度指標(biāo)、下沉量、施工工序、資源配置、施工風(fēng)險、施工成本等方面的定性和定量指標(biāo)，提出了優(yōu)化后各工法的適應(yīng)范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。沈衛(wèi)平［4］對淺埋黃土隧道施工方案及施工中突出的技術(shù)問題、支護(hù)與土體間接觸應(yīng)力分布規(guī)律及引起結(jié)構(gòu)變形原因進(jìn)行了簡單的分析和探討。程選生等［5］通過利用有限元數(shù)值模擬對隧道開挖的6種工法進(jìn)行分析研究，通過對圍巖控制點(diǎn)位移的對比分析認(rèn)為:對于超大斷面黃土隧道的施工，CRD法為最優(yōu)施工方法;施工中加臨時支撐時，中部臨時支撐對于圍巖穩(wěn)定性具有較大影響，臨時支撐拆除前后隧道圍巖的塑性等效應(yīng)變均增加了約20%。文獻(xiàn)［6－11］亦對大斷面隧道開挖方法進(jìn)行了相應(yīng)的研究。然而，目前這些研究多以理論分析及數(shù)值模擬展開，現(xiàn)場試驗(yàn)較少。本文通過鄭西客專大斷面黃土隧道大量的現(xiàn)場試驗(yàn)，對不同工法開挖下，隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性及變形特征進(jìn)行綜合對比分析，提出針對不同黃土圍巖條件所適用的相應(yīng)工法。

1 工程概況

鄭西客運(yùn)專線位于黃河中游黃土地區(qū)，沿線80%區(qū)段為黃土覆蓋，沿線隧道共計(jì)38座，其中黃土隧道20座，占全線隧道總長的69%，具有斷面大(其開挖面積較以往黃土隧道大幅度提高至164～171 m2，開挖寬度和高度分別達(dá)到15 m和13 m)以及埋深變化大(最小埋深約10 m，小于1倍隧道開挖寬度，最大埋深超過200 m)的特點(diǎn)。鄭西客運(yùn)專線大斷面黃土隧道分別采用側(cè)壁導(dǎo)坑法(雙側(cè)壁、CRD和CD)和留核心土臺階法(單層支護(hù)和雙層支護(hù))等多種施工方法。

2 5種工法力學(xué)特性及變形特征

在大斷面隧道施工中，作為圍巖穩(wěn)定性判據(jù)的主要技術(shù)指標(biāo)有:圍巖的變形特征(水平收斂、拱頂沉降)、支護(hù)受力特性(型鋼應(yīng)力、錨桿拉力等)及圍巖壓力3方面。通過對這3技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析研究，可直接反映隧道開挖后圍巖穩(wěn)定性的動態(tài)。及時研究各項(xiàng)施工信息，據(jù)此進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，以達(dá)到安全施工的目的?；诖?，從3方面對這5種工法的力學(xué)特性及圍巖變形特征進(jìn)行對比分析研究。不同工法施工過程的影響對數(shù)值的絕對值有影響，但對工法的橫向比較影響不大，因而文中未考慮施工過程的影響。

2.1 圍巖變形特征

1)凈空位移中垂直位移顯著。鄭西客專大斷面黃土隧道凈空位移具有顯著的垂直位移的特性。測試顯示，5種工法下的拱部下沉與水平收斂之比普遍在1以上，如圖1所示。其中，臺階法拱部下沉尤為突出，尤其是淺埋處。

由圖1可以看出，不論是單層還是雙層支護(hù)，臺階法凈空位移特性與埋深之間均呈現(xiàn)出較為顯著的負(fù)相關(guān)性。尤其當(dāng)埋深小于1倍隧道開挖寬度時，該比值可達(dá)到4以上，拱部下沉隨埋深變化的特征十分突出。相對于臺階法，雙側(cè)壁、CRD和CD法在相同埋深條件下的拱部下沉與水平收斂之比則要小得多，一般在0.9～1.3，平均為1.1。

同時，臺階法拱腳下沉的特征顯著。圖2為臺階法按拱腳下沉與拱頂下沉之比統(tǒng)計(jì)的拱部下沉特性及與埋深的關(guān)系?？梢钥闯?，不論是單層還是雙層支護(hù)，臺階法拱部下沉特性與埋深之間均呈顯著的正相關(guān)性，顯示出十分顯著的拱腳下沉特征。因此，大斷面黃土隧道采用臺階法施工時應(yīng)特別重視加強(qiáng)拱腳的承載力，并應(yīng)對拱腳下沉進(jìn)行監(jiān)測。

圖1 鄭西客專大斷面黃土隧道5種工法凈空位移隨埋深變化的特性Fig.1 Clearance displacement Vs depth of loess tunnel on Zhengzhou-Xi’an passenger-dedicated line constructed by 5 different construction methods

圖2 鄭西客專大斷面黃土隧道臺階法拱部下沉隨埋深變化的特性Fig.2 Arch subsidence Vs depth of loess tunnel on Zhengzhou-Xi’an passenger-dedicated line constructed by bench method

2)凈空位移受支護(hù)封閉尤其是封閉距離的影響顯著。支護(hù)是否封閉以及封閉時與掌子面的距離對黃土隧道凈空位移影響十分顯著。測試顯示，鄭西客專大斷面黃土隧道凈空位移主要發(fā)生在支護(hù)封閉前，而凈空位移則和封閉與掌子面的距離有關(guān)。

圖3為秦東、潼洛川和高橋隧道臺階法試驗(yàn)段設(shè)大拱腳情況下拱部下沉最大值分別與仰拱封閉距離和時間因素之間相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(其中雙層支護(hù)限于二層落后一層1榀的情況)。可以看出，臺階法不論單層還是雙層支護(hù)，拱部下沉最大值與仰拱封閉距離均具有顯著的正相關(guān)性。該結(jié)果表明，大斷面黃土隧道支護(hù)封閉的空間效應(yīng)顯著。因此對于臺階法，仰拱及時封閉能夠更好地控制拱部下沉。

圖3 3座隧道臺階法拱部下沉與仰拱封閉相關(guān)性統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 Relationship between arch subsidence and invert closure of 3 tunnels constructed by bench method

試驗(yàn)顯示，對于雙側(cè)壁和CRD，支護(hù)封閉的意義主要體現(xiàn)在兩側(cè)導(dǎo)坑的橫撐是否及時架設(shè)，尤其是先行導(dǎo)坑橫撐的架設(shè)。對于CD沒有橫撐，其支護(hù)封閉的意義則在于先行導(dǎo)坑仰拱是否及時封閉。

3)凈空位移受支護(hù)剛度影響顯著。對比淺埋新黃土條件下不同支護(hù)剛度工法的拱部下沉，如圖4所示?？梢钥闯觯w支護(hù)剛度較大的雙層支護(hù)臺階法以及雙側(cè)壁的拱部下沉均明顯小于整體支護(hù)剛度較小的單層支護(hù)臺階法。

圖4 不同支護(hù)剛度工法拱部下沉對比(以基準(zhǔn)工況為1)Fig.4 Arch subsidence under different support rigidity and different construction methods(with the standard case as 1)

4)拆撐對凈空位移的影響。對于側(cè)壁導(dǎo)坑法，一次拆撐過長、襯砌施作滯后，將引起較大拱部下沉。秦東和潼洛川隧道的實(shí)踐顯示(如表1所示)，一次拆撐長度≤0.5B(隧道開挖寬度)時，拱部下沉增量比例＜10%;一次拆撐長度＞1B時，拱部下沉增量將達(dá)到拆撐前拱部下沉總量的35%，這也超出規(guī)范許可范圍，因此施工中應(yīng)嚴(yán)格控制拆撐長度。

表1 一次拆撐長度對拱部下沉影響的統(tǒng)計(jì)Table 1 Influence of one-time support-dismantling length on arch subsidence

5)地表沉降控制效果。表2為不同工法開挖下地表沉降的實(shí)測結(jié)果。針對淺埋新黃土地表沉降，鄭西客專秦東和高橋隧道的實(shí)踐顯示:埋深10 m左右(＜1倍開挖寬度)時雙層支護(hù)臺階法可控制在135 mm水平(包括地層重固結(jié)壓縮沉降);埋深15 m左右(1倍開挖寬度)時雙側(cè)壁可控制在60 mm以下;埋深30 m左右(2倍開挖寬度)時留核心土臺階法可控制在110～170 mm(前者有大拱腳，后者無大拱腳)。同時，借鑒寶蘭鐵路二線新曲兒岔雙線黃土隧道下穿既有隴海鐵路的經(jīng)驗(yàn)［8］，在埋深25 m(接近2倍開挖寬度)的新黃土中，采用CRD可控制地表沉降在80～140 mm。相對而言，雙側(cè)壁具有優(yōu)異的控制地表沉降能力。但對于特淺埋新黃土地層，應(yīng)考慮地層的重固結(jié)壓縮沉降。

綜上，在黃土尤其是淺埋新黃土圍巖變形的控制效果上，雙層支護(hù)＞單層支護(hù)，雙側(cè)壁＞CRD＞臺階法。在凈空位移尤其是拱部下沉量級上，鄭西客專大斷面黃土隧道顯著大于一般圍巖鐵路雙線隧道，因此TB 10003—2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的初期支護(hù)極限相對位移并不適用于該工程大斷面黃土隧道穩(wěn)定性判別。

2.2 支護(hù)受力特性

表3為5種工法開挖階段型鋼噴錨組合支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力實(shí)測最大值的匯總結(jié)果。試驗(yàn)顯示，大斷面黃土隧道采用型鋼噴錨組合支護(hù)結(jié)構(gòu)時，具有型鋼顯著承壓而錨桿受力較小的受力特性。

其中，雙側(cè)壁、CRD、CD和留核心土臺階法初期支護(hù)型鋼均受壓顯著，尤其在仰拱以上部位。相對于雙側(cè)壁、CRD、CD和留核心土臺階法，雙層支護(hù)臺階法提拱了一種強(qiáng)度和剛度更大的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，其實(shí)測外層型鋼應(yīng)力僅為其他4種工法下初期支護(hù)型鋼應(yīng)力的50%或更小，顯然此時結(jié)構(gòu)要以剛度控制為主要目的。

表2 雙側(cè)壁、CRD與臺階法在淺埋新黃土中控制地表沉降的實(shí)測效果Table 2 Effect of ground surface settlement of shallow-buried new loess tunnels constructed by double-side drift method，CRD method and bench method

表3 5種工法開挖階段支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力實(shí)測最大值匯總表Table 3 Maximum stress of support structure of tunnels constructed by 5 different construction methods

綜上，在支護(hù)型鋼受力大小上，單層支護(hù)＞雙層支護(hù)，臺階法＞CD＞CRD＞雙側(cè)壁?？傮w上，鄭西客專大斷面黃土隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)在受力上呈顯著受壓狀態(tài)(限于單層支護(hù))，尤其是仰拱以上部位。在側(cè)壁導(dǎo)坑法中，中壁受力最顯著，且呈明顯壓彎狀態(tài)。

2.3 圍巖壓力

1)圍巖壓力分布特性。測試顯示，鄭西客專大斷面黃土隧道圍巖壓力具有如下分布特性:①仰拱和墻腳圍巖壓力最大;②邊墻范圍水平側(cè)向壓力則主要有3種分布形式，即A型在淺埋新、老黃土中均有出現(xiàn)，B型出現(xiàn)于淺埋新黃土(尤其是下穿段雙層支護(hù)臺階法)，C型出現(xiàn)于深埋老黃土;③拱部垂直壓力中一般拱腰較大，但在特淺埋處，拱頂壓力較大。對應(yīng)于邊墻側(cè)壓力3種分布形式，拱部垂直壓力也有3種分布形式，如圖5所示。

2)襯砌接觸壓力特性。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，鄭西客專大斷面黃土隧道在襯砌施作1～2年后的接觸壓力如圖6所示(分別按支護(hù)類型和埋深統(tǒng)計(jì))?？梢钥闯?，單層支護(hù)結(jié)構(gòu)的接觸壓力平均為圍巖壓力的50%，而雙層支護(hù)結(jié)構(gòu)的接觸壓力明顯小得多，平均只有圍巖壓力的30%。

圖5 鄭西客專大斷面黃土隧道黃土圍巖壓力分布形式統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.5 Distribution of surrounding rock pressure of large crosssection loess tunnels on Zhengzhou-Xi’an passenger-dedicated line

3 工法適用性分析及評價

綜上分析，按照圍巖分級、埋深，提出5種試驗(yàn)工法的適用性，如表4所示。試驗(yàn)表明，臺階法的適用范圍可擴(kuò)大至Ⅴ級新黃土圍巖，尤其是高橋隧道的實(shí)踐，為淺埋大斷面新黃土隧道采用臺階法施工提供了成功經(jīng)驗(yàn)。其中，采用留核心土臺階法解決開挖面積達(dá)164 m2、埋深30 m(約2倍隧道開挖寬度)的淺埋大斷面新黃土隧道的施工，對應(yīng)用臺階法控制黃土隧道拱部地層沉降具有重要意義。

圖6 施作襯砌1～2年后接觸壓力統(tǒng)計(jì)圖Fig.6 Contact pressure measured 1 to 2 years after installation of secondary lining

表4 5種工法適用性(按圍巖分級)Table 4 Applicability of 5 construction methods(according to surrounding rock classification)

4 結(jié)論與討論

通過現(xiàn)場試驗(yàn)，進(jìn)行了鄭西客專大斷面黃土隧道5種工法的變性特征與力學(xué)特性研究，主要結(jié)論如下。

1)大斷面黃土隧道凈空位移中垂直位移顯著，并顯著大于鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范給出的沉降極限值，尤其臺階法拱部整體下沉特征顯著。

2)凈空位移受支護(hù)封閉即封閉距離的影響顯著，支護(hù)封閉應(yīng)盡量靠近掌子面進(jìn)行。

3)凈空位移受支護(hù)剛度影響顯著，整體支護(hù)剛度較大的工法其凈空位移較小。

4)大斷面黃土隧道采用型鋼噴錨組合支護(hù)結(jié)構(gòu)時，具有型鋼顯著承壓而錨桿受力較小的受力特性，尤其是拱部錨桿基本不受(拉)力。雙層支護(hù)提拱了一種強(qiáng)度和剛度更大的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，受力顯著小于單層支護(hù)。

5)在試驗(yàn)工法力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，按照圍巖分級、埋深提出5種工法的適用性，臺階法的適用范圍可擴(kuò)大至Ⅴ級新黃土圍巖，采用留核心土臺階法成功解決開挖面積達(dá)164 m2、埋深30 m的淺埋大斷面新黃土隧道的施工。

本文研究側(cè)重于現(xiàn)場試驗(yàn)，對黃土變形機(jī)制的研究尚未涉及，且研究分析并未考慮施工工序和施工過程的影響，故對于指導(dǎo)施工仍有一定的局限性，而針對黃土隧道的變形控制及受力分析，仍需進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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