穿越富煤軟巖偏壓古滑體地層大斷面鐵路客專隧道施工綜合影響效應分析

中國鐵建大橋工程局集團第五工程有限公司 561500

摘要：為安全、優(yōu)質(zhì)、快速完成在建的劉家莊隧道，在現(xiàn)場測試和室內(nèi)試驗、計算基礎上，優(yōu)化施工方案，提出大斷面隧道穿越偏壓富煤軟巖施工應對措施，以期為劉家莊隧道以及類似工程安全、快速及高質(zhì)量完成提供指導和借鑒。

關鍵詞：富煤軟巖；鐵路客專；影響分析；安全、快速施工

1概述

我國是一個多山國家，發(fā)展鐵路交通不可避免地要遇到隧道的建設問題。隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測，是從個體到群體解決隧道與地下工程力學、設計、施工問題的一種重要手段和主要途徑。

因各條隧道的地質(zhì)條件不同，隨著斷面增大，其圍巖穩(wěn)定性變化加大。若圍巖比較軟弱，則巖體整體強度低，自穩(wěn)能力差，隧道開挖后自穩(wěn)時間僅為幾個小時，甚至沒有自穩(wěn)時間，易出現(xiàn)冒落破壞，形成安全事故。因此，在大斷面隧道穿越富煤軟巖施工中經(jīng)常出現(xiàn)不均勻受力（存在應變梯度）、荷載（應力）多次重復作用、邊界受有約束、達到相同應力值的途徑不同等復雜的受力狀態(tài)問題。為安全、優(yōu)質(zhì)、快速完成該隧洞的施工，課題依托在建的劉家莊隧道，在現(xiàn)場測試和室內(nèi)試驗、計算基礎上，優(yōu)化施工方案，提出大斷面隧道穿越偏壓富煤軟巖施工應對措施，以期為劉家莊隧道安全、快速及高質(zhì)量完成工程提供指導。

2穿越富煤軟巖偏壓古滑體地層大斷面鐵路客專隧道開挖后變形特點

根據(jù)施工多個循環(huán)的跟蹤觀察、數(shù)據(jù)收集、結(jié)果分析?；敬_定該隧道開挖變形經(jīng)歷了緩慢變形階段、變形加速階段、緩慢變形階段及變形逐步穩(wěn)定階段。隧道初期支護變形的特點表現(xiàn)為拱頂沉降量相對較小而周邊收斂變形相對較大。由于偏壓線路右側(cè)相對線路左側(cè)收斂值大。上臺階開挖后拱頂沉降變形約在7 d逐步趨于穩(wěn)定。中、下臺階及仰拱開挖后發(fā)生明顯3次變形，變形速率明顯增大；初期支護噴射混凝土產(chǎn)生裂縫，且局部發(fā)生脫落。

3穿越富煤偏壓地層大斷面客專隧道施工各項參數(shù)對隧道安全和穩(wěn)定的影響分析

3.1數(shù)值模型參數(shù)及相關假定

由于實際施工中是采用三臺階仰拱法施工，故數(shù)據(jù)模擬分析也以三臺階仰拱法為例。

數(shù)值模擬中作如下假定：①介質(zhì)均為各向同性的連續(xù)均勻介質(zhì)，忽略節(jié)理、層理與剪切帶等地質(zhì)軟弱面造成的介質(zhì)不連續(xù)情況；②不考慮地下水對隧道造成的影響；③模型按照彈性來考慮；④初期支護中的鋼架和網(wǎng)片等可按照剛度等效原則等效到初期支護中來模擬，計算采取殼單元來模擬初期支護與臨時支護。初始地應力包括初始自重應力和構(gòu)造應力。然而目前構(gòu)造應力的影響很難被預計，故在分析中略去這一因素，直接用自重應力場來代表初始應力場。根據(jù)圣維南原理，對于山嶺隧道，數(shù)值計算中的圍巖尺寸一般取隧洞開挖斷面的3～5倍的洞徑（或洞跨），模型邊界沿模型x方向取50m，沿負x方向也取50m，沿負y方向取40m，沿y方向取60m，沿負z方向取為60m，整個隧道模型建成后大小為100m*100m*60m，隧道開挖軸線方向2m一個網(wǎng)格，模擬施工中的步距。

3.2三臺階仰拱法施工模擬步驟

滬昆客專劉家莊隧道出口三臺階仰拱法施工各分部情況主要施工模擬步驟如下：（1）建立三維實體模型，施加重力加速度和邊界條件，求解，得到初始應力場；（2）開挖上臺階土體，縱向開挖至2m處，及時施作初期支護，求解；（3）上臺階土體繼續(xù)開挖以及繼續(xù)及時施做初期支護，開挖步距為2m，開挖一步，求解一步，當上臺階開挖至4m時，同時開挖中臺階土體至2m處，及時施作初期支護，求解；（4）上、中臺階同時開挖以及同時及時施做初期支護，開挖步距為2m，開挖一步，求解一步，當中臺階開挖至6m時，同時開挖下臺階土體至2m處，及時施做初期支護，求解；（5）上、中、下臺階同時開挖以及同時及時施做初期支護，開挖步距為2m，開挖一步，求解一步，當下臺階開挖至12m時，同時開挖底部仰拱部分土體至2m處，及時施做初期支護，求解；（6）各分部同時向前開挖，開挖步距為2m，開挖后及時施作初期支護，求解，開挖一步，求解一步。

3.3圍巖累計沉降位移場分析

當隧道采用三臺階仰拱法穿越研究斷面時，隧道施工中各分部穿越研究斷面所形成的研究模型中研究斷面上的圍巖累計沉降位移：（1）上臺階穿越研究斷面后，研究斷面上拱部上側(cè)附近圍巖出現(xiàn)了較大的累計沉降位移，最大沉降點出現(xiàn)在拱頂。上臺階底部全部向上隆起，最大隆起點出現(xiàn)在上臺階底部中點。這是因為研究斷面上上臺階分部突然被開挖，圍巖向隧道內(nèi)移動，應力釋放，導致出現(xiàn)了較大的沉降位移與較大的上隆位移。（2）中臺階穿越研究斷面后，研究斷面上拱部上側(cè)附近圍巖出現(xiàn)了更大的累計沉降位移，最大沉降點任在拱頂出現(xiàn)。中臺階底部出現(xiàn)了更大的圍巖隆起，隆起現(xiàn)象更加嚴重。（3）下臺階穿越研究斷面后，研究斷面上拱部上側(cè)附近圍巖大規(guī)模大位移沉降現(xiàn)象得到緩解，但拱頂附近沉降任在繼續(xù)增加。下臺階底部圍巖大規(guī)模大位移隆起現(xiàn)象也得到緩解。中臺階邊墻附近圍巖累計沉降位移較小。（4）底部仰拱穿越研究斷面后，研究斷面上的初期支護得以封閉成環(huán)，拱部附近圍巖沉降已基本上得到控制，仰拱底部圍巖上隆也基本上得到了控制，沒有再產(chǎn)生過大的異常變形。這說明初期支護封閉成環(huán)后，整個結(jié)構(gòu)已基本上趨于穩(wěn)定。

通過以上分析可知，當隧道采用三臺階仰拱法穿越研究斷面時，各分部分別穿越研究斷面對研究斷面圍巖造成的影響很大，這種影響的變化也很大，該施工方案雖然對斷面劃分較少，但各分部支護不能立即成環(huán)，各分部穿越研究斷面所引起的研究斷面上累計沉降區(qū)域較大，圍巖上隆區(qū)域也較大。

4穿越富煤軟巖偏壓古滑體地層大斷面鐵路客專隧道施工力學效應特征

4.1 隧道圍巖應力場分析

當隧道采用三臺階仰拱法施工時，研究模型中研究斷面上圍巖最大主應力圖可知：（1）當上臺階穿越研究斷面后，研究斷面上圍巖中上臺階底部靠近左右拱腳處出現(xiàn)了較小的應力集中，且為拉應力，最大值為1.13MPa，三臺階底部出現(xiàn)方形拉應力區(qū)，應力值都很小，隧道附近圍巖除此處拉應力區(qū)外，其余皆為壓應力區(qū)。原因在于，研究斷面上上臺階部分被開挖，造成了相當大的臨空面，拱頂附近圍巖在豎向壓力作用下向隧道內(nèi)移動，迫使拱腳分別向隧道兩側(cè)圍巖內(nèi)移動，使得上臺階底部出現(xiàn)拉應力區(qū)，尤以底部靠近拱腳處為最大。（2）當中臺階穿越研究斷面后，研究斷面上圍巖中中臺階底部出現(xiàn)了弓形拉應力區(qū)，中臺階底部靠近拱腳附近出現(xiàn)了拉應力集中，最大值為0.597MPa，比上臺階穿越研究斷面后產(chǎn)生的最大拉應力值小了47%，但拉應力區(qū)域有所增大。中臺階拱腳處出現(xiàn)了較大的壓應力集中，最大壓應力值為0.92MPa。（3）當下臺階穿越研究斷面后，研究斷面上圍巖中下臺階底部雖出現(xiàn)了拉應力區(qū)，但比起中臺階穿越研究斷面產(chǎn)生的圍巖拉應力區(qū)，不僅區(qū)域變小，最大拉應力值也小了10.5%。中臺階拱腳處有較大的壓應力區(qū)域，但比起中臺階穿越研究斷面產(chǎn)生的中臺階拱腳處圍巖壓應力區(qū)域要小很多。（4）當?shù)撞看┰窖芯繑嗝婧?，研究斷面上隧道附近圍巖中均出現(xiàn)了壓應力區(qū)域，拱頂上側(cè)附近圍巖與仰拱下側(cè)附近圍巖中出現(xiàn)了較小的壓應力區(qū)域，隧道左右邊墻附近圍巖中出現(xiàn)了較大的壓應力區(qū)域，從整體上看，隧道附近圍巖中并無出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。

4.2 初期支護結(jié)構(gòu)應力分析

當隧道采用三臺階仰拱法施工完畢后，初期支護結(jié)構(gòu)的最大與最小主應力：當隧道采用三臺階仰拱法完成施工后，針對最大主應力場進行分析，初期支護拱頂外測大部分區(qū)域受壓，只在洞口處出現(xiàn)小范圍的拉應力區(qū)，最大壓應力值為0.465MPa。初期支護結(jié)構(gòu)拱頂內(nèi)測區(qū)域全部受拉，洞口處部分區(qū)域發(fā)生拉應力集中，其最大值為24.6MPa，此區(qū)域在施工中要特別注意，及時加強此區(qū)域的初期支護，必要時要加一些臨時支護來確保此區(qū)域的初期支護不被拉裂。

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