天平山隧道軟弱圍巖施工工法比較與分析

1工程概況

新建貴廣鐵路是連接我國(guó)西南地區(qū)與珠三角地區(qū)的交通“大動(dòng)脈”，速度目標(biāo)值為300km/h，是我國(guó)一次建成標(biāo)準(zhǔn)高、線路長(zhǎng)的復(fù)雜山區(qū)客運(yùn)專線鐵路。天平山隧道設(shè)計(jì)起訖里程DK366+865～DK380+874，全長(zhǎng)14009米，單洞雙線。隧道正洞洞身埋深大，屬于高地應(yīng)力區(qū)，洞身基巖為以頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖為主的軟質(zhì)巖，炭質(zhì)頁(yè)巖屬軟弱圍巖，尤其是厚層炭質(zhì)頁(yè)巖、構(gòu)造發(fā)育、巖體破碎、富含地下水時(shí)，因圍巖強(qiáng)度低、開挖后風(fēng)化快、透水性弱、親水性強(qiáng)，浸水后容易產(chǎn)生較大的塑性變形甚至流變，在施工中易引起較大的擠壓性變形，施工難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。

2、軟弱圍巖隧道施工基本原則

軟弱圍巖隧道安全快速施工的基本原則是：預(yù)支護(hù)、快挖、快支、快閉合。（1）“預(yù)支護(hù)”是在開挖前，針對(duì)開挖后預(yù)計(jì)的變形實(shí)態(tài)，事前采取的控制變形的對(duì)策，預(yù)支護(hù)的目的是控制掌子面前方先行位移和擠出位移。（2）“快挖”是采取全斷面法或臺(tái)階法進(jìn)行快速掘進(jìn)的對(duì)策，快挖的重點(diǎn)是控制開挖進(jìn)尺及分部距離。（3）“快支”是采取初期支護(hù)控制變形的對(duì)策，其目的是控制初期位移速度及最終位移值。（4）“快閉合”是使變形早期收斂的對(duì)策，其目的是控制收斂距離以及控制位移收斂時(shí)間。眾所周知，隧道開挖后，隨著時(shí)間的推移，變形也在發(fā)展。一般說(shuō)，剛開挖過(guò)后，變形發(fā)展很快，掌子面前方先行位移、掌子面擠出位移以及掌子面后方位移都在發(fā)展，即初期變形速度很快，而且變形值也比較大。因此，如果能夠控制住這些變形的初期發(fā)展，也就控制了變形的后期發(fā)展，就可以控制隧道圍巖的松弛。因此，在控制掌子面前方先行位移和擠出位移的基礎(chǔ)上，及早控制開挖后的位移發(fā)展，及早使斷面閉合，是非常重要的。

3、軟弱圍巖隧道施工發(fā)展理念

結(jié)合自身隧道施工體會(huì)和類似工程經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為軟弱圍巖隧道安全快速施工重點(diǎn)如下：

（1）應(yīng)根據(jù)圍巖應(yīng)力特征和變形規(guī)律合理劃分開挖斷面和進(jìn)尺。圍巖的失穩(wěn)破壞是圍巖應(yīng)力和變形調(diào)整導(dǎo)致的結(jié)果，堅(jiān)硬圍巖由于強(qiáng)度高、變形小，圍巖失穩(wěn)破壞對(duì)施工的影響不顯著，而在軟弱圍巖中，則必須充分考慮圍巖應(yīng)力和變形調(diào)整的結(jié)果。因此，在軟弱圍巖隧道施工中，根據(jù)圍巖應(yīng)力調(diào)整的特征及其變形規(guī)律，合理選擇開挖分部和開挖進(jìn)尺，如臺(tái)階的數(shù)量、高度、長(zhǎng)度等，是實(shí)現(xiàn)軟弱圍巖隧道安全快速施工的理論基礎(chǔ)。

（2）大斷面少分部的開挖方法。臺(tái)階多、步序復(fù)雜、施工速度慢是目前我國(guó)軟弱圍巖隧道施工方法的主要特征。在保障圍巖穩(wěn)定的前提下，減少開挖臺(tái)階及簡(jiǎn)化施工步序以加快施工速度是隧道安全快速施工的研究方向。相比較而言，國(guó)外的隧道施工多采用全斷面法開挖，對(duì)于穩(wěn)定性較差的圍巖，則采用超前支護(hù)或者超前加固的手段，提高掌子面前方圍巖的穩(wěn)定性，而后仍采用全斷面法開挖，如意大利的新意法多是如此。在我國(guó)，則多采用分臺(tái)階分部開挖來(lái)達(dá)到控制圍巖變形的目的，這主要是因?yàn)槲覈?guó)隧道超前支護(hù)的技術(shù)較為薄弱。因此，提高隧道超前支護(hù)的技術(shù)水平，減少開挖分部，是隧道安全快速施工技術(shù)的研究方向。

（3）重視超前支護(hù)。軟弱圍巖隧道變形的一個(gè)主要特征是掌子面前方圍巖變形較大，因此采用超前支護(hù)措施控制掌子面前方位移是必要的。我國(guó)隧道修建過(guò)程中對(duì)超前支護(hù)重視不足，往往是出現(xiàn)了較大變形后方才加強(qiáng)支護(hù)措施，這些措施多是掌子面后方的，補(bǔ)救性的支護(hù)措施。對(duì)于軟弱圍巖來(lái)說(shuō)，掌子面前方的超前支護(hù)對(duì)圍巖變形的控制效果要比掌子面后方的支護(hù)措施好得多。

（4）機(jī)械化。機(jī)械化是軟弱圍巖隧道安全快速施工的發(fā)展趨勢(shì)。大型機(jī)械的施工速度是人工開挖所無(wú)法比擬的，如TBM掘進(jìn)機(jī)單個(gè)工作面的掘進(jìn)速度約900m/月左右，一般為鉆爆法的8倍，而英吉利海峽隧道創(chuàng)造了月進(jìn)尺1719.1m的最高紀(jì)錄。機(jī)械化能夠大幅度地減少單個(gè)工序占用的時(shí)間，如多臂鉆孔臺(tái)車、濕噴機(jī)械手、拱架安裝機(jī)等機(jī)械的有效利用可使鉆孔、噴混、安裝拱架的時(shí)間減少50%以上。機(jī)械化是加快施工速度、提高施工效率、保障施工安全是重要措施，也是隧道施工技術(shù)進(jìn)步的體現(xiàn)。隨著大型機(jī)械，如TBM掘進(jìn)機(jī)廣泛應(yīng)用，隧道施工越來(lái)越朝著機(jī)械化、信息化、智能化的方向發(fā)展。

4、軟弱圍巖施工數(shù)值模擬與分析

隨著數(shù)值技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的大幅度提高，數(shù)值模擬方法開始在巖土工程中發(fā)揮愈來(lái)愈重要的作用，并且在工程實(shí)踐中得到了一系列成功的應(yīng)用。對(duì)于工法優(yōu)化而言，采用數(shù)值方法對(duì)各種工法進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，提出一種合理的施工工法。依托貴廣鐵路天平山隧道的圍巖條件，采用數(shù)值模擬手段對(duì)大斷面軟弱圍巖隧道常用的開挖方法進(jìn)行對(duì)比分析，重點(diǎn)研究開挖過(guò)程中的圍巖變形控制效果，并綜合考慮施工進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)性要求，最終得出適合該類地層施工的施工方案。

（1）計(jì)算工況與模型。根據(jù)上文分析并結(jié)合天平山隧道的特點(diǎn)，數(shù)值模擬計(jì)算以下4種工況：雙側(cè)壁法、CRD法、CD法和三臺(tái)階七步法。根據(jù)圣維南原理和實(shí)際需要模型整個(gè)模型計(jì)算范圍為136m×100m（寬×高），計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖4-1所示。

（2）計(jì)算參數(shù)。計(jì)算模型采用深埋模式，不考慮重力的影響，根據(jù)地應(yīng)力勘測(cè)結(jié)果，取豎向應(yīng)力v=-10.32MPa，橫向水平應(yīng)力h=-11.49MPa，縱向水平應(yīng)力H=-17.55MPa。

計(jì)算假定圍巖材料滿足摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則，基于室內(nèi)試驗(yàn)獲得炭質(zhì)頁(yè)巖的基本物理力學(xué)特性及其力學(xué)參數(shù)（參見本報(bào)告第2章表2-1），并結(jié)合貴廣鐵路天平山隧道2號(hào)勘探孔（參見本報(bào)告第1章圖1-2和表1-1）處的圍巖條件，考慮到圍巖條件極為破碎，對(duì)炭質(zhì)頁(yè)巖巖塊的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行0.6倍折減后得到巖體計(jì)算參數(shù)。數(shù)值仿真中將二次襯砌作為安全儲(chǔ)備考慮，僅考慮初期支護(hù)的支護(hù)作用。數(shù)值計(jì)算參數(shù)如表4-1所示。

應(yīng)予指出，本節(jié)數(shù)值計(jì)算是采用平面應(yīng)變模型計(jì)算，未考慮隧道開挖后因支護(hù)結(jié)構(gòu)施做滯后、噴射混凝土硬化過(guò)程和隧道開挖三維時(shí)空效應(yīng)等引起的圍巖變形，同時(shí)未考慮超前小導(dǎo)管等超前支護(hù)的作用，且無(wú)法給出掌子面擠出變形等。因此，本節(jié)計(jì)算結(jié)果僅用于施工工法比選，不能用于指導(dǎo)隧道三維的施工過(guò)程。

（3）計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算得到4種工況的拱頂沉降、水平收斂隨開挖步的關(guān)系曲線如圖4-2所示?？梢钥闯觯?/p>

（1）三臺(tái)階七步開挖法中，上中臺(tái)階兩弧形導(dǎo)坑的開挖造成的變形量占最終變形量的60%以上，為隧道圍巖變形控制的關(guān)鍵步序；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法中，造成較大的變形量的兩側(cè)壁導(dǎo)坑開挖為隧道圍巖變形控制的關(guān)鍵步序；CRD法和CD各步序開挖引起的變形量集中在先行導(dǎo)坑的開挖。

（2）就拱頂最終沉降量而言，三臺(tái)階七步開挖法（163mm）>CD法（86mm）>雙側(cè)壁法（57mm）>CRD法（53mm）；因此，單從拱頂沉降控制角度，應(yīng)選擇能夠提供強(qiáng)大豎向支撐并及時(shí)封閉成環(huán)的CRD法。

（3）就最終水平收斂而言，三臺(tái)階七步開挖法（163mm）>CD法（146mm）>CRD法（119mm）>雙側(cè)壁法（71mm）；因此，單從水平收斂控制角度，應(yīng)選擇能夠具有施作臨時(shí)橫撐的雙側(cè)壁法。綜合圍巖變形控制效果，應(yīng)選擇拱頂沉降和水平收斂控制效果均較好的雙側(cè)壁法。

（4）盡管三臺(tái)階七步法施工引起的圍巖變形量最大，可是圍巖變形量（包括拱頂沉降和水平收斂）仍在工程安全要求的范圍內(nèi)，且各開挖步引起的變形量分布相對(duì)較為均勻。而雙側(cè)壁法和CRD法需耗費(fèi)大量時(shí)間和材料用于架設(shè)和拆除臨時(shí)支撐，施工空間分割比較狹小，在采用需要回轉(zhuǎn)空間的挖掘機(jī)開挖時(shí)，不利于上橫撐的及時(shí)跟進(jìn)，施工中往往造成上橫撐架設(shè)滯后，帶來(lái)凈空位移控制不力的問(wèn)題，且施工速度比較慢，費(fèi)用高。與雙側(cè)壁法和CRD法相比，CD法臨時(shí)支撐相對(duì)較少，但天平山隧道具有較大的水平應(yīng)力，CD法在控制隧道水平收斂方面與三臺(tái)階七步法相比效果并不明顯，且同樣存在施工進(jìn)度慢和費(fèi)用高的問(wèn)題。

綜合以上研究，針對(duì)天平山隧道具有較大軸向水平應(yīng)力的特點(diǎn)，三臺(tái)階七步法能夠很好的控制掌子面變形。

5、軟弱圍巖施工的工法比選

（1）施工安全性比選

根據(jù)以上分析，就天平山隧道圍巖穩(wěn)定性控制要求而言，三臺(tái)階七步開挖法、CD法、雙側(cè)壁法和CRD法均能滿足施工安全性的要求。只是，帶橫撐的雙側(cè)壁法控制圍巖變形的能力最強(qiáng)。

（2）工程經(jīng)濟(jì)性比選

與施作大量臨時(shí)支撐的側(cè)壁導(dǎo)坑法及其衍生工法而言，三臺(tái)階七步開挖法在工程經(jīng)濟(jì)性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

（3）施工進(jìn)度比選

同樣，與施作大量臨時(shí)支撐的側(cè)壁導(dǎo)坑法及其衍生工法而言，三臺(tái)階七步開挖法在施工進(jìn)度方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。工程經(jīng)驗(yàn)表明各施工方法施工速度對(duì)比情況如表5-1所示。從對(duì)比結(jié)果來(lái)看，臺(tái)階法和臨時(shí)仰拱閉合法施工速度比較快，而CD法和CRD法相對(duì)比較慢，而雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工速度相比較而言最慢。

（4）綜合比選

綜合施工安全性、工程經(jīng)濟(jì)性和施工進(jìn)度要求，天平山隧道大斷面軟弱圍巖段施工應(yīng)選擇施工工藝簡(jiǎn)單、作業(yè)空間大，方便大型機(jī)械設(shè)備的操作，無(wú)須增設(shè)和拆除臨時(shí)支撐，工程經(jīng)濟(jì)好，施工速度快的三臺(tái)階七步開挖法。三臺(tái)階七步開挖法規(guī)避了側(cè)壁導(dǎo)坑法、中隔壁法及交叉中隔壁法等需要拆除臨時(shí)支護(hù)及受力轉(zhuǎn)換造成不安全的因素，及時(shí)調(diào)整閉合時(shí)間，方便機(jī)械施工，利于施工工序轉(zhuǎn)換。另外，針對(duì)天平山隧道斷面大、圍巖條件差和水平應(yīng)力（尤其沿隧道走向的水平應(yīng)力）較大的特點(diǎn)，充分利用三臺(tái)階七步開挖法核心土控制掌子面穩(wěn)定性和擠出變形的基礎(chǔ)上，應(yīng)綜合采取“短進(jìn)尺、留核心、管超前、強(qiáng)拱腳、早封閉、測(cè)下沉、強(qiáng)支護(hù)”等技術(shù)措施，并強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)掌子面穩(wěn)定性和拱腳穩(wěn)定性的控制。

6、總結(jié)

針對(duì)天平山隧道軟弱圍巖段的特點(diǎn)，基于大斷面軟弱圍巖隧道常用施工方法的綜合對(duì)比分析，提出以三臺(tái)階七步開挖為核心，通過(guò)一系列加強(qiáng)掌子面穩(wěn)定性和洞周圍巖穩(wěn)定性控制的技術(shù)措施，從而保證施工安全性、經(jīng)濟(jì)性和高效性，實(shí)踐證明在天平山隧道這種深埋大斷面軟弱圍巖隧道的施工中是一種針對(duì)性強(qiáng)、效率高的施工方法。

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