太岳山隧道施工優(yōu)化及數(shù)值模擬分析

宋 力

(中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001)

太岳山隧道施工優(yōu)化及數(shù)值模擬分析

宋 力

(中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001)

針對太岳山隧道施工過程出現(xiàn)的頂部巖層掉塊垮塌、臺階法步長不協(xié)調(diào)以及臺階高度與格柵鋼架高度不匹配等工程問題，提出了施工優(yōu)化方案，并采用數(shù)值計(jì)算方法對優(yōu)化前后的施工方案進(jìn)行了模擬分析，計(jì)算表明：優(yōu)化后的施工方案有效地保證了隧道的施工質(zhì)量和施工進(jìn)度。

隧道工程，泥巖，上下臺階法，施工優(yōu)化，數(shù)值分析

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速增長，我國交通建設(shè)領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展，穿越山嶺地區(qū)的隧道工程也越來越多。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國目前建成的鐵路隧道總長度已達(dá)到7 000多千米，公路隧道總里程達(dá)到3 000多千米，到2020年前，我國規(guī)劃建設(shè)5 000座隧道，長度超過9 000 km。同時(shí)，在隧道工程的眾多技術(shù)領(lǐng)域，眾多工程技術(shù)人員做出了大量的努力和杰出的貢獻(xiàn)，并取得了舉世矚目的成就[1]。

然而，由于巖體工程的極其復(fù)雜性，目前工程界還遠(yuǎn)未能解決隧道工程中所遇到的各類問題，致使隧道工程長期處于“經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)”和“經(jīng)驗(yàn)施工”的局面[2]。因不同隧道所處工程地質(zhì)壞境的差異，僅依靠經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)和施工難免造成與實(shí)際不符。因此，不少學(xué)者則依據(jù)隧道施工過程中實(shí)際開挖揭露的工程地質(zhì)情況，對隧道的設(shè)計(jì)和施工方案進(jìn)行優(yōu)化。如李術(shù)才等[3]以八字嶺分岔隧道為例，對分岔隧道的穩(wěn)定性及其施工優(yōu)化進(jìn)行了分析研究；胡世權(quán)[4]開展了龍?zhí)端淼理搸r段施工優(yōu)化的數(shù)值模擬分析；楊凡杰等[5]基于錦屏大理巖循環(huán)加卸載試驗(yàn)提出了彈塑性耦合力學(xué)模型，對錦屏二級水電站引水隧洞進(jìn)行了計(jì)算分析；趙玉光等[6]以對廣惠高速公路小金口雙連拱隧道為例，對雙連拱隧道施工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對施工方法進(jìn)行了比選；佘健等[7]對渝黔二期工程筆架山隧道的軟弱圍巖段施工過程中進(jìn)行了三維彈塑性數(shù)值模擬分析。

本文將在已有研究基礎(chǔ)上，針對太岳山隧道在施工過程中所遇到的問題，對其施工方案進(jìn)行優(yōu)化，并對優(yōu)化前后的施工方案進(jìn)行數(shù)值模擬對比分析，最后，結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)際情況對優(yōu)化后施工方案的合理性進(jìn)行評價(jià)。

1 工程概況

太岳山隧道是山西中南部鐵路通道的重、難點(diǎn)工程，也是控制工程。隧道起訖里程為DK392+930～DK409+124，全長16 194 m。太岳山隧道為單洞雙線隧道，開挖斷面93 m3～110 m3。開挖寬10 m～11 m，高9 m～10 m，隧道設(shè)4座施工斜井作為輔助坑道。太岳山隧道洞身最大埋深約300 m，最小埋深約5 m，隧道開挖區(qū)域地應(yīng)力以自重應(yīng)力為主。

隧道位于中低山丘陵區(qū)，通過地層主要二疊系下統(tǒng)上石盒子組砂巖夾泥巖、上石盒子組砂巖夾泥巖，石千峰組泥巖夾砂巖。其中，泥巖巖質(zhì)較軟，易崩解，具膨脹性，而砂巖巖質(zhì)較硬，風(fēng)化層厚8 m～12 m；全隧道估算正常涌水量8 594 m3/d，最大涌水量20 393 m3/d。主要不良地質(zhì)為進(jìn)口段淺埋黃土以及全隧道水平泥巖夾砂巖易垮塌地層。

2 優(yōu)化前隧道施工方案及工程問題

由于太岳山隧道為單洞雙線隧道，優(yōu)化前的施工方案主要采用傳統(tǒng)的雙線隧道臺階法施工。根據(jù)傳統(tǒng)雙線隧道臺階法施工的要求，施工時(shí)上臺階要滿足挖掘機(jī)和鑿巖臺架的布置要求，一般上臺階高度控制在6 m左右，上臺階的臺階長度10 m～20 m，下臺階至仰拱施工距離在20 m左右(見圖1)。

在太岳山隧道的施工初期，按傳統(tǒng)的雙線隧道臺階法施工，施工過程出現(xiàn)如下幾種不利的工程情況：

1)爆破后初期支護(hù)期間頂部水平巖層經(jīng)常出現(xiàn)掉塊垮塌現(xiàn)象；2)由于出碴時(shí)鑿巖臺架和出碴設(shè)備的空間問題，臺階法步長關(guān)系不能保證，或因?yàn)楸ＷC安全的步長關(guān)系不能保證上下臺階同步推進(jìn)，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度；3)水平巖層拱部須架設(shè)格柵鋼架時(shí)，臺階高度與格柵鋼架高度不匹配，格柵鋼架立設(shè)難度大。

3 優(yōu)化后隧道施工方案

針對上述太岳山隧道施工初期的不利工程情況，為保證在水平泥巖夾砂巖且易垮塌地層實(shí)現(xiàn)快速安全施工，對隧道初始施工方案進(jìn)行了優(yōu)化。具體如下：將臺階法施工時(shí)的上臺階高度調(diào)整為3.6 m左右，上臺階鉆爆作業(yè)采用簡易平臺(馬凳)，上臺階長度控制到3 m～5 m；下臺階高度則調(diào)整為6 m左右，下臺階施工采用鑿巖臺架施工，下臺階至仰拱的施工距離為20 m左右，這樣掌子面至仰拱的距離始終控制在35 m之內(nèi)(見圖2)。

對太岳山隧道優(yōu)化后施工方案的初步分析可知，在調(diào)整上下臺階的開挖高度后，由于上臺階斷面縮小，上臺階初期支護(hù)工作量將變小，支護(hù)時(shí)間縮短，且臺階開挖高度調(diào)整后，安全步長關(guān)系將更容易保證。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

為評估太岳山隧道的施工優(yōu)化方案，分別建立隧道施工方案優(yōu)化前后兩個計(jì)算模型。其中，兩計(jì)算模型沿水平X方向長度均為210 m；豎直Z方向的長度均為220 m；優(yōu)化前計(jì)算模型沿洞軸Y方向的長度為100 m，優(yōu)化后計(jì)算模型沿洞軸Y方向的長度為90 m。優(yōu)化前的計(jì)算模型包含334 106個單元，56 783個節(jié)點(diǎn)；優(yōu)化后的計(jì)算模型包含207 407個單元，35 434個節(jié)點(diǎn)。隧道橫截面具體尺寸如圖3所示。模型四周豎直面和底部均采用垂直約束，頂部采用自由邊界條件。前期勘查工作表明，隧道開挖區(qū)域地應(yīng)力以自重應(yīng)力為主，隧道圍巖容重約為27.7 kN/m3。

計(jì)算時(shí)采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。計(jì)算參數(shù)將以圍巖變形實(shí)際監(jiān)測值為基礎(chǔ)，采用參數(shù)反演方法[8]得到。太岳山隧道圍巖變形監(jiān)測位置見圖3，由圖可知，隧道橫截面上布置有3個位移監(jiān)測點(diǎn)，其中，監(jiān)測點(diǎn)1監(jiān)測拱頂?shù)南鲁磷冃瘟?，監(jiān)測點(diǎn)2和3監(jiān)測水平方向圍巖的收斂位移。通過實(shí)測得到太岳山隧道圍巖的拱頂累計(jì)下沉變形量在12 mm左右，水平向圍巖的收斂位移在47.5 mm左右。由此反演得到的計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)的取值

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

通過對太岳山隧道施工方案優(yōu)化前后兩種工況進(jìn)行計(jì)算，得到了不同工況下圍巖的變形計(jì)算結(jié)果(見圖4)。由圖4a)可知，優(yōu)化前，由于上臺階較長(20 m左右)，上臺階開挖后因拱頂圍巖松弛導(dǎo)致下沉變形較大，最大累計(jì)下沉量達(dá)18 mm；此外，在隧底和臺階處圍巖變形亦較大。優(yōu)化后隧道圍巖位移場計(jì)算結(jié)果見圖4b)，由圖可知，與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后上臺階明顯變短(5 m左右)，上臺階開挖后拱頂?shù)南鲁磷冃我裁黠@變小(8 mm左右)，隧道開挖完成后，拱頂圍巖的最終變形量也較優(yōu)化前減小了約2 mm(累計(jì)下沉量16 mm左右)。

4.3 優(yōu)化前后的施工情況對比

實(shí)際的施工情況也表明，調(diào)整臺階高度后，由于上臺階斷面縮小，上臺階初期支護(hù)工作量變小，支護(hù)時(shí)間縮短，頂部水平巖層坍塌情況有所緩解；且臺階調(diào)整后，安全步長關(guān)系更容易保證，上下臺階共同推進(jìn)，施工進(jìn)度穩(wěn)步加快。

此處，將優(yōu)化前后的施工情況進(jìn)行了對比(見表2)。由表2可知，優(yōu)化后，上臺階開挖及出碴時(shí)間由優(yōu)化前的4.5 h縮短為2.5 h；初期支護(hù)時(shí)間由優(yōu)化前的3.5 h縮短為2 h；且臺階調(diào)整后，上下臺階共同推進(jìn)，步長關(guān)系易保證，開挖支護(hù)月平均進(jìn)度由120 m提高到180 m，最高月進(jìn)度創(chuàng)210 m好成績。

表2 臺階優(yōu)化前后施工情況對比

5 結(jié)語

針對太岳山隧道在施工過程中所遇到的問題，本文對其施工方案進(jìn)行了優(yōu)化，并對優(yōu)化前后的施工方案進(jìn)行了數(shù)值模擬對比分析。最后，結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)際情況對優(yōu)化后施工方案的合理性進(jìn)行了評價(jià)。主要包括如下內(nèi)容：

1)太岳山隧道施工初期按照傳統(tǒng)的雙線隧道臺階法開展施工，施工過程出現(xiàn)了頂部巖層掉塊垮塌、臺階法步長關(guān)系不協(xié)調(diào)以及臺階高度與格柵鋼架高度不匹配等不利的工程情況，本文針對上述問題，提出了施工優(yōu)化方案。2)通過對優(yōu)化前后的施工方案進(jìn)行數(shù)值模擬對比可知，相對于優(yōu)化前，太岳山隧道施工方案優(yōu)化后的拱頂下沉變形量明顯減小，圍巖穩(wěn)定性增強(qiáng)。3)實(shí)際施工情況表明，施工方案優(yōu)化后，由于上臺階斷面縮小，上臺階初期支護(hù)工作量變小，支護(hù)時(shí)間縮短，頂部水平巖層坍塌情況有所緩解；且臺階調(diào)整后，安全步長關(guān)系更容易保證，上下臺階共同推進(jìn)，施工進(jìn)度穩(wěn)步加快。

本文針對太岳山隧道施工方案優(yōu)化而開展的研究工作，對我國類似工程的設(shè)計(jì)和施工具有參考和借鑒的意義。

[1] 郭陜云.論我國隧道和地下工程技術(shù)的研究和發(fā)展[J].隧道建設(shè)，2004,25(4):19-20.

[2] 張?jiān)品?隧道施工過程的數(shù)值模擬分析與方案研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

[3] 李術(shù)才,王漢鵬,鄭學(xué)芬.分岔隧道穩(wěn)定性分析及施工優(yōu)化研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(3):447-457.

[4] 胡世權(quán).龍?zhí)端淼理搸r段施工優(yōu)化數(shù)值模擬[J].土工基礎(chǔ),2012,26(2):42-46.

[5] 楊凡杰，周 輝，肖海斌，等.大理巖彈性參數(shù)的圍壓效應(yīng)與彈塑性耦合模型[J].巖土力學(xué),2013,34(6):1613-1620.

[6] 趙玉光，張煥新，林志遠(yuǎn)，等.雙連拱隧道施工力學(xué)數(shù)值模擬與施工方法比選[J].廣西交通科技,2003,28(4):25-30.

[7] 佘 健，何 川.軟弱圍巖段隧道施工過程中圍巖位移的三維彈塑性數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(3):623-629.

[8] 陳炳瑞，馮夏庭，黃書嶺，等.基于快速拉格朗日分析—并行粒子群算法的黏彈塑性參數(shù)反演及其應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(12):2517-2525.

Analysis on construction optimization and numerical simulation of Taiyueshan tunnel

Song Li

(ChinaRailway3rdBureauGroupCo.,Ltd,Taiyuan030001,China)

In light of Taiyueshan tunnel construction problems including top rock collapse, incoordination benching tunneling method, and mismatching of benching height and grid height, the paper puts forward construction optimizing scheme, simulates and analyzes construction scheme before and after optimization with numerical calculation method. Results show that: optimized construction scheme effectively guarantees the tunnel construction quality and construction schedule.

tunnel engineering, mudstone, benching tunneling method, construction optimization, numerical analysis

2014-12-13

宋 力(1982- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)06-0163-03

U455

A