淺埋偏壓軟弱圍巖高鐵隧道施工技術(shù)

寧宇

（中鐵十六局集團(tuán) 第三工程有限公司，浙江 湖州，313000）

淺埋偏壓軟弱圍巖高鐵隧道施工技術(shù)

寧宇

（中鐵十六局集團(tuán) 第三工程有限公司，浙江 湖州，313000）

通過(guò)建立FLAC 3D模型，對(duì)淺埋偏壓Ⅴ級(jí)圍巖條件下高鐵隧道CRD施工的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：臨時(shí)支撐對(duì)控制圍巖豎向位移及初期支護(hù)封閉成環(huán)控制水平收斂各自起到重要作用； 通過(guò)改變施工順序，先開(kāi)挖埋深小的一側(cè)導(dǎo)洞可減小圍巖塑性區(qū)，圍巖水平收斂也可得到一定程度的控制，但對(duì)地表沉降影響不大； 僅靠改變施工順序提高圍巖穩(wěn)定性效果有限，應(yīng)注重管棚、小導(dǎo)管注漿等加固措施。

淺埋； 偏壓； 軟弱圍巖； CRD； 數(shù)值模擬

近年來(lái)，隨著高速鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展，高鐵隧道建設(shè)積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，但高鐵隧道與普通鐵路隧道相比需要考慮更多的因素，如空氣動(dòng)力、減震和運(yùn)行舒適度等。2009年頒布的高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范［1］（TB10020-2009）是參照公路和鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范發(fā)行的試行規(guī)范，相關(guān)技術(shù)規(guī)程還有待完善。目前，針對(duì)隧道施工技術(shù)有大量相關(guān)研究，如：奚家米［2］、石熊［3］分別研究了臺(tái)階法、雙側(cè)壁和CRD法施工對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響； 譚忠盛等［4］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析了大跨小間距隧道的施工順序、支護(hù)系統(tǒng)及施工方法； 喬春江［5］、朱小堅(jiān)［6］、任少?gòu)?qiáng)［7］分別對(duì)不同地質(zhì)條件和施工環(huán)境下隧道施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析； 鄭康成等［8］對(duì)特大斷面隧道施工過(guò)程中壓力拱的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了研究； 李書(shū)靜［9］、史超凡［10］分別對(duì)不良環(huán)境隧道施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。本文以滬昆高鐵云南境內(nèi)某淺埋偏壓軟弱圍巖高鐵隧道為依托，進(jìn)行CRD工法施工關(guān)鍵技術(shù)研究，研究成果可供類似工程參考。

1　工程概況

隧道位于云南省境內(nèi)，雙線隧道，左右線間距5.0 m，隧道縱坡位于7.4‰和11.3‰組成的單面上坡上，變坡點(diǎn)里程為D2K1113 + 600。隧道左線全段位于半徑10 000 m的左偏曲線上，右線全段位于半徑10 005 m的左偏曲線上。進(jìn)口里程D2K1113 + 215，出口里程D2K1113 + 610，全長(zhǎng)395 m。洞身巖性主要為泥巖、斷層角礫。隧道進(jìn)口處穿越斷層，山體邊坡坡比為1.00～1.75，隧道最大埋深約40 m。

隧道按速度目標(biāo)值 350 km/h客運(yùn)專線隧道設(shè)計(jì)，建筑限界及內(nèi)輪廓執(zhí)行《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）》（TB10621-2009 J971-2009）規(guī)定。洞內(nèi)采用CRTS-型雙塊式無(wú)砟軌道，鋪設(shè) 60 kg/m鋼軌，內(nèi)軌頂面至道床底面高度為515 mm。隧道開(kāi)挖斷面關(guān)鍵參數(shù)與支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

全隧道為Ⅴ級(jí)圍巖，隧道進(jìn)口段穿越活動(dòng)斷層，受斷層影響，隧道采用Ⅴ級(jí)0.4g活動(dòng)斷裂帶襯砌。根據(jù)新奧法原理組織施工，光面爆破，錨噴掛網(wǎng)初期支護(hù)。采用 CRD工法施工，初期支護(hù)封閉成環(huán)位置距掌子面不大于35 m。仰拱緊跟開(kāi)挖面，分段整體灌注。拱部系統(tǒng)錨桿采用 Φ25中空錨桿及超前注漿小導(dǎo)管，邊墻采用Φ22砂漿錨桿支護(hù)。

圖1　隧道斷面及支護(hù)結(jié)構(gòu)

2　隧道模型建立

2.1模型網(wǎng)格

依據(jù)設(shè)計(jì)斷面參數(shù)，建立FLAC 3D模型。隧道最大埋深40 m，坡比1.75，左右邊界170 m，上下邊界113 m，進(jìn)深5 m，建立淺埋偏壓隧道CRD開(kāi)挖平面應(yīng)變模型，其網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。

2.2模型參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察資料有Ⅴ級(jí)圍巖參數(shù)：重力密度 21 kN/m3，體積模量1.7 GPa，剪切模量0.64 GPa，內(nèi)摩擦角26o，內(nèi)聚力90 kPa，抗拉強(qiáng)度 50 kPa。圍巖服從摩爾—庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，初始地應(yīng)力場(chǎng)由自重形成。

錨桿彈性模量40 GPa，長(zhǎng)度4.5 m，直徑25 mm，注漿加固范圍直徑250 mm，水泥漿加固區(qū)法向剛度15 MPa，黏聚力2 MPa。初期支護(hù)噴射混凝土厚度25 cm，彈性模量9 GPa，密度2 500 kg/m3。臨時(shí)支撐厚度30 cm，彈性模量9 GPa，密度3 500 kg/m3。

圖2　模型網(wǎng)格劃分

2.3開(kāi)挖順序

開(kāi)挖及支護(hù)順序見(jiàn)表1。

表1　施工工況

3　計(jì)算結(jié)果分析

各工況下圍巖塑性區(qū)分布見(jiàn)圖3。圖3表明，圍巖塑性區(qū)主要沿拱腰和墻腳發(fā)展，拱部開(kāi)挖完后（工況2），塑性區(qū)基本成形，工況3未導(dǎo)致塑性區(qū)明顯發(fā)展，工況4直接導(dǎo)致拱腰塑性區(qū)與地表貫通，工況5拆除臨時(shí)支護(hù)導(dǎo)致塑性區(qū)有較大發(fā)展。

圖3　圍巖塑性區(qū)

從工況1至工況5，埋深大的一側(cè)拱腰處有較大范圍過(guò)去剪切破壞區(qū)（shear-p），該類塑性區(qū)在工況2和工況4得到較大發(fā)展，通過(guò)改變施工順序或支護(hù)方法，以改變應(yīng)力路徑，可以達(dá)到減小該部位塑性區(qū)的效果。

左拱腰塑性區(qū)在工況4與坡面貫通，其塑性區(qū)有較大范圍過(guò)去剪切破壞區(qū)（shear-p），一定條件下，通過(guò)改進(jìn)施工方法可以避免塑性區(qū)與坡面貫通。拆除臨時(shí)支護(hù)會(huì)使過(guò)去剪切破壞狀態(tài)（shear-p）區(qū)再度進(jìn)入屈服破壞狀態(tài)，因此，要避免塑性區(qū)與坡面貫通，不宜過(guò)早拆除臨時(shí)支撐。

從圖4圍巖位移曲線可以看出，工況1造成地表和拱頂?shù)某两底畲?，工況5對(duì)拱頂也造成較明顯的沉降，但對(duì)地表沉降影響不明顯，說(shuō)明臨時(shí)支撐對(duì)控制圍巖沉降有重要作用。工況2明顯造成水平收斂發(fā)展，而工況5對(duì)水平收斂的影響較小，說(shuō)明封閉成環(huán)比臨時(shí)支撐對(duì)圍巖水平收斂控制作用更明顯。

圖4　位移曲線

圍巖剪應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率分布見(jiàn)圖5，剪應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率較大的部位在左邊墻和右墻腳。施工過(guò)程中可通過(guò)增加鎖腳錨桿、盡早封閉初期支護(hù)及二襯限制塑性應(yīng)變進(jìn)一步發(fā)展。

錨桿軸力分布見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，除右邊墻極少錨桿外，其他錨桿均起到抗拉作用，左邊墻、左拱腰、右邊墻均是錨桿拉力較大部位，施工中應(yīng)對(duì)該部位加強(qiáng)支護(hù)。

為了提高施工過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性，可改變開(kāi)挖順序，按表1中圖例先開(kāi)挖2部分，再開(kāi)挖1、3、4部分。其他條件不變，改變施工順序后塑性區(qū)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。

通過(guò)改變施工順序，過(guò)去剪切破壞區(qū)（shearp）得到了減少，但是塑性區(qū)貫通至坡面的情況沒(méi)有改變，說(shuō)明僅靠改變施工順序提高圍巖穩(wěn)定性效果有限，應(yīng)注重管棚、小導(dǎo)管注漿等加固措施。改變施工順序前后位移曲線對(duì)比見(jiàn)圖8。從圖8可知，通過(guò)改變施工順序，雖然圍巖水平收斂得到了一定程度控制，但對(duì)地表沉降影響不明顯。

圖5　剪應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率

圖6　錨桿軸力分布

圖7　改變施工順序前后圍巖塑性區(qū)

圖8　改變施工順序前后位移曲線對(duì)比

4　結(jié)論

本文通過(guò)建立淺埋偏壓高鐵隧道CRD工法模型，分析了施工過(guò)程中圍巖力學(xué)特,

結(jié)果表明：臨時(shí)支撐對(duì)控制圍巖豎向位移有重要作用，不宜過(guò)早拆除，封閉成環(huán)對(duì)控制水平收斂有重要作用，宜盡早封閉成環(huán)； 改變開(kāi)挖順序，先開(kāi)挖埋深小的導(dǎo)洞可減少圍巖塑性區(qū)，且水平收斂也有一定程度的減小，但地表沉降沒(méi)有明顯減小； 2種施工順序的模擬結(jié)果也表明，僅改變開(kāi)挖導(dǎo)洞的順序不能解決圍巖塑性區(qū)與坡面貫通的問(wèn)題，應(yīng)該注重管棚、小導(dǎo)管注漿等加固措施。

［1］ TB10020-2009，高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）［S］. 北京：人民交通出版社，2009.

［2］ 奚家米，王明明，徐鋒，等. 超大斷面淺埋隧道施工方法的數(shù)值模擬［J］. 西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35（5）：602-610.

［3］ 石熊，張家生，劉寶琛. 大斷面淺埋偏壓隧道CRD法施工工序研究［J］. 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2015，52（3）：193-199.

［4］ 譚忠盛，孟德鑫，石新棟，等. 大跨小間距黃土隧道支護(hù)體系及施工方法研究［J］. 中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2015，28（11）：82-89.

［5］ 喬春江，陳衛(wèi)忠，王輝. 淺埋破碎地層隧道施工方法研究［J］. 巖土力學(xué)，2011，32（增2）：455-468.

［6］ 朱小堅(jiān). 淺埋軟弱破碎圍巖隧道變形監(jiān)測(cè)與分析——以貴州省三穗至黎平高速公路的錦所隧道為例［J］. 湖南文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，28（1）：75-78.

［7］ 任少?gòu)?qiáng)，譚忠盛，張德華. 碎屑流地層大斷面鐵路隧道施工技術(shù)研究［J］. 土木工程學(xué)報(bào)，2015，48（增1）：368-372.

［8］ 鄭康成，丁文其，金威，等. 特大斷面隧道分步施工動(dòng)態(tài)壓力拱分析研究［J］. 巖土工程學(xué)報(bào)，2015，37（增1）：72-77.

［9］ 李書(shū)靜. 鐵路富水、破碎白云巖隧道施工方法探討［J］. 鐵道工程學(xué)報(bào)，2013（1）：61-65.

［10］ 史超凡，馬石城. 隧道開(kāi)挖對(duì)既有管線沉降的影響［J］. 湖南文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，27（3）：62-67.

（責(zé)任編校：江河）

Study of shallow buried bias weak rock high-speed rail tunnel construction technology

Ning Yu
（The 3rd Engineering Co Ltd，China Railway 16th Bureau Group，Huzhou 313000，China）

by establishing the FLAC 3D model，the key technology of high-speed rail tunnel that under the condition of shallow buried bias Ⅴ level surrounding rock CRD construction is numerically simulated. The results show that the temporary support control the surrounding rock vertical displacement，and initial support closed loop control level convergence play an important role respectively； by changing the construction order，first excavating the more depth side of pilot tunnel can reduce part of the plastic zone，horizontal convergence of surrounding rock have been controlled，but less impact to surface subsidence； changing construction in order to improve the effect of the stability of surrounding rock is limited，and it should be aware of pipe roof，small duct grouting reinforcing measures.

shallow surrounding rock； bias； weak surrounding rock； CRD； numerical simulation

U 455.4

1672-6146（2016）02-0070-04

10.3969/j.issn.1672-6146.2016.02.016

寧宇，564335122@qq.com。

2016-01-28