鐵路雙線隧道Ⅲ級圍巖段全斷面(含仰拱)開挖法應用研究

張衛(wèi)霞

(中鐵十二局集團第二工程有限公司，山西 太原 030032)

隧道施工采用臺階法等分部開挖法存在作業(yè)空間相對狹小的弊端，致使大型機械設備不能充分發(fā)揮作用，如何確保大斷面開挖既安全又高效是業(yè)界關注的問題。有工程實踐證明全斷面法較臺階法開挖累計變形量更小、質量易于控制[1]，在Ⅳ級圍巖段采用4 m進尺全斷面法開挖可行[2-3]。本文以懷邵衡鐵路黃巖隧道施工為實例，對Ⅲ級圍巖段采用帶仰拱一次性全斷面(含仰拱)開挖法進行總結，并通過建立時變本構數(shù)值模型，對隧道開挖后圍巖的位移和應力進行時效分析，為類似工程提供參考。

1 全斷面(含仰拱)開挖法技術特點

1.1 全斷面(含仰拱)開挖法介紹

全斷面(含仰拱)開挖法是在隧道采用鑿巖臺車、濕噴機械手等大型裝備快速施工條件下發(fā)展起來的一種工法。開挖掌子面測量放線后，采用鑿巖臺車在隧道軌面以上部分與仰拱同時鉆孔，并一次爆破以達到開挖斷面全環(huán)成型。拱墻和仰拱初期支護同步施作，仰拱部位初支完成后采用洞砟臨時回填至掌子面附近，平整后滿足鑿巖臺車等設備的作業(yè)空間。將回填洞砟清除后施工仰拱及填充混凝土，依次循環(huán)作業(yè)，快速開挖支護。隧道全斷面(含仰拱)開挖法斷面示意如圖1。

圖1 全斷面(含仰拱)開挖法斷面示意

1.2 全斷面(含仰拱)開挖法優(yōu)點

1)仰拱開挖不單獨作為一個工序，隧道斷面全環(huán)一次性開挖，減少了仰拱開挖多次爆破，有利于圍巖穩(wěn)定。

2)縮短了初支封閉時間，與臺階法施工相比，圍巖變形量明顯減少，有利于隧道圍巖穩(wěn)定和施工安全。

3)施工空間大，有利于大型機械設備運行，加快了施工進度；人力投入減少，降低了施工安全風險。

4)與臺階法施工相比，全斷面(含仰拱)開挖法可使初支鋼架連接單元數(shù)量和接頭數(shù)量減少，初支噴射混凝土質量易控制，有利于避免環(huán)向鋼架單元連接易出現(xiàn)的質量問題。

5)采用帶仰拱一次全斷面(含仰拱)開挖法，仰拱部位鉆眼作業(yè)較仰拱單獨開挖作業(yè)空間大，有利于底板眼外插角的精度控制，可提高仰拱開挖成形質量。

1.3 全斷面(含仰拱)開挖法適用條件

通過全斷面(含仰拱)開挖法在黃巖隧道Ⅲ級圍巖段的應用，綜合巖體物理力學參數(shù)測試以及數(shù)值模擬結果，將全斷面(含仰拱)開挖法適用條件總結于表1。

表1 黃巖隧道全斷面(含仰拱)開挖法適用條件

1.4 全斷面(含仰拱)開挖法施工要點

1)每循環(huán)開挖進尺

對設格柵鋼架的支護，每循環(huán)開挖進尺小于2.5 m；對不設置格柵鋼架的支護，每循環(huán)開挖進尺小于3.5 m。

2)鉆爆設計

采用光面爆破技術。根據(jù)工程地質和水文地質情況，以及開挖斷面、循環(huán)進尺、爆破器材等因素進行爆破設計，合理選擇爆破參數(shù)。嚴格控制周邊眼裝藥量，采用空氣間隔裝藥，藥量沿炮眼均勻分布。選用低密度、低爆速、低猛度的炸藥，采用非電毫秒雷管起爆和微差爆破，周邊眼采用導爆索起爆。

3)鉆眼爆破

采用三臂鑿巖臺車進行鉆孔。臺車臂應分區(qū)，先鉆周邊眼和掏槽眼，再鉆輔助眼，清底后鉆底板眼。

采用全站儀對開挖斷面檢查并將分析結果反饋給施工人員，不斷優(yōu)化爆破參數(shù)。

4)仰拱和拱墻初期支護

初期支護應做到快挖、快支、快封閉，爆破后應在12 h內完成開挖、出砟、架設拱架、噴射混凝土、打設錨桿。噴射混凝土采用濕噴機械手。噴射作業(yè)應分段、分片、分層，由下至上進行。采用錨桿鉆機或風動鑿巖機成孔,在拱部設中空注漿錨桿，檢查注漿質量合格后將墊板擰緊；在邊墻設全長粘結砂漿錨桿，向孔內注滿早強砂漿后將錨桿打入，待砂漿達到設計強度后安裝墊板和螺帽。采用拱架安裝機或作業(yè)臺架安裝格柵鋼架。鋼架下端設在穩(wěn)固的地基上，拱腳開挖超深時應加設混凝土墊塊，安裝后利用鎖腳錨管定位，拱背噴填同級混凝土使支護與圍巖密貼。

5)設備配置

合理選用機械化配套設備，盡量縮短作業(yè)循環(huán)時間。各道工序應平行流水作業(yè)，縮短銜接時間。

2 黃巖隧道工程概況

黃巖隧道為新建懷化-邵陽-衡陽鐵路控制性重點工程，隧道起訖里程為DK17+828—DK34+858，全長 17 030 m，設計為單洞雙線隧道，采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。線路設計行車速度200 km/h。黃巖隧道設5座斜井，分11個作業(yè)面，采用鉆爆法施工。洞身穿越的巖體以Ⅲ級圍巖(總長度 9 928 m)、Ⅳ級圍巖(總長度 6 200 m)為主，少量V級圍巖(總長度902 m)，其中Ⅲ級圍巖段占隧道總長的58.3%。隧道穿越地層巖性主要為砂質板巖。隧址區(qū)褶皺、斷裂構造發(fā)育，穿越3處向斜和15處斷裂構造帶，地質條件較復雜。

3 Ⅲ級圍巖段全斷面(含仰拱)開挖法數(shù)值模擬分析

3.1 Ⅲ級圍巖時變本構模型的確定

根據(jù)工程設計資料及相關文獻[4-6]，彈塑性圍巖采用DP模型，流變性圍巖采用指數(shù)型流變模型。時變本構方程為

(1)

式中：ε為蠕變應變；σ為蠕變應力；A,m,n為材料參數(shù)；t為時間。

利用有限元軟件ANSYS進行反分析，選擇ANSYS提供的12個常用隱式蠕變方程中與式(1)相關的方程進行時變參數(shù)反演，進而得到Ⅲ級圍巖時變本構方程

ε=C1σC2tC3+1e-C4 /T/(C3+1)

(2)

式中：C1，C2，C3，C4為蠕變參數(shù)。

3.1.1 特征斷面位移量測和考慮空間效應數(shù)據(jù)修正

取Ⅲ級圍巖段DK25+380斷面為特征斷面，拱頂設沉降監(jiān)測點1個；最大跨度處左右兩側設水平收斂監(jiān)測點共2個。

由于受空間效應影響，開挖面到達前地層中已經(jīng)發(fā)生的損失位移不能由儀器測取，將損失位移與實際發(fā)生的總位移的比值稱為空間效應系數(shù)[7]。利用現(xiàn)場實測位移作為反演分析輸入數(shù)據(jù)時，須將損失位移與實測位移相疊加，得到總位移?？臻g效應系數(shù)計算公式為

(3)

式中：U為總位移；U′為實測位移；η為空間效應系數(shù)。

綜合確定Ⅲ級圍巖空間效應系數(shù)為0.25。

3.1.2 二維平面計算模型的建立

參考相關文獻[8-9]中對圍巖邊界范圍的研究，數(shù)值模型的范圍為：隧道兩側巖體寬度取3～5倍洞徑(洞徑13.1 m)，隧道上下部巖體高度取3～5倍隧道高度(凈高10.98 m)。取模型寬度為100 m，高度為90 m。計算參數(shù)見表2。

表2 Ⅲ級圍巖數(shù)值模擬計算參數(shù)

3.1.3 時變本構模型參數(shù)反分析

2009年9月對營27斜3井實施補孔混排下水力噴射泵措施。9月25日下午16時下泵生產(chǎn)，僅1 h就發(fā)現(xiàn)混合液含砂。含砂量0.1%左右，該井開井時最高含砂量2%。9月27日下午16時見油，隨著生產(chǎn)時間的延長，含砂量也逐漸減少。穩(wěn)定后日產(chǎn)液達到15.5t，日產(chǎn)油7.1t，含水率54.5%，措施實施取得了理想的效果，長停2年后成功開井。

進行反分析前需指定反分析參數(shù)的設計初始值及取值范圍。經(jīng)查閱文獻[10]，初始值C1取1.0×10-12,C2取1，C3取-0.62,C4取0。

采用ANSYS優(yōu)化反分析后，得到Ⅲ級圍巖(砂質板巖)的時變本構方程

ε=8.486 6×10-12σt0.38

(4)

3.1.4 位移反分析結果驗證

通過Ⅲ級圍巖時變本構方程進行計算，隧道開挖完成后7 d水平收斂為17.2 mm，拱頂沉降為14.2 mm，與實測修正值(水平收斂實測12.1 mm，修正后16.1 mm；拱頂沉降實測11.7 mm，修正后15.6 mm)的誤差分別為6.8%和8.9%，均在允許的誤差10%之內，表明模型參數(shù)取值合理。

3.2 基于時變本構模型的全斷面(含仰拱)開挖時效分析

3.2.1 計算方法

為分析隧道開挖過程中圍巖的變形與應力的時變過程，采用有限元分析軟件ABAQUS建立二維數(shù)值計算模型。計算范圍、邊界條件與3.1節(jié)一致。數(shù)值模型參數(shù)的取值：A=3.224 9×10-12；m=-0.62；n=1.00。通過模型計算，得出隧道斷面開挖后不同時刻圍巖的豎向位移、水平收斂云圖和最小主應力云圖，提取出特征點的時程曲線進行分析。

3.2.2 Ⅲ級圍巖段全斷面(含仰拱)開挖時效分析

1)位移分析

圖2 Ⅲ級圍巖段位移時程曲線

Ⅲ級圍巖段位移時程曲線見圖2?？梢姡核淼篱_挖剛完成時拱頂沉降為2.77 mm，在隧道開挖完成12 h 拱頂沉降增大至8.06 mm；隨后，拱頂沉降的變化速率減緩，48 h拱頂沉降為9.89 mm。

隧道開挖剛完成時水平收斂為1.75 mm,12 h水平收斂增大至5.90 mm；隨后，水平收斂的變化速率逐漸減緩，48 h水平收斂為8.09 mm。

2)應力分析

Ⅲ級圍巖段各特征點處最小主應力時程曲線見圖3。

圖3 Ⅲ級圍巖段各特征點處最小主應力時程曲線

由圖3可見：隧道開挖完成后各特征點處最小主應力均為負值，表明這些位置圍巖均處于受壓狀態(tài)；拱頂和拱底處的最小主應力隨時間的延長緩慢增大，而拱腰、拱腳及邊墻處的最小主應力隨時間的延長緩慢減小;各特征點處的應力值在隧道開挖12 h后趨于穩(wěn)定。最小主應力時程變化情況：拱底處由0.4 MPa增至2.53 MPa；拱頂處由0.9 MPa增至4.0 MPa；拱腰處由14.6 MPa減小至9.1 MPa；邊墻處由17.3 MPa減小至11.2 MPa；拱腳處由18.3 MPa減至12.3 MPa。各特征點處最小主應力從大到小排序依次為：拱腳>邊墻>拱腰>拱頂>拱底。

4 結論與建議

1)隧道施工采用全斷面(含仰拱)開挖法能達到“三少一快”，即對圍巖擾動減少、鋼架連接和噴射混凝土接縫減少、作業(yè)工序減少、施工進度加快。

2)全斷面(含仰拱)開挖法開挖和支護施工有利于大型機械設備充分應用，提高工效，通過縮短開挖和支護時間，確保圍巖穩(wěn)定和施工安全。

3)基于ANSYS優(yōu)化反分析，考慮空間效應修正實測數(shù)據(jù)，對黃巖隧道砂質板巖的蠕變參數(shù)進行反演分析，得到時變本構方程。

4)數(shù)值模擬分析表明：采用機械化配套設備施工的全斷面(含仰拱)開挖法能保證圍巖穩(wěn)定，Ⅲ級圍巖段可采用全斷面(含仰拱)開挖法施工。

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