涌泥涌砂隧道釋能降壓洞開挖施工與數(shù)值模擬

張乃樂 趙林軍 孟哲瑋 吳 超

(1.懷邵衡鐵路有限責任公司，湖南 長沙 410003； 2.中鐵五局集團第四工程有限公司，廣東 韶關 512031； 3.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804)

1 概述

隨著我國鐵路建設不斷發(fā)展，大量鐵路以隧道的形式穿山越嶺。鐵路隧道施工不可避免的會遇到巖溶等不良地質(zhì)區(qū)域，而巖溶隧道的施工極易出現(xiàn)圍巖變形失穩(wěn)破壞，產(chǎn)生塌方、涌泥涌砂等施工風險。在這種情況下，往往需要對高壓富水溶腔進行處理，保證隧道正常施工。采用釋能降壓洞，可以直接揭示溶腔，釋放溶腔內(nèi)泥水勢能，從而達到排水、排泥、排石的目的，解決高壓富水溶腔的問題。

趙夢晨等[1]結(jié)合云霧山隧道，提出采用釋能降壓工法釋放溶腔所存儲的能量，大大減小了施工風險。王建望[2]研究了釋能降壓施工技術，對溶洞溶腔采取爆破直接揭示，達到了降低水壓、排除突泥突水風險的效果。張玉龍[3]依托坡桑隧道，采取釋能降壓處治高壓富水溶腔，通過溶腔查找、近溶腔、定溶腔范圍、開溶腔、治溶腔等幾個階段，有效解決高壓富水溶腔問題。另外，其他國內(nèi)學者[4,5]分別以野三關隧道、馬鹿箐隧道、大支坪隧道為對象，研究了降壓釋能洞的施工技術，為降壓釋能洞施工方案的制定提供了參考。

本文基于懷邵衡鐵路某巖溶隧道釋能降壓洞的環(huán)境和地質(zhì)條件，提出采用全斷面法開挖，并采用彈塑性有限單元法對施工全過程進行了模擬分析，為施工設計提供依據(jù)。

2 工程概況

懷邵衡鐵路某隧道全長3 866 m，最大埋深167 m，為雙線單洞隧道，起訖里程DK112+920～DK116+786。施工過程中，出口段DK115+547掌子面發(fā)現(xiàn)潰口，出現(xiàn)巖溶涌泥涌砂。為降低溶腔泥水釋能，保證隧道的正常施工，在掌子面右側(cè)設置釋能降壓洞。

該隧道出口降壓釋能洞洞室與正洞交點里程為DK115+610，DK115+547連接正洞溶腔，長68 m。洞室平行線路與正洞結(jié)構(gòu)交角45°，與正洞結(jié)構(gòu)凈距15 m，以11.9%坡度爬升至正洞結(jié)構(gòu)右上側(cè)。降壓釋能洞開口寬7.5 m，高6 m，正洞寬5 m，高6 m。

3 施工方案

隧道降壓釋能洞前方存在充填型溶洞，施工方法選擇、處理不當容易造成塌方、大變形等施工風險。因此，根據(jù)現(xiàn)場實際圍巖動態(tài)調(diào)整施工方案和支護方案，施工中做好超前地質(zhì)預報、加強監(jiān)控量測、有組織運輸與施工安排，最大限度的減少對土體的擾動，充分利用圍巖自身的穩(wěn)定性，是安全快速開挖降壓釋能洞的關鍵。

降壓釋能洞平面布置示意圖如圖1所示。

3.1 開挖方法

釋能降壓洞開挖采用全斷面法，降壓釋能洞施工工藝流程圖如圖2所示。

3.2 支護參數(shù)

降壓釋能洞采用Ⅴ級圍巖噴錨支護，參數(shù)詳見表1。

3.3 進洞方案

釋能降壓洞開口與正洞線左往小里程成45°角，寬7.5 m，高6 m，過渡段長5 m。

開口尺寸先用紅油漆標記，再對已施作完的初支段落采用切割方式開口，對開口處的正洞初支采用鎖腳加強，每榀采用3根長4.5 m φ45鎖腳鋼管。全斷面開挖，開口5 m范圍內(nèi)采用Ⅰ16工字鋼支護，間距為1 m。

3.4 正洞施工

釋能降壓洞全段實施超前地質(zhì)預報工作，施工過程中嚴格遵循“先探測后開挖”的原則，當接近溶腔時應通過鉆探對溶腔進行區(qū)域鎖定，預留3 m巖柱。當確定掌子面前方預留3 m巖柱后，開挖爆破導坑上臺階，對溶腔進行揭示，對溶腔內(nèi)聚積的水和填充物進行釋放，消除能量。施工過程中根據(jù)地質(zhì)預報結(jié)論，開展動態(tài)設計，動態(tài)施工。

3.5 監(jiān)控量測

監(jiān)控量測斷面間距：Ⅲ級圍巖30 m，Ⅳ級圍巖10 m，Ⅴ級圍巖5 m。監(jiān)控量測斷面布設3個測點，測點位置：拱頂、雙側(cè)拱腰。量測點盡量靠近掌子面埋設(≤2 m)，在隧道開挖后12 h內(nèi)完成。埋設方法采用直徑φ22螺紋鋼筋，用早強錨固劑固定，伸入巖體250 mm～300 mm，粘貼反射貼片與全站儀激光束基本正交。測點應埋設牢靠，作好標志，易于識別，并派專人保護，嚴防爆破損壞。

3.6 超前地質(zhì)預報

每排炮設4個加深炮孔，布置拱頂、左右側(cè)拱腰、底板中線上1 m，并以30°～40°外插角實施，以預測掌子面前方地層和地下水。每25 m實施超前水平鉆孔，鉆孔長30 m，鉆孔通常情況布置1個孔，15°外插角實施，位置在中線底板以上合適位置。

4 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

4.1 計算模型

數(shù)值模擬計算過程采用大型有限元MIDAS GTS NX軟件。計算時假定隧道圍巖為連續(xù)介質(zhì)，采用各向同性彈塑性實體單元進行模擬，材料的屈服準則采用摩爾—庫侖(Mohr-Coulomb)準則；初期支護采用殼體單元進行模擬，單元錨桿則采用植入式梁單元進行模擬。計算中未單獨考慮鋼筋網(wǎng)和鋼支架的作用。

為減小有限元模型中邊界約束條件對計算結(jié)果產(chǎn)生的不利影響，計算模型的邊界范圍在各個方向上均大于3倍的洞跨。具體計算時，計算域在水平方向?qū)挾热?0 m，在豎直方向上，從降壓釋能洞四周向下取25 m，向上取25 m，為50 m。對于上部125 m的土層，不建立網(wǎng)格，而是采用在模型上邊界施加荷載的方式考慮。模型的左面、右面和底面均為固支約束，頂面為自由面。隧道采用全斷面法開挖。計算模型網(wǎng)格如圖3所示。

4.2 計算參數(shù)

根據(jù)勘察設計資料，計算時各材料物理力學參數(shù)取值如表2所示。

4.3 計算結(jié)果分析

根據(jù)模型數(shù)值計算的結(jié)果，對全斷面法開挖降壓釋能洞引起的圍巖和地表豎向變形和水平變形進行分析，如圖4，圖5所示。得到在開挖過程中縱向不同斷面位置拱頂下沉量、隧底隆起量的變化曲線，結(jié)果如圖6所示。

由圖4～圖6分析可知：巖溶隧道降壓釋能洞采用全斷面法開挖通過時，拱頂最大沉降量為4.3 mm，隧底最大隆起量為9.6 mm，洞周水平收斂最大值為19.5 mm，該最大變形與巖溶隧道最大變形閥值比較接近，結(jié)構(gòu)仍有一定安全富余。

5 結(jié)語

1)針對懷邵衡鐵路某巖溶隧道降壓釋能洞的環(huán)境特點和地質(zhì)條件及施工進度計劃，提出采用全斷面法開挖。

2)數(shù)值模擬計算結(jié)果顯示：巖溶隧道降壓釋能洞采用全斷面法開挖施工時，隧道拱頂最大沉降量為4.3 mm，隧底最大隆起量為9.6 mm，洞周水平收斂最大值為19.5 mm，該最大變形值與巖溶隧道最大變形閥值比較接近，結(jié)構(gòu)仍有一定安全富余。

3)工程實踐證明：巖溶隧道降壓釋能洞開挖施工時，采用全斷面法開挖，同時采取信息化監(jiān)控量測措施和風險防范措施，可有效地控制隧道受力和變形，確保降壓釋能洞開挖施工安全。