高鐵隧道穿越淺埋段圍巖變形規(guī)律分析

趙紅飛，黃海濤，劉繼文，翟朝嬌，程樺，曹廣勇

(1.中鐵四局集團第四工程有限公司，安徽 合肥 230012；2.安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601)

0 引言

2018年底我國高鐵運營里程超過2.9萬 km，占全球高鐵運營里程三分之二以上，超過其他國家總和。隨著我國高鐵建設(shè)持續(xù)發(fā)展，相應(yīng)的隧道數(shù)量隨之增加，復(fù)雜條件下圍巖穩(wěn)定性控制對高鐵隧道的安全施工與后期運營影響重大，一直是需要重點關(guān)注的問題。特別是淺埋條件下，圍巖多為表土或巖性較差的巖體，強度低，開挖后難以形成穩(wěn)定的自承結(jié)構(gòu)，容易引發(fā)初期支護中的拱架扭曲、混凝土開裂以及圍巖大變形等，支護強度難以滿足要求[1，2]。

針對淺埋段等軟弱圍巖條件下隧道圍巖控制，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究[3-15]。Dalgic[3]依托Beykoc隧道分析了軟弱圍巖對隧道開挖和支護的影響規(guī)律，提出了高強聯(lián)合支護控制方法。Choi[4]利用FLAC3D軟件分析了軟弱圍巖條件下隧道穩(wěn)定性變化，提出了支護優(yōu)化設(shè)計方法。孫鈞等[5]采用非線性流變理論研究了軟弱圍巖隧道擠壓大變形問題，對大變形控制進行了有益的探索。黃正濤[6]研究了超前支護對隧道淺埋段施工的影響，同時提出了采用常規(guī)預(yù)報法和物探法相結(jié)合可以有效地預(yù)警不良地質(zhì)狀況。戚翼[7]分析了隧道淺埋段開挖進尺與圍巖變形穩(wěn)定的空間關(guān)系，定量評價了隧道開挖影響范圍。石熊[8]、羅彥斌[9]分別研究了軟弱圍巖采用CRD施工時不同開挖順序?qū)鷰r位移、應(yīng)力的影響規(guī)律。

前人的研究促進了隧道圍巖控制理論與技術(shù)的發(fā)展，但是主要針對公路隧道和普通鐵路隧道，關(guān)于高鐵隧道穿越淺埋地段圍巖穩(wěn)定性的研究相對較少。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以太(原)焦(作)高鐵皇后嶺隧道為工程背景，選取隧道過淺埋段典型斷面，開展現(xiàn)場監(jiān)測，對比分析圍巖變形規(guī)律，評價開挖及支護方案是否合理。

1 工程背景

皇后嶺隧道為太焦高鐵的重要組成部分，位于山西省長治市境內(nèi)，隧道進口位于長治縣辛呈村西南角，出口位于長治縣西八村東南，往南距685縣道約110 m，往東距207國道約360 m。隧道設(shè)計為雙線隧道，軌道間距4.6 m，設(shè)計時速250 km/h。隧道起始里程為DK241+765，終點里程為DK246+305，全長4540 m，屬于長隧道。上覆地層以石灰?guī)r、砂巖、泥巖和新黃土為主，最大埋深142.56 m。

本文研究區(qū)域為隧道出口淺埋段，洞身穿越地層為新黃土、石灰?guī)r。新黃土呈淺黃色、具有陷濕性，石灰?guī)r呈深灰色、弱風(fēng)化、溶蝕現(xiàn)象嚴重。隧道埋深范圍約6.5-9.8 m，圍巖等級為V級。隧道地質(zhì)剖面及斷面尺寸如圖1所示，出口現(xiàn)場如圖2所示。

圖1 隧道地質(zhì)剖面及斷面尺寸

圖2 隧道出口現(xiàn)場

選取的三個典型斷面分別位于DK246+125、DK246+150和DK246+210，間隔25m和60m。其中DK246+125斷面鄰近上部采空區(qū)，DK246+150斷面為常規(guī)淺埋段，DK246+210位于出口明、暗洞分界線。

2 開挖和支護方案設(shè)計

根據(jù)皇后嶺隧道出口淺埋段的工程地質(zhì)條件、工期要求，設(shè)計淺埋段采用三臺階臨時仰拱法施工，預(yù)留變形量為10～15 cm，依次開挖上臺階、中臺階和下臺階。上臺階高3.11 m，每天進尺1.2 m；中臺階高4.22 m，下臺階高3.05 m，中、下臺階左右錯開跟進開挖，間距3 m。每層臺階開挖后，隨即初噴混凝土和安設(shè)拱架，開挖示意圖和流程如圖3、圖4所示，圖中I—III為相應(yīng)臺階開挖順序，①—③為相應(yīng)支護順序。

圖3 三臺階臨時仰拱開挖示意圖

圖4 開挖流程圖

主要開挖及支護過程如下：

(1)開挖上臺階I，初噴4 cm厚混凝土，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片，架立I22型鋼拱架，復(fù)噴26 cm厚混凝土至設(shè)計厚度。施作上臺階臨時仰拱，在平臺底部噴射4 cm混凝土，架設(shè)I18輕型臨時鋼架，復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度25 cm，施作砂漿錨桿。

(2)開挖中臺階Ⅱ，滯后上臺階一段距離后，拆除I部2～3榀I18臨時鋼架，再開挖Ⅱ。對兩邊側(cè)墻初噴4 cm厚混凝土，掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片，架立I22型鋼架，復(fù)噴26 cm厚混凝土。施作中臺階臨時仰拱，與上臺階相同。當現(xiàn)場條件惡劣時可封閉掌子面。

(3)開挖下臺階Ⅲ，與中臺階相同。需要特別注意的是：中、下臺階開挖時至少錯開2榀拱架施工，嚴禁兩邊拱架同時懸空。

二次襯砌為C35現(xiàn)澆混凝土，厚度為0.55 m，采用邊頂拱式砼襯砌鋼模臺車施工。襯砌主筋為Φ22、間距20 cm，縱向副筋Φ18、間距25 cm，鉤筋為Φ8、間距25 cm，鋼筋采用擠壓套筒連接。

主要支護參數(shù)見表1。

表1 主要支護構(gòu)件及參數(shù)

3 圍巖控制效果分析

3.1 監(jiān)測方案設(shè)計

本文圍巖變形監(jiān)測主要包括拱頂下沉和水平收斂，拱頂下沉測點設(shè)置在拱頂軸線附近，水平收斂測點對稱布置，每個斷面設(shè)7個測點。測量頻率為1次/天，監(jiān)測周期為60 d。測點具體布置如圖5所示。

圖5 測點布置示意圖

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

圖6 為三個典型斷面圍巖累計變形量和變形速率變化趨勢。

對比分析可知：

(1)三個斷面的拱頂下沉和水平收斂變化趨勢基本一致，均在30 d后趨于穩(wěn)定，各斷面拱頂?shù)睦塾嬒鲁亮烤笥谒绞諗苛?，說明隧道淺埋段拱頂屬于重點監(jiān)控部位。

(2)三個斷面各部位圍巖的變形速率在上、中臺階開挖時變化明顯，波動范圍較大。以變化范圍在±0.2 mm/d以內(nèi)為穩(wěn)定標準，則下臺階支護完成5d后圍巖變形基本趨于穩(wěn)定。

(3)DK246+125斷面的拱頂沉降量最大，達到18.7 mm；DK246+210斷面最小，為8.8 mm。水平收斂最大值位于DK246+125斷面上臺階B-C處，達到9.3 mm，最小值位于DK246+210斷面中臺階D-E處，為4 mm。表明距離采空區(qū)越近，圍巖受開挖和采空區(qū)擾動影響越大，導(dǎo)致圍巖變形相對較大。

(4)本文研究范圍內(nèi)，淺埋段施工時，拱頂下沉受上臺階開挖擾動明顯。以DK246+150斷面為例，上臺階開挖完成后拱頂下沉量為7.4 mm，約占最終監(jiān)測值的50%；中臺階開挖引起的變形量為4.5 mm，占30%；下臺階開挖引起的變形量占20%。

(5)根據(jù)每天開挖進尺和監(jiān)測時間，可知當監(jiān)測斷面距掌子面40 m范圍內(nèi)，圍巖變形較大；距離掌子面40 m以外時，變形基本穩(wěn)定。

(6)各監(jiān)測斷面的累計變形量均遠小于預(yù)留變形量，處于允許范圍內(nèi)，說明設(shè)計采用的開挖方案合理，支護強度滿足要求。

圖6 圍巖收斂變形及速率變化圖

4 結(jié)論

太焦高鐵皇后嶺隧道出口淺埋段埋深6.52-9.83 m，圍巖等級為V級。設(shè)計采用三臺階臨時仰拱法施工，主要支護構(gòu)件為I22型鋼架。

(1)隧道拱頂下沉和水平收斂均在30 d后趨于穩(wěn)定，接近采空區(qū)的監(jiān)測斷面位移最大，拱頂最大下沉量為18.7 mm，水平收斂最大值為9.5 mm，均遠小于預(yù)留變形量；拱頂變形受上臺階開挖擾動最大，其變形值約占最終收斂值的50%，受中、下臺階開挖影響較小，變形值分別約占最終變形值的30%和20%。

(2)三臺階臨時仰拱法在高鐵隧道穿越淺埋段施工時方法可行，以I22型鋼架為核心的支護方案滿足圍巖控制需求，為類似條件工程施工提供了參考。