京張高鐵八達(dá)嶺長城站超大跨隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)研究

呂 剛,劉建友,張民慶,岳 嶺

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055；2.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司,北京 100844)

引言

京張高鐵新八達(dá)嶺隧道全長12.01 km，為單洞雙線隧道，標(biāo)準(zhǔn)段開挖跨度13.52～13.82 m，大跨過渡段開挖跨度達(dá)32.7 m，是目前國內(nèi)開挖跨度最大的暗挖鐵路隧道，安全風(fēng)險(xiǎn)高，施工難度大。大跨過渡段一共分為11步開挖，每一步開挖都將引起拱頂變形及整體變形，將變形控制在設(shè)計(jì)允許的安全范圍內(nèi)則是整個(gè)隧道施工的關(guān)鍵與難點(diǎn)。

國內(nèi)外學(xué)者對大跨隧道、變形控制進(jìn)行了相關(guān)研究。易小明等[1]通過對廈門市梧村山隧道施工現(xiàn)場全方位的變形監(jiān)控量測，建立相應(yīng)的建筑物變形控制標(biāo)準(zhǔn)。劉招偉等[2]對某雙連拱隧道施工過程進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測與結(jié)果分析，提出了抑制變形的工程措施。瞿萬波等[3]根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對洞樁法隧道導(dǎo)洞開挖的沉降變形規(guī)律進(jìn)行了分析研究。鄭熙熙等[4]以重慶市兩江橋渝中連接隧道與解放東路接口工程為依托，分析了隧道施工引起的地表變形規(guī)律、影響因素，提出了針對性的設(shè)計(jì)方案與控制措施。唐曉杰等[5]針對大跨地鐵隧道穿越斷層的圍巖變形與控制問題，采用FLAC3D數(shù)值模擬，分析雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法與CD工法不同組合穿越斷層的圍巖變形規(guī)律與注漿控制效果。鄭廣順等[6]基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對比分析上下臺(tái)階法和CD法施工引起的隧道變形及受力特點(diǎn)，提出了有效的變形控制措施。廖雄[7]以成蘭鐵路楊家坪隧道分合修過渡段為工程依托，通過理論分析和數(shù)值模擬研究該隧道施工變形機(jī)理和變形規(guī)律，提出了適合該工程的變形控制措施。HOU Fujin等[8]以某城市濱海大跨度隧道為依托，優(yōu)化分析了巖體的本構(gòu)計(jì)算模型，對隧道施工過程進(jìn)行了全時(shí)空分析，研究表明施工時(shí)應(yīng)控制開挖面前方變形。LI Shuchen等[9]對長城嶺大跨超淺埋隧道進(jìn)行物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究分析了大跨淺埋雙連拱隧道的變形規(guī)律。毛金龍[10]采用工程類比法和數(shù)值模擬分析法，對蘭州新區(qū)至蘭州段大跨新黃土隧道進(jìn)行研究分析，針對施工過程中出現(xiàn)的隧道沉降變形提出控制措施。何昌國[11]結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)并采取數(shù)值模擬分析，對成貴鐵路四川段大跨隧道的變形特性及變形量進(jìn)行研究分析，并對隧道預(yù)留變形量進(jìn)行優(yōu)化。董德智[12]研究了周山隧道的施工工法，提出了軟弱圍巖大斷面隧道的變形控制技術(shù)。杜洪新等[13]以全國跨度最大、長度最長的樂疃高速公路隧道為工程背景，采用數(shù)值模擬計(jì)算，分析了不同初期支護(hù)強(qiáng)度下拱頂位移的變化規(guī)律。周磊生等[14]采用數(shù)值模擬計(jì)算，研究分析了CD及CRD開挖工法下超大斷面隧道圍巖變形控制機(jī)制?，F(xiàn)行規(guī)范QCR9218—2015《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》制定了隧道斷面變形控制的標(biāo)準(zhǔn)，但其針對的是跨度B≤7 m的單向隧道、跨度7 m

以京張高鐵八達(dá)嶺長城站超大跨隧道為研究對象，分析了不同跨度下隧道拱頂沉降與圍巖應(yīng)變的關(guān)系，基于開挖過程隧道斷面的變形開展了數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測研究分析，提出了超大跨隧道施工的變形控制標(biāo)準(zhǔn)。本文的研究將對類似超大跨隧道施工變形控制提供參考與借鑒。

1 工程概況

京張高速鐵路新八達(dá)嶺隧道全長12.01 km，八達(dá)嶺長城站位于新八達(dá)嶺隧道內(nèi)，車站中心里程距離隧道進(jìn)口8.79 km，距離隧道出口3.22 km。車站兩端的站隧過渡段，是一個(gè)由兩線鐵路過渡到四線鐵路的單跨隧道，最大開挖跨度32.7 m，拱頂埋深62.7～120.0 m。

大跨過渡段洞身主要穿越強(qiáng)-弱風(fēng)化花崗巖，塊狀構(gòu)造，巖體總體上較完整～較破碎，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，巖塊單軸飽和抗壓強(qiáng)度為40～60 MPa。大跨段DK68+260～DK68+300出露F2斷層，與線路相交角度35°，斷層帶寬約2 m，帶內(nèi)夾泥，巖體破壞，強(qiáng)風(fēng)化，為Ⅴ級(jí)圍巖。大跨段地下水類型為基巖裂隙水，受前期周邊輔助洞室開挖的影響，地下水已疏干。

2 超大跨隧道總變形控制標(biāo)準(zhǔn)

制定隧道總變形量控制標(biāo)準(zhǔn)，首先可計(jì)算巖體極限應(yīng)變，其次根據(jù)隧道斷面和變形關(guān)系確定巖體臨界變形量，最終提出隧道總變形量控制基準(zhǔn)值。

2.1 巖體的極限應(yīng)變

巖體的極限應(yīng)變?nèi)Q于巖石的極限應(yīng)變和巖體中節(jié)理裂隙的分布[15]。當(dāng)隧道圍巖為整體塊狀結(jié)構(gòu)，巖體中的節(jié)理裂隙很少，巖體的極限應(yīng)變可近似采用巖石的極限應(yīng)變。根據(jù)對大跨段巖石取芯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，八達(dá)嶺長城站巖石的極限應(yīng)變?yōu)?.4‰～3.1‰，如圖1所示。

八達(dá)嶺長城站大跨段受F2斷層的影響，巖體較破碎，局部巖體夾泥，全～強(qiáng)風(fēng)化，因此，圍巖變形必須考慮節(jié)理裂隙的影響。

巖體極限應(yīng)變計(jì)算公式如下

(1)

式中，σmc為巖體的應(yīng)力，Em為巖體的彈性模量。

巖體強(qiáng)度由E.Hoek提出的廣義H-B強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算

圖1 八達(dá)嶺長城站大跨段花崗巖樣品應(yīng)力應(yīng)變曲線

(2)

式中：mb、s、a為反映巖體特征的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，其中，mb、a為針對不同巖體的量綱為1的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，反映巖體破碎程度，取值范圍為0.0～1.0，對于完整的巖體(即巖石)，s=1.0。

巖體彈性模量采用W.S.Gardner提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算巖體的彈性模量

αE=Em/Er=0.023 1RQD-1.32

(3)

式中，折減系數(shù)αE為巖體與巖塊的彈性模量比Em/Er，為巖體質(zhì)量指標(biāo)。根據(jù)上式計(jì)算得到八達(dá)嶺長城站巖體的極限應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表1 八達(dá)嶺長城站巖體極限應(yīng)變

2.2 隧道極限變形

為了確定拱頂沉降與隧道開挖跨度的關(guān)系，簡化隧道計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 圍巖拱頂臨界變形計(jì)算模型

(4)

式中，γ為角度∠AHE

(5)

針對八達(dá)嶺長城站不同斷面跨度，選取跨度為20.02，24.39，26.22，29.95，32.7 m的斷面開展研究，各斷面跨度下的拱頂沉降和圍巖應(yīng)變關(guān)系曲線見圖3。

圖3 不同跨度隧道拱頂沉降與圍巖應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖3所示，當(dāng)隧道跨度一定時(shí)，拱頂沉降和圍巖應(yīng)變呈線性關(guān)系，拱頂沉降隨著圍巖應(yīng)變的增大而增大；而當(dāng)圍巖應(yīng)變一定時(shí)，隨著隧道跨度的增大，拱頂沉降隨之增大。

2.3 總變形控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)巖體的極限應(yīng)變計(jì)算和不同跨度隧道的極限變形，提出針對八達(dá)嶺長城站大跨隧道的總變形控制標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。

表2 大跨隧道總變形控制標(biāo)準(zhǔn)

3 超大斷面隧道分步變形量控制標(biāo)準(zhǔn)

超大斷面隧道開挖步序多、周期長[16]，為確保施工安全，必須對每個(gè)分步開挖都進(jìn)行變形量控制。因此，需要對總變形量進(jìn)行分解，即

S=S1+S2+S3+…+S11

(6)

式中，S為總變形量控制基準(zhǔn)值；S1、S2、S3…分別為每分步變形量控制基準(zhǔn)值。

八達(dá)嶺地下車站大跨段隧道共分為11步開挖，如圖4所示。因此，將總變形量控制基準(zhǔn)值分解為11個(gè)步序子變形量控制基準(zhǔn)值，從而實(shí)現(xiàn)對隧道施工過程的安全控制。

為了確定大跨段隧道各個(gè)分步開挖變形量的占比關(guān)系，采用數(shù)值模擬[17-19]的方法計(jì)算大跨段隧道分步開挖引起的變形量，從而得到每個(gè)分步開挖引起的變形量與總變形量之比。計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖4 大跨段隧道施工步序

圖5 各開挖步序沉降變形占比

根據(jù)圖5，可將大跨斷面11步開挖過程分為成跨階段、成墻階段、落底階段三個(gè)階段，其變形規(guī)律如下。

(1)成跨階段。成跨階段為大跨段隧道開挖的第1步至第5步，即上層中、左、右洞開挖，中層左、右側(cè)洞開挖。成跨階段隧道跨度在不斷增大，因此開挖引起的沉降變形占比較大，Ⅲ級(jí)圍巖成跨階段變形占比達(dá)到了總變形量的97%，Ⅳ級(jí)圍巖達(dá)到了95%，Ⅴ級(jí)圍巖達(dá)到了79%。

(2)成墻階段。成墻階段為大跨段隧道開挖的第6步和第7步，即下層左、右側(cè)洞開挖。成墻階段隧道跨度沒有增大，但隧道高度逐漸增大。與成跨階段相比，成墻階段拱下沉占比明顯變小。Ⅲ級(jí)圍巖成墻階段變形占比為總變形量的5%，Ⅳ級(jí)圍巖為7%，Ⅴ級(jí)圍巖為21%。

(3)落底階段。落底階段為大跨段隧道開挖的第8步至第11步，即中、下層核心土，左、右側(cè)仰拱開挖。落底階段隧道跨度和高度基本不變，因此本階段沉降變形占比趨近于0，甚至由于開挖卸載作用，隧道會(huì)出現(xiàn)向上的隆起變形。

根據(jù)以上變形規(guī)律，大跨段隧道各分步拱頂下沉占比可采用下列公式計(jì)算

(7)

式中，Pi為各分步拱頂下沉變形占比；n1為成跨階段開挖分步的總步數(shù)；n2為成墻階段開挖分步的總步數(shù)。

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，并充分考慮預(yù)應(yīng)力錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索對圍巖的加固作用，最終確定八達(dá)嶺地下車站大跨段隧道拱頂下沉各步序占比控制標(biāo)準(zhǔn)，見表3。

表3 八達(dá)嶺地下車站大跨段隧道拱頂下沉各步序占比

根據(jù)各步序占比，結(jié)合總變形控制標(biāo)準(zhǔn)，可制定八達(dá)嶺地下車站大跨段隧道各步序拱頂下沉控制標(biāo)準(zhǔn)，如表4所示。

表4 大跨段隧道各施工步序變形控制標(biāo)準(zhǔn)

4 變形控制標(biāo)準(zhǔn)的分級(jí)管理方法

為了加強(qiáng)過程控制，建立變形控制標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)管理機(jī)制[20-21]。將每一步開挖下的隧道變形分為Ⅱ級(jí)預(yù)警、Ⅰ級(jí)預(yù)警與臨界值3個(gè)階段。Ⅱ級(jí)預(yù)警下可正常施工，需加強(qiáng)監(jiān)測；Ⅰ級(jí)預(yù)警下需停止開挖，對支護(hù)進(jìn)行補(bǔ)償張拉；變形達(dá)到臨界值時(shí)應(yīng)停止開挖，增加支護(hù)措施。大跨過渡段拱頂變形控制標(biāo)準(zhǔn)的分級(jí)管理方法見表5。

表5 變形控制標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)管理

5 現(xiàn)場監(jiān)測與支護(hù)優(yōu)化

大跨過渡段現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)的布置如圖6所示。大跨過渡段每5 m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測斷面，選取DK68+280～DK68+460段10個(gè)斷面進(jìn)行監(jiān)測，各個(gè)監(jiān)測斷面的最大沉降值見圖7。

圖6 變形監(jiān)測點(diǎn)的位置

圖7 各監(jiān)測斷面最大沉降值

監(jiān)測結(jié)果表明，大跨過渡段監(jiān)測到的最大變形為19mm，各個(gè)施工步序的變形均小于變形控制標(biāo)準(zhǔn)，表明大跨過渡段支護(hù)措施有較大承載冗余，可進(jìn)行支護(hù)措施的降載優(yōu)化。對大跨過渡段的錨索進(jìn)行優(yōu)化如下：取消20 m和26 m跨度的Ⅲ級(jí)圍巖段錨索，Ⅳ級(jí)圍巖縱向間距由2.4 m調(diào)整到3.6m；32m跨度Ⅲ級(jí)圍巖錨索縱向間距由4.8 m調(diào)整到7.2 m，Ⅳ級(jí)圍巖縱向間距由2.4 m調(diào)整到3.6 m。

6 結(jié)論

以京張高鐵八達(dá)嶺長城站超大跨隧道工程為研究對象，采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)測統(tǒng)計(jì)分析等方法，研究了超大跨隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)的制定方法，提出了超大跨隧道變形分步控制和分級(jí)管理方法。得到如下結(jié)論。

(1)建立了隧道變形與圍巖應(yīng)變的相互關(guān)系計(jì)算模型，提出了基于圍巖極限應(yīng)變的隧道總變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

(2)探明了超大跨隧道施工過程圍巖的變形規(guī)律，即隧道在成跨階段的變形約占總變形的95%，成墻階段的變形約占總變形的5%。并制定了超大跨隧道各施工開挖步序的分步控制標(biāo)準(zhǔn)。

(3)建立變形控制標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)管理機(jī)制。將每一步開挖下的隧道變形分為Ⅱ級(jí)預(yù)警、Ⅰ級(jí)預(yù)警與臨界值3個(gè)階段，并制定了各級(jí)預(yù)警的應(yīng)對措施。

(4)變形監(jiān)測結(jié)果表明，大跨段隧道最大變形為19.0 mm，各個(gè)施工步序的變形值均小于變形控制標(biāo)準(zhǔn)，這充分證明了大跨段隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)措施是安全可靠的，完全能夠滿足隧道穩(wěn)定性要求。