紅黏土接觸帶不同施工臺(tái)階高度對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響研究

寧睿 李科 張世年 范世鴻

摘要：為對(duì)不同巖層接觸帶隧道施工參數(shù)進(jìn)行深入研究，文章以銀西鐵路賈塬隧道為工程背景，選擇紅黏土-砂巖夾泥巖接觸帶為典型地層，并建立FLAC3D模型，研究施工過(guò)程中臺(tái)階高度對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征和變形規(guī)律的影響，得出以下結(jié)論：隧道穿越紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶，采用三臺(tái)階核心土法時(shí)，隨著上臺(tái)階高度的增加拱頂沉降值越來(lái)越大，仰拱隆起值越來(lái)越大，初期支護(hù)的應(yīng)力逐漸增大，塑性區(qū)面積也逐漸增大;上臺(tái)階高度對(duì)拱腰的水平位移影響較小;隧道穿越紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶時(shí)，在保證上臺(tái)階施工空間的基礎(chǔ)上應(yīng)盡量減小上臺(tái)階的高度。

關(guān)鍵詞：紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶;施工工法;隧道支護(hù)結(jié)構(gòu);臺(tái)階高度;數(shù)值模擬

0 引言

在不同巖性接觸帶施工措施研究方面，對(duì)于采用盾構(gòu)法施工的隧道，遇到軟硬不均地層時(shí)，許多學(xué)者都進(jìn)行了研究，但對(duì)于采用礦山法修建的隧道，遇到土石交界地層的情況，目前學(xué)者研究較少。石常艷[1]對(duì)于隧道穿過(guò)土石地層的情況，以位于陜西省延長(zhǎng)縣鄭莊鎮(zhèn)的陽(yáng)山隧道為例，提出了隧道修建的總體施工方案和專項(xiàng)施工技術(shù)，有效預(yù)防因隧道爆破而引起的滑塌和拱部坍塌事故，為以后類似工程提供了借鑒。黃彬[2]根據(jù)中南鐵路黃土隧道遭遇土石分界地層的情況，闡述了類似情況下礦山法施工的技術(shù)要點(diǎn)，包括開(kāi)挖順序、臺(tái)階高度長(zhǎng)度等，有效降低了其風(fēng)險(xiǎn)性。王麗慶[3]對(duì)隧道穿越富水土石地段的施工措施進(jìn)行了闡述，并分析了土石地層隧道特點(diǎn)，為類似隧道施工提供了依據(jù)。朱望瑜[4]結(jié)合太中銀鐵路土石分界地層隧道項(xiàng)目，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，分析不同開(kāi)挖參數(shù)對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響，并對(duì)注漿技術(shù)在治理土石分界地層裂隙水問(wèn)題中的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。傅洪賢、牛曉凱[5]對(duì)大連石門山隧道，以下部爆破上部機(jī)械開(kāi)挖的方法，穿越了某復(fù)雜地段，提出了大跨度復(fù)雜性隧道開(kāi)挖的適用方法。戚長(zhǎng)軍[6]對(duì)位于土巖地層交界的隧道進(jìn)行方法比選，得出先墻后拱開(kāi)挖最優(yōu)的結(jié)論。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高和廣泛應(yīng)用，采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行隧道圍巖計(jì)算模擬分析越來(lái)越廣泛，可靠性也得到提高。熊良宵、袁學(xué)武[7]針對(duì)軟硬巖層的不均勻分布，利用FLAC3D軟件分析了隧道掘進(jìn)面圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，探討了圍巖應(yīng)力的影響規(guī)律。汪宏、蔣超[8]采用ANSYS軟件模擬了隧道施工力學(xué)行為，結(jié)果顯示土石交界地層圍巖力學(xué)性質(zhì)的差異是其災(zāi)害發(fā)生的原因之一，根據(jù)模擬結(jié)果，提出了某隧道進(jìn)洞時(shí)出現(xiàn)塌方的解決方案，并在實(shí)踐中得以運(yùn)用。趙艷納、何俊輝[9]利用FLAC3D軟件，對(duì)土石混合巖體破碎帶進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析，并與實(shí)際工程相比較，證明了軟件分析的可靠性。

但由于國(guó)內(nèi)在紅黏土-砂巖夾泥巖接觸帶此類復(fù)雜地層中的施工經(jīng)驗(yàn)較少，可借鑒的有效施工參數(shù)有限，比如開(kāi)挖工法、開(kāi)挖順序、分部開(kāi)挖時(shí)臺(tái)階設(shè)置的長(zhǎng)度和高度、錨桿長(zhǎng)度和間距等參數(shù)，不能得到已有的可靠結(jié)論。隧道開(kāi)挖引起掌子面或前方軟硬圍巖不均時(shí)，常常發(fā)生圍巖變形、受力不均的情況，如果施工不慎或支護(hù)不當(dāng)，極大可能引起圍巖塌方或支護(hù)開(kāi)裂等災(zāi)害，造成工期延誤、經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡。由此有必要研究不同施工參數(shù)對(duì)圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)內(nèi)力和變形的影響。根據(jù)研究規(guī)律，在保證圍巖穩(wěn)定及施工安全的情況下，調(diào)節(jié)施工參數(shù)，以提高施工效率，對(duì)于此類隧道工程的建設(shè)具有非常重要的指導(dǎo)意義。但目前缺乏針對(duì)此類地層的成套施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這就需要對(duì)施工參數(shù)的選擇展開(kāi)深入研究，確保隧道施工的安全和質(zhì)量。

本文圍繞銀西鐵路賈塬隧道，針對(duì)該隧道典型的紅黏土-砂巖夾泥巖接觸帶，建立FLAC3D模型，對(duì)其隧道臺(tái)階法施工的不同臺(tái)階高度對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行研究，以此分析類似巖層接觸帶的適宜施工臺(tái)階高度。

1 工程概況

本文以銀西高速鐵路為背景，依托該線賈塬隧道的修建開(kāi)展研究。西安北站至銀川站正線長(zhǎng)度為618 km，主要位于高原型黃土塬及黃土梁峁區(qū)、董志塬黃土臺(tái)塬及溝壑區(qū)，隧道穿越世界最大黃土塬——董志塬。其中賈塬隧道位于甘肅省慶陽(yáng)市慶城縣賈塬村，為雙線隧道，全長(zhǎng)11 865.92 m，是銀西鐵路甘寧段第二長(zhǎng)隧道，也是銀西鐵路建設(shè)中的重點(diǎn)控制工程之一。隧道三次穿越巖層接觸帶，其中一段為第三系紅黏土與白堊系上統(tǒng)砂巖夾泥巖的接觸帶，接觸帶埋深240～270 m。

該段接觸帶實(shí)際工程開(kāi)挖工法為三臺(tái)階法預(yù)留核心土，穿越里程為DK285+275～DK286+256，預(yù)支護(hù)范圍為拱部140°;錨桿設(shè)置在邊墻處;二次襯砌采用復(fù)合式襯砌，具體支護(hù)手段見(jiàn)表1。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型的確定

根據(jù)賈塬隧道的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和施工設(shè)計(jì)資料，以紅黏土-砂巖夾泥巖接觸帶分界面位于拱腰位置為模型的原型基礎(chǔ)，考慮上臺(tái)階高度分別為2 m、3 m、3.73 m及4.73 m四種工況建立數(shù)值計(jì)算模型。

建模時(shí)以隧道中線位置為中心，X軸方向尺寸為+60 m、豎向取仰拱底部以下50 m、拱頂以上取隧道實(shí)際埋深，山體范圍沿隧道縱向取40 m。

在模型的底部邊界采用豎向約束，前后左右邊界均采用水平約束。隧道圍巖特性按彈塑性材料考慮，采用莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，初期支護(hù)采用shell單元，鋼拱架采用beam單元。監(jiān)測(cè)模型沿隧道軸向24 m處的斷面。計(jì)算模型如圖1所示。

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

隧道圍巖參數(shù)主要依據(jù)賈塬隧道地層土工試驗(yàn)物理力學(xué)參數(shù)。對(duì)于施工中采用的拱部 140°超前小導(dǎo)管支護(hù)，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)[10]，可采用加固區(qū)的形式來(lái)模擬預(yù)支護(hù)，即提高預(yù)支護(hù)范圍內(nèi)圍巖材料參數(shù)。本次模擬中，將加固區(qū)參數(shù)提高一倍左右，具體計(jì)算參數(shù)如表2所示。

2.3 開(kāi)挖參數(shù)及支護(hù)步驟

根據(jù)設(shè)計(jì)資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，數(shù)值模擬計(jì)算中采用三臺(tái)階核心土法開(kāi)挖。具體計(jì)算步驟如下：

第一步：施作超前支護(hù)，提高加固區(qū)圍巖參數(shù)。

第二步：臺(tái)階開(kāi)挖并通過(guò)施加節(jié)點(diǎn)反力的方式釋放30%的地層應(yīng)力。依次開(kāi)挖拱部弧形導(dǎo)坑、左右兩側(cè)中臺(tái)階和上臺(tái)階核心土、左右兩側(cè)下臺(tái)階和中臺(tái)階核心土、仰拱和下臺(tái)階核心土，施加70%的節(jié)點(diǎn)反力計(jì)算平衡，模擬開(kāi)挖時(shí)圍巖應(yīng)力釋放。

第三步：施作初期支護(hù)。依次施作上臺(tái)階、中臺(tái)階、下臺(tái)階和仰拱的初期支護(hù)，去除節(jié)點(diǎn)反力，計(jì)算平衡。

模擬開(kāi)挖時(shí)循環(huán)進(jìn)尺為1.6 m（兩榀鋼拱架），臺(tái)階長(zhǎng)度依次為：上臺(tái)階長(zhǎng)度為4.8 m，中臺(tái)階長(zhǎng)度為4.8 m，下臺(tái)階長(zhǎng)度為4.8 m。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 拱頂沉降計(jì)算結(jié)果分析

提取四種臺(tái)階高度情況下拱頂沉降數(shù)據(jù)，繪制拱頂沉降時(shí)程曲線如圖2所示。由圖2可知：拱頂沉降隨著隧道開(kāi)挖逐漸增加，在開(kāi)挖掌子面通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面后，拱頂沉降值有收斂的趨勢(shì)。觀察最后的拱頂沉降值可知，上臺(tái)階高度為4.73 m時(shí)拱頂沉降值最大，為6.18 cm;上臺(tái)階高度為3 m時(shí)，變形值為5.68 cm;上臺(tái)階高度為2 m時(shí)變形值最小，為5.48 cm。由此可知，隨著上臺(tái)階高度的增加拱頂沉降值越來(lái)越大。

3.2 拱腰水平位移計(jì)算結(jié)果分析

提取四種臺(tái)階高度情況下拱腰水平位移數(shù)據(jù)，繪制拱腰水平位移時(shí)程曲線如圖3所示。由圖3可知：該工況下拱腰水平位移隨著隧道開(kāi)挖逐漸增加，在開(kāi)挖掌子面通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面后，拱腰水平位移值有收斂的趨勢(shì)。觀察最后的拱腰水平值可知，上臺(tái)階為2 m時(shí)拱腰水平位移最大，最大值為0.93 cm;上臺(tái)階高度為4.73 m和3 m時(shí)拱頂沉降值相同，均為0.92 cm。由此可知，上臺(tái)階高度對(duì)拱腰的水平位移影響較小。

3.3 仰拱隆起計(jì)算結(jié)果分析

提取四種臺(tái)階高度情況下仰拱隆起數(shù)據(jù)，繪制仰拱隆起時(shí)程曲線如圖4所示。由圖4可知：該工況下仰拱隆起隨著隧道開(kāi)挖逐漸增加，在開(kāi)挖掌子面通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面后，仰拱隆起值有收斂的趨勢(shì)。觀察最后的仰拱隆起值可知，上臺(tái)階高度為4.73 m時(shí)仰拱隆起值最大，最大值為2.69 cm;上臺(tái)階高度為3 m時(shí)，變形值為2.62 cm;上臺(tái)階高度為2 m時(shí)變形值最小，為2.59 cm。由此可知，隨著上臺(tái)階高度的增加仰拱隆起值越來(lái)越大。

3.4 初期支護(hù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

四種工況下初期支護(hù)應(yīng)力云圖如圖5所示。由圖5可知：不同上臺(tái)階高度工況下，初期支護(hù)均在上臺(tái)階和中臺(tái)階交界處出現(xiàn)應(yīng)力集中。其中，當(dāng)上臺(tái)階高度為4.73 m時(shí)初期支護(hù)的應(yīng)力最大，最大值為11.3 MPa;上臺(tái)階高度為3.73 m時(shí)初期支護(hù)的應(yīng)力次之，為10.6 MPa;上臺(tái)階高度為3 m時(shí)初期支護(hù)的應(yīng)力為10.3 MPa;當(dāng)上臺(tái)階高度為2 m時(shí)，初期支護(hù)的應(yīng)力最小，最小為10 MPa。由此可知：隨著上臺(tái)階高度的減小，初期支護(hù)的應(yīng)力逐漸減小。

3.5 塑性區(qū)計(jì)算結(jié)果分析

四種工況下塑性區(qū)分布圖如圖6所示。由圖6可知：不同上臺(tái)階高度工況下，塑性區(qū)均在隧道拱肩處發(fā)展深度最大，隨著上臺(tái)階高度的逐漸增加，圍巖塑性區(qū)面積逐漸增大。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以銀西鐵路賈塬隧道為工程背景，對(duì)隧道穿越不同巖性接觸帶隧道施工參數(shù)進(jìn)行深入研究。選擇紅黏土-砂巖夾泥巖接觸帶為典型地層，研究施工過(guò)程中臺(tái)階的高度對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征和變形規(guī)律的影響，并提出適用于不同巖性接觸帶隧道施工的合理臺(tái)階高度。從計(jì)算結(jié)果中可以得到：

（1）從隧道位移情況來(lái)看，隨著上臺(tái)階高度的增加拱頂沉降值越來(lái)越大，仰拱隆起值越來(lái)越大。上臺(tái)階高度對(duì)拱腰的水平位移影響較小，其中對(duì)隧道拱頂沉降值影響最大。

（2）從初期支護(hù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果來(lái)看，隨著上臺(tái)階高度的增加，初期支護(hù)的應(yīng)力逐漸增大。不同上臺(tái)階高度工況下，初期支護(hù)均在上臺(tái)階和中臺(tái)階交界處出現(xiàn)應(yīng)力集中。四種工況初期支護(hù)的應(yīng)力最大值分別為10 MPa 、10.3 MPa、10.6 MPa、11.3 MPa。

（3）從塑性區(qū)計(jì)算結(jié)果來(lái)看，不同上臺(tái)階高度工況下，塑性區(qū)均在隧道拱肩處發(fā)展深度最大，隨著上臺(tái)階高度的逐漸增加，圍巖塑性區(qū)面積逐漸增大。

（4）綜上所述，隨著臺(tái)階高度的增加，隧道位移、初期支護(hù)應(yīng)力、塑性區(qū)面積均有所增加，對(duì)隧道不利。故隧道穿越紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶時(shí)，在保證上臺(tái)階施工空間的基礎(chǔ)上應(yīng)盡量減小上臺(tái)階的高度。

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