高地應(yīng)力硬巖重載鐵路隧道開挖斷面成形特征統(tǒng)計分析

王維富，柴文勇，陰曉煒，陽軍生，傅金陽

(1.蒙西華中鐵路股份有限公司，北京市 100073； 2.中南大學 土木工程學院；3.中鐵十九局集團第一工程有限公司)

1 引言

隧道超欠挖對隧道開挖斷面成形有著直接影響，而且超欠挖不僅增加施工成本，還關(guān)系到工程進度、工程質(zhì)量。中國學者從超欠挖原因、隧道超欠挖特征以及超欠挖控制等方面做了許多研究。洪松茂等總結(jié)了爆破開挖技術(shù)在隧道超挖控制中的作用；呂俊育結(jié)合具體工程實踐，分析了影響隧道超欠挖產(chǎn)生的主要因素，即圍巖類別、預(yù)留尺寸、鉆孔設(shè)備及精度、爆破技術(shù)等，并有針對性地提出了控制隧道超欠挖應(yīng)采取的技術(shù)措施；楊德運研究了一類廣泛使用的隧道截面模型，并給出了使用計算機進行超欠挖面積計算的思路和步驟；周宏等在現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上繪制超欠挖塊體投影面的平面展示圖，對超欠挖現(xiàn)象的幾何形態(tài)進行了統(tǒng)計分析；許人平等應(yīng)用統(tǒng)計學和模型學的原理,對高速公路連拱隧道超挖塊體的幾何形態(tài)和大小進行了統(tǒng)計特征評價；余健等使用數(shù)理統(tǒng)計的方法，分析各級圍巖超欠挖的數(shù)字特征及概率分布，為隧道結(jié)構(gòu)的可靠度分析提供相關(guān)參數(shù)，也為隧道工程質(zhì)量控制提供了基準。雖然中國學者對隧道超欠挖的影響因素、成形特征和控制、數(shù)理統(tǒng)計特征等方面進行了研究，而針對高地應(yīng)力硬巖地質(zhì)條件下，隧道開挖過程中超挖嚴重導(dǎo)致的隧道成形困難的相關(guān)研究相對較少。該文結(jié)合蒙華鐵路(重載鐵路)九嶺山隧道開展高地應(yīng)力硬巖地質(zhì)條件下開挖斷面成形特征研究。分析隧道超挖原因、定量計算該地質(zhì)條件下超挖量及其統(tǒng)計特征，有針對性地采取措施控制開挖斷面成形并盡量將超挖控制在最小范圍內(nèi)。

2 工程概況

蒙華鐵路(重載鐵路)九嶺山隧道，設(shè)計為單洞雙線隧道，全長15 390 m，最大埋深約862 m。該隧道位于江西省宜春市境內(nèi)，起于銅鼓縣順化村附近止于宜豐縣黃崗鄉(xiāng)，是蒙華鐵路89座隧道中重點控制隧道。隧道穿越地層主要為花崗巖，區(qū)域有6條斷層與線路相交。根據(jù)設(shè)計資料和實際開挖情況，蒙華鐵路湘贛段九嶺山隧道穿越復(fù)雜特殊地層，穿越地層主要為硬質(zhì)巖，存在高地應(yīng)力、高地溫、斷層及節(jié)理密集帶等不良地質(zhì)現(xiàn)象。隧道鉆爆開挖后容易產(chǎn)生小規(guī)模塌落掉塊、片幫剝落現(xiàn)象和巖爆現(xiàn)象，存在爆破后圍巖沿層間節(jié)理或構(gòu)造縫自然溜塌現(xiàn)象，在挖機排險時容易出現(xiàn)掉塊，隧道斷面成形控制難度大，施工安全風險高，在施工過程中會造成較大超挖。采用全站儀掃描開挖后的隧道斷面，并與隧道設(shè)計外輪廓比較，繪制成圖1，圖1中數(shù)值顯示的是各位置的超挖值。目前規(guī)范及相關(guān)技術(shù)標準對超欠挖作出了規(guī)定(表1)；隧道應(yīng)嚴格控制欠挖，巖石個別突出部分(每1 m2不大于0.1 m2)欠挖不應(yīng)大于5 cm。從圖1可見隧道超挖嚴重。

表1 隧道允許超挖值

3 隧道開挖圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析

基于九嶺山隧道圍巖片幫脫落、巖爆和局部溜滑造成較大超挖情況，選取代表性斷面進行數(shù)值模擬，結(jié)合地質(zhì)情況從力學機理分析造成較大超挖的原因。

選取DK1 686+800～DK1 687+570段DK1 687+565斷面，采用有限元分析方法對隧道圍巖成形特征進行分析。根據(jù)工程地質(zhì)資料，圍巖條件為Ⅲa級，圍巖重度取24 kN/m3，彈性模量取18 GPa，泊松比取0.28，黏聚力取1.2 MPa，內(nèi)摩擦角取45°；隧道埋深為540 m，在隧道上方選取60 m，隧道左右及下方分別選取40 m作為計算范圍。采用全斷面開挖方法對隧道開挖進行數(shù)值模擬，且不考慮施作初期支護。計算結(jié)果如圖2所示。根據(jù)圖2(a)，隧道開挖后，在自重作用下隧道開挖后圍巖卸荷回彈，應(yīng)力重分布，仰拱兩側(cè)、拱頂及拱腰部位主應(yīng)力集中，且主要為負(壓)應(yīng)力。

圖2 數(shù)值分析計算結(jié)果(單位：kPa)

根據(jù)圖2(b)，邊墻部位最大剪應(yīng)力集中。隧道圍巖主要為硬質(zhì)塊狀或厚層狀脆性圍巖，邊墻部位由于壓應(yīng)力和剪應(yīng)力集中，易出現(xiàn)一些平行的片狀破裂薄板，沿壁面剝落，即所謂的片幫；塊狀或?qū)訝顜r體存在結(jié)構(gòu)軟弱面，在高地應(yīng)力及應(yīng)力集中的情況下，拱腰及拱頂部位易發(fā)生剪切滑移破壞；深埋硬巖的地質(zhì)條件下，地應(yīng)力較高，隧道拱腰和邊墻部位綜合應(yīng)力集中明顯，根據(jù)相關(guān)巖爆判據(jù)，可判斷該部位易發(fā)生巖爆。綜合以上分析，隧道開挖時可能會存在局部超挖嚴重的現(xiàn)象，隧道開挖斷面成形較困難。

4 基于斷面掃描數(shù)據(jù)超挖量統(tǒng)計

基于隧道開挖圍巖穩(wěn)定性分析超挖原因，進一步定量計算該硬巖高地應(yīng)力條件下隧道超挖量及超挖分布特征。計算統(tǒng)計基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)和資料。目前在隧道超欠挖的測定上主要有激光束測定法、全站儀三維坐標法、激光隧道限界測定法、數(shù)值圖像技術(shù)等。而全站儀在操作上相對便捷，全站儀應(yīng)用于隧道斷面超欠挖測定更為常見。在該隧道施工過程中，現(xiàn)場工作人員對隧道開挖輪廓進行測繪，使用免棱鏡測距全站儀和手提電腦(手機)，對開挖斷面測量，通過外業(yè)軟件和本地化解決方案處理直接打印出設(shè)計開挖輪廓與實際開挖輪廓(圖1)，并標出測定點的超欠挖值及測定斷面超挖面積。

4.1 數(shù)理統(tǒng)計分析方法

對選取的典型地質(zhì)段的全站儀掃描數(shù)據(jù)分類處理，以超挖面積、平均線性超挖值[超挖橫斷面積/爆破設(shè)計開挖斷面周長(不包括隧底)]作為統(tǒng)計分析對象，并對統(tǒng)計分析對象進行正態(tài)分布檢驗。采用T分布方法計算隧道超挖面積和平均線性超挖值的均值，并給出均值置信度為95%的置信區(qū)間，根據(jù)置信區(qū)間預(yù)測超挖范圍。

4.2 典型地質(zhì)段落超挖數(shù)據(jù)樣本獲取

選取九嶺山隧道DK1 686+800～DK1 687+570段進行超挖量統(tǒng)計分析研究。隧道洞身為花崗巖、花崗閃長巖，弱風化，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖質(zhì)堅硬，巖體較完整。其中DK1 687+425～DK1 687+570段裂隙發(fā)育，巖體較破碎，局部有少量巖脈侵入，地下水為弱發(fā)育基巖裂隙水，開挖過程中有巖爆、洞壁巖體剝離和掉塊現(xiàn)象出現(xiàn)，新生裂隙較多，成洞性差。設(shè)計圍巖等級為Ⅱ、Ⅲ級，采用全斷面法施工開挖。

根據(jù)斷面掃描結(jié)果，獲得超挖面積、平均線性超挖值數(shù)據(jù)。繪制里程、圍巖級別對應(yīng)的斷面超挖面積、平均線性超挖折線圖。此次量測Ⅱ、Ⅲ級圍巖段共計770 m，每5 m選取一個斷面，共155個實測斷面(表2)。

表2 超挖樣本數(shù)

4.3 超挖量樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

參照建筑結(jié)構(gòu)通常取值法，選取檢驗顯著水平α=0.05以及K-S檢驗方法，對超挖面積、平均線性超挖值分布類型進行正態(tài)性檢驗。根據(jù)獲得的圍巖超挖樣本數(shù)據(jù)，計算得到各類圍巖超挖量統(tǒng)計分析結(jié)果(表3)。

表3 不同圍巖超挖統(tǒng)計結(jié)果

由表3可知：

(1) Ⅱ級圍巖平均超挖面積為3.34 m2；平均線性超挖均值為13.60 cm；Ⅲ級圍巖平均超挖面積為4.59 m2，平均線性超挖均值為18.45 cm。

(2) 根據(jù)K-S檢驗結(jié)果，各級圍巖超挖統(tǒng)計量服從正態(tài)分布。

采用T分布方法計算超挖面積和平均線性超挖值樣本總體均值并給出其置信度為95%的置信區(qū)間，根據(jù)置信區(qū)間預(yù)測不同圍巖級別隧道超挖范圍見表4。

表4 不同圍巖超挖統(tǒng)計量總體均值置信區(qū)間

4.4 基于超挖量統(tǒng)計結(jié)果噴射混凝土回彈量計算

根據(jù)表3超挖量統(tǒng)計分析結(jié)果，該地質(zhì)條件下，Ⅱ、Ⅲ級圍巖超挖嚴重，若采用素混凝土進行超挖回填，噴射混凝土用量將會遠遠超出設(shè)計用量，并且混凝土回彈量隨著每延米噴射混凝土用量的增加而增加，導(dǎo)致隧道初期支護費用增加?？刹捎檬?1)計算Ⅱ、Ⅲ級圍巖下噴射混凝土回彈量平均值和回彈率平均值：

(1)

式中：i為不同圍巖級別，?、?、Ⅲ級；Hi為不同圍巖級別下每延米噴射混凝土回彈量平均值；Si為不同圍巖級別下每延米實際噴射混凝土量平均值；Ji為不同圍 巖級別下每延米設(shè)計噴射混凝土量平均值；Ci為不同圍巖級別下每延米超挖量平均值；Di為不同圍巖級別下每延米定額量平均值；hi為不同圍巖級別下每延米噴射混凝土回彈率平均值。

基于表3超挖面積的平均值，可計算每延米超挖量平均值Ci，再結(jié)合每延米實際噴射混凝土量平均值Si(根據(jù)混凝土拌和站輸出混凝土總量計算)、每延米設(shè)計噴射混凝土量平均值Ji(根據(jù)設(shè)計圖紙設(shè)計量計算)和每延米定額量平均值Di(根據(jù)造價定額計算除設(shè)計量以外預(yù)留部分)，可按式(1)計算不同圍巖情況下，噴射混凝土回彈量和回彈率，通過技術(shù)改進和加強管理來降低噴射混凝土回彈量和回彈率，從而提高經(jīng)濟效益、加快施工進度以及保證工人健康。

5 隧道開挖斷面成形控制措施

九嶺山隧道穿越復(fù)雜特殊地層，存在高地應(yīng)力、高地溫、斷層及節(jié)理密集帶等不良地質(zhì)現(xiàn)象。隧道開挖后容易產(chǎn)生小規(guī)模塌落掉塊或片幫剝落現(xiàn)象，存在爆破后圍巖沿層間節(jié)理或構(gòu)造縫自然溜塌可能，隧道斷面成形控制難度大，施工安全風險高，導(dǎo)致實際開挖與支護量超出原設(shè)計量。

針對爆破開挖圍巖成洞性差，超挖嚴重問題，根據(jù)上述圍巖級別與超挖量關(guān)系的統(tǒng)計結(jié)果，在施工過程中針對性地采取以下措施對隧道開挖斷面成形進行控制，取得了較為理想的效果。

(1) 加強超挖支護與爆破控制，最大限度減小對圍巖的擾動。

(2) 施工中采取弱爆破、短進尺、加強支護及通風降溫等針對性措施。

(3) 針對高地應(yīng)力巖爆段，加強超前地質(zhì)預(yù)報及現(xiàn)場巖爆發(fā)生狀況的記錄工作，并結(jié)合地應(yīng)力測試結(jié)果，對巖爆進行預(yù)報預(yù)測。

(4) 針對高地應(yīng)力巖爆段，加強巖爆控制，采取增設(shè)錨桿、鋼筋網(wǎng)片、鋼筋格柵、超前鉆孔注水、增加噴射混凝土厚度及人員機械防護等措施。

(5) 高地溫地段施工過程中加強溫度監(jiān)測與記錄，加強洞內(nèi)通風、灑水及其他措施降溫。

6 結(jié)論

選取蒙華鐵路九嶺山隧道高地應(yīng)力硬巖地質(zhì)段，對開挖斷面成形特征進行統(tǒng)計分析，主要結(jié)論如下：

(1) 針對九嶺山隧道高地應(yīng)力硬巖段存在開挖斷面成形困難的問題，對典型斷面圍巖開挖進行了數(shù)值模擬，從應(yīng)力角度分析了造成較大超挖的原因。

(2) 通過對典型施工段超挖數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，獲得了各級圍巖超挖量值：Ⅱ級圍巖平均超挖面積為3.34 m2；平均線性超挖均值為13.60 cm；Ⅲ級圍巖平均超挖面積為4.59 m2，平均線性超挖均值為18.45 cm。硬巖高地應(yīng)力地質(zhì)條件下，圍巖條件越差，超挖量越大。不同圍巖超挖量服從正態(tài)分布，可用于可靠度分析研究。