超淺埋鐵路隧道下穿既有水庫“明拱暗墻-短臺階法”施工力學研究

支衛(wèi)清

(中鐵十二局集團有限公司 山西太原 030024)

1 引言

隨著“交通強國，鐵路先行”號召的提出，我國鐵路隧道的建設迎來了高峰期[1]，截止2019年底，我國運營鐵路隧道16 084座，總長達18 014 km。我國幅員遼闊，地質條件復雜[2]，同時受到線路線型的限制，使得部分鐵路隧道不得不穿越水庫[3]。在隧道穿越水庫的施工中，既要考慮水庫對隧道施工安全的影響，也要關注新建隧道施工對既有水庫的影響，給隧道的設計及施工帶來了極大的困擾[4-5]。目前針對鐵路隧道穿越既有水庫工程，部分學者采用理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗的方法針對其施工技術進行了重點研究。

周冠南等[6]以大力寺隧道為依托，采用數(shù)值模擬的方法，對隧道下穿大力寺水庫時滲透系數(shù)與隧道穩(wěn)定性之間的關系進行了研究，并對不同參數(shù)下隧道圍巖的變形、應力及塑性區(qū)的變化規(guī)律進行了探究；徐早文[7]以中寨隧道下穿既有水庫斷層破碎帶為工程背景，采用了理論分析和數(shù)值模擬的方法，對該條件下的隧道掌子面穩(wěn)定性進行了研究，并建立了掌子面穩(wěn)定分析模型，同時基于有限差分軟件FLAC3D對該段隧道的圍巖變形及支護結構內力特征進行了研究；王肖文[8]和王北京[9]以燕居嶺隧道為依托，對鐵路隧道下穿既有水庫的超前地質預報、帷幕注漿加固技術進行了詳細闡述；周祥[10]以秀寧隧道穿越龍?zhí)端畮鞛楣こ瘫尘埃捎美碚摲治?、室內試驗及?shù)值模擬的方法，對洞內水平真空抽水加固方案進行了評價，選定了合理的注漿加固參數(shù)，并提出了全斷面超前注漿三臺階開挖方法；徐前衛(wèi)等[11]在南華隧道中采用高壓旋噴樁加固及深層攪拌樁施作止水帷幕技術，同時采用三臺階臨時仰拱開挖的方法，使隧道安全穿越上方既有水庫。

基于鐵路隧道穿越既有水庫的研究現(xiàn)狀，可以發(fā)現(xiàn)當前已經(jīng)建成的工程案例均距離既有水庫較遠，或隧道埋深較大，但對于超淺埋鐵路隧道下穿既有水庫，目前還沒有類似工程實例，可供借鑒的施工技術及設計經(jīng)驗較少。本文依托金臺鐵路牛和嶺隧道超近距離下穿既有水庫段為工程背景，提出“明拱暗墻-短臺階法”，并采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結合的方法，對其施工力學進行研究，其研究成果已在牛和嶺隧道的施工中得到驗證，具有一定的工程價值和學術意義，可為其他類似工程提供經(jīng)驗及依據(jù)。

2 工程概況

金(華)臺(州)鐵路牛和嶺隧道位于浙江省麗水市縉云縣壺鎮(zhèn)鎮(zhèn)境內，隧道起訖里程為DK25＋163～DK31＋435，全長6 272 m，為單線電氣化鐵路隧道，預留二線條件。隧道所處地區(qū)多低山，地形起伏較大，“V”型沖溝發(fā)育。海拔高程235～522.4 m，相對高差10～287.4 m，自然坡度 25°～60°。 沖溝內常年有水，水量較大，在部分地區(qū)匯集成水庫，水庫水位和水量受季節(jié)影響較大。

本文所研究的區(qū)域為牛和嶺隧道超近距離下穿既有水庫段，由于該段DK25＋163～DK25＋390段正線與預留二線間距為15.14～34.52 m，間距較小，為保證施工安全以及后期二線施工過程中正線的運營安全，本工程在此段同時修建二線，為單線隧道。牛和嶺隧道正線DK25＋305～DK25＋360段埋深1.88～5.83 m，二線DyK25＋285～DyK25＋332段埋深0.47～2.59 m，左右線隧道凈距小，埋深淺，且超近距離下穿水庫庫尾，地下水豐富，施工安全風險極高，隧道與水庫平面位置關系如圖1所示。

圖1 隧道與水庫平面位置

依據(jù)工程地質調繪及地質鉆探，隧道超近距離穿越水庫區(qū)段地層巖性主要為白堊系上統(tǒng)塘上組粉砂巖、凝灰?guī)r。該區(qū)域圍巖主要為侏羅系上統(tǒng)西山頭組凝灰?guī)r，巖體破碎，巖質較軟，圍巖級別為Ⅴ級。本文針對該段隧道的施工提出“明拱暗墻-短臺階法”，并采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結合的方法，以DyK25＋320為研究斷面，對其施工力學進行研究。

3 “明拱暗墻-短臺階法”工法特點

超淺埋鐵路隧道下穿既有水庫“明拱暗墻-短臺階法”在施工前先進行地表水的抽排，以便后續(xù)施工的正常進行，主要包括以下6個步驟:拱部明挖→施作護拱及其防水層→回填碎石土→隧道上臺階開挖→下臺階開挖→施作二次襯砌，其施工工序如圖2所示。該工法其特點在于充分利用護拱對上覆巖土體的承載能力，有效控制了圍巖變形，保證施工安全。同時，隧道的開挖采用上下短臺階法，工序簡單，施工機械設備操作空間充足，提高了施工進度，便于隧道快速通過下穿既有水庫段，具有明顯的技術經(jīng)濟性。

圖2 “明拱暗墻-短臺階法”施工工序

支護結構采用Ⅴ級圍巖加強復合式襯砌，其襯砌斷面如圖3所示，其中護拱和二次襯砌厚度分別為60 cm和45 cm，材料為C35鋼筋混凝土，初期支護參數(shù)如表1所示。

圖3 襯砌斷面圖(單位：cm)

表1 初期支護參數(shù)

4 超淺埋鐵路隧道下穿既有水庫數(shù)值計算分析

4.1 三維數(shù)值計算模型的建立

進行三維數(shù)值計算時，設定水平方向為X軸，縱深方向為Y軸，豎直方向為Z軸。選取模型邊界與隧道的距離為3～5倍洞徑，根據(jù)牛和嶺隧道超近距離下穿既有水庫段的地質情況，確定模型的尺寸為寬×高＝110 m×60 m，縱深Z＝60 m，隧道埋深3.0 m，左右線隧道凈距20 m。對模型X及Y方向的兩個邊界和Z方向的下邊界施加位移約束，上邊界為自由邊界，模型如圖4所示。開挖方法為“明拱暗墻-短臺階法”，結合實際施工，確定開挖進尺1 m，臺階長度6 m，正線與二線同步施工，以斷面Y＝30 m(DyK25＋320)為研究斷面。

圖4 數(shù)值計算模型(單位：m)

4.2 物理力學參數(shù)

模型中圍巖采用實體單元模擬，本構模型為mohr-coulomb彈塑性模型，護拱及隧道襯砌同樣采用實體單元模擬，選擇彈性模型。在進行初期支護物理力學參數(shù)選取時，不考慮鋼筋網(wǎng)的作用，同時將鋼架按等效剛度原則折算到噴射混凝土中，得到圍巖及支護結構物理力學參數(shù)如表2所示。

表2 圍巖及支護結構物理力學參數(shù)

本文在進行數(shù)值計算時，考慮到實際施工情況及分析軟件的特點，對模型進行如下簡化:(1)模型中所有材料均為連續(xù)、均一的理想體；(2)考慮到在施工前已將地表水抽排掉，且為超淺埋隧道，因此在施工階段不考慮水的滲流作用；(3)計算時初始應力場僅考慮自重應力，不考慮構造應力場的影響。

4.3 計算結果及分析

4.3.1 圍巖變形分析

為探究“明拱暗墻-短臺階法”在施工過程中的圍巖變形演變規(guī)律及最終變形量，本文對斷面DyK25＋320(Y＝30 m)設置8個監(jiān)測點:拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右邊墻及仰拱，監(jiān)測點布置如圖5所示，由于對稱性，本文僅對二線隧道進行監(jiān)測，圍巖豎向位移及水平收斂時程曲線如圖6所示。

圖5 圍巖變形監(jiān)測點布置

圖6 圍巖變形時程曲線

從宏觀角度來看，圍巖變形主要發(fā)生在二次襯砌施作之前，在施作二次襯砌后圍巖變形基本穩(wěn)定，不再發(fā)生大幅波動。最大豎向位移值26.44 mm，為仰拱隆起，最大水平收斂12.23 mm，發(fā)生在拱腳位置處。在動態(tài)演變方面，1＃開挖后，拱頂、拱腰及仰拱的豎向位移急劇上升，變形速率較大，在該階段發(fā)生的位移占到其總位移的30% ～45%，在2＃開挖后，其變形速率減小，并逐漸收斂，說明1＃的開挖是引起上述三個測點產生豎向位移的主要原因；對于水平收斂，可以發(fā)現(xiàn)1＃開挖后拱腳處的水平收斂急劇上升，2＃開挖后邊墻處的水平收斂進入陡增階段，說明拱腳處的水平收斂主要是由1＃開挖導致，邊墻處的水平收斂主要是由2＃開挖所引起的。這里值得注意的是，拱腰處的水平收斂在整個施工過程中均沒有發(fā)生較大波動，且最終收斂值僅為0.06 mm，這是因為護拱作為一個矢跨比為0.32拱形結構，在受到上覆巖土體的荷載后，會在其腳部產生朝洞外方向的水平推力，極大地抑制了拱腰處的水平收斂。

為了探究護拱的支護效果，本文采用相同的模型進行數(shù)值計算，在施工中不進行護拱的施作，得到無護拱工況下的圍巖變形云圖如圖7所示。

圖7 無護拱工況下圍巖變形云圖(單位：m)

由圖7可知，在有護拱的工況下其圍巖變形均小于無護拱工況，說明護拱對上覆巖土體起到了良好的承載作用，有效地控制了圍巖變形。其中，最為明顯的是拱頂下沉和拱腰水平收斂，其減幅分別達到42.77%和98.93%。

4.3.2 地表沉降規(guī)律分析

對于超淺埋隧道，地表沉降是一個判定隧道施工安全性的重要指標。研究斷面橫向地表沉降如圖8所示。

圖8 橫向地表沉降曲線

地表沉降曲線呈現(xiàn)出明顯的對稱性，表現(xiàn)出“雙峰”特征，基本符合Peck沉降曲線分布規(guī)律，其峰值位置出現(xiàn)在隧道中線處。文中雙線鐵路隧道D/L＝0.28(D為隧道中心到地表距離，L為兩隧道中線距離)，其外觀形態(tài)為較陡峭的“W型”，這與文獻[12]針對雙線淺埋隧道的地表沉降規(guī)律研究成果較為吻合。從演變規(guī)律來看，當1＃到達研究斷面時，峰值為2.68 mm；當2＃到達研究斷面時，峰值為7.62 mm；分別占到最終峰值的21.27%、60.48%，說明1＃的開挖所引起的地表沉降占較大的比重，施工中要尤為注意。從最終峰值來看，有護拱工況為12.60 mm，無護拱工況為19.27 mm，減幅為34.61%，說明護拱對地表沉降也有明顯的控制效果。

5 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析

在牛和嶺隧道超近距離下穿既有水庫段的施工中，采用“明拱暗墻-短臺階法”，對其圍巖變形及護拱內力特性進行了監(jiān)測，本文針對斷面DyK25＋320二線隧道的實測數(shù)據(jù)進行分析研究。

5.1 圍巖變形監(jiān)測

圍巖變形現(xiàn)場監(jiān)測項目包括:拱頂下沉、拱腳水平收斂及邊墻水平收斂。其測點布置如圖9所示，變形時程曲線如圖10所示。

圖9 圍巖變形現(xiàn)場監(jiān)測點布置

圖10 圍巖變形時程曲線

根據(jù)圍巖變形時程曲線分布規(guī)律，可將其變形過程分為3個階段:陡增階段、緩增階段及穩(wěn)定階段。對于拱頂下沉及拱腳水平收斂，當1＃開挖后即進入陡增階段，其變形急劇增長，最大變形速率分別為1.7 mm/d、1.6 mm/d，該階段所產生的變形量分別占到其總變形量的76.72%、82.08%；當2＃開挖后，初期支護封閉成環(huán)，變形速率減小，進入緩增階段并逐漸收斂。對于邊墻水平收斂，當2＃開挖后進入陡增階段，最大變形速率為1.0 mm/d。在2＃開挖后的15 d左右，圍巖變形基本穩(wěn)定，進入變形穩(wěn)定階段。從最終變形量來看，拱頂下沉為11.6 mm，拱腳水平收斂為10.6 mm，邊墻水平收斂為6.3 mm，均在變形允許范圍內。無論是圍巖變形的演變規(guī)律，還是各監(jiān)測項目的最終變形量，數(shù)值計算與現(xiàn)場實測結果均高度吻合，說明前文的數(shù)值計算具有一定的可靠性。

5.2 護拱內力特性監(jiān)測

在“明拱暗墻-短臺階法”的施工中，護拱的施作要早于暗洞開挖，其承載能力也是保證施工安全的關鍵。護拱內力特性監(jiān)測項目包括鋼筋軸力和混凝土應力，測試元件分別為鋼筋應力計、混凝土應變儀，監(jiān)測點布置如圖11所示。

護拱鋼筋軸力及混凝土應力時程曲線如圖12所示。

圖11 護拱內力監(jiān)測點布置

圖12 護拱內力時程曲線

在力學演變規(guī)律上，當1＃開挖后，護拱內力急劇上升，且該階段其內力占到最終值的70%左右，是施工過程中的一個關鍵步驟，要加強在該階段的監(jiān)測力度；當2＃開挖后，護拱內力也會產生一定的波動，且內力增長速度逐漸減小直至收斂，在2＃開挖后15 d左右，護拱內力基本穩(wěn)定，這與上文圍巖變形規(guī)律是吻合的。護拱內力特征表現(xiàn)為:整體受壓，拱頂內力大于拱肩，左右拱肩內力相差不大，表現(xiàn)出一定的受力對稱性。從最終內力值來看，鋼筋軸力為-46.95 kN，混凝土應力為-8.49 MPa，分別為其材料設計強度的37.38%和32.65%，說明護拱還有繼續(xù)承載的能力，結構安全性滿足要求。

6 結束語

(1)針對超淺埋鐵路隧道下穿既有水庫施工經(jīng)驗缺乏的現(xiàn)狀，提出“明拱暗墻-短臺階法”，有效地保證了施工安全，實現(xiàn)快速通過下穿段。

(2)護拱對上覆巖土體起到了良好的承載作用，明顯減小了地表沉降及圍巖變形，其中最為顯著的是拱頂下沉和拱腰水平收斂，減幅分別達到42.77%、98.93%。

(3)采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結合的方法對其施工力學進行了研究，結果表明，上臺階的開挖是整個施工的關鍵，地表沉降、圍巖變形和護拱、內力急劇增長，且在該階段所產生的量值占比較大；下臺階開挖后12～15 d，各量值基本收斂，進入穩(wěn)定階段。

(4)基于現(xiàn)場力學特性測試數(shù)據(jù)，護拱內力特征表現(xiàn)為:整體受壓，拱頂內力大于拱肩，左右拱肩內力呈現(xiàn)出一定的對稱性；鋼筋軸力和混凝土應力分別占到其材料設計強度的37.38%和32.65%，護拱具備繼續(xù)承載的能力，滿足安全要求。