跨軟弱斷層隧道開挖工法優(yōu)化研究

金 鵬

(中鐵十六局集團第二工程有限公司，天津 300162)

1 工程概況

成昆鐵路擴能工程峨眉至米易段站前工程EMZQ-7標(biāo)吉布甲隧道位于四川省涼山彝族自治州境內(nèi)甘洛縣境內(nèi)，吉布甲隧道起點里程DK288+485，終點里程D1K298+340，長9 855 m。吉布甲隧道洞身穿越3條斷層，其中碧雞腳逆斷層與線路相交于DK293+588處，為向南西傾斜走向逆斷層，破碎帶主要由泥巖、砂巖構(gòu)成斷層角礫巖、糜棱巖，破碎帶寬約2～5 m，斷層與線路近似垂直。磨房溝拉爾逆斷層與線路相交于DK295+144處，該斷層屬向南西傾斜走向逆斷層，巖性主要為鈣質(zhì)粉砂質(zhì)粘土巖、灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r、方解石組成斷層角礫巖、糜棱巖，破碎帶寬約20 m，與線路近似垂直。該文主要對磨房溝拉爾逆斷層進行分析研究。

2 數(shù)值計算模型及方案設(shè)計

主要以數(shù)值模擬的手段擬定不同的開挖工法對跨斷層隧道開挖工法進行優(yōu)化分析。通過查閱相關(guān)文獻可知，斷層隧道施工時常采用臺階法施工，基于Midas GTS/NX有限元數(shù)值模擬軟件，通過變化臺階數(shù)量以及核心土，從襯砌的主應(yīng)力以及變形等方面，對跨斷層隧道施工時的開挖工法進行優(yōu)化研究。這里對圍巖斷層數(shù)值模擬時，主要采用參數(shù)弱化的方法對斷層進行模擬，根據(jù)吉布甲隧道實際情況，斷層傾角和夾角近似90°，斷層厚度為20 m，圍巖等級為ⅴ級圍巖。斷層弱化參數(shù)取值具體如表1所示。

初期支護中系統(tǒng)錨桿采用4 m長錨管，噴射混凝土采用C25混凝土，仰拱和拱墻厚度為27 cm，全環(huán)采用I20b型鋼作為鋼架。計算時通過提高初期支護的彈性模量等參數(shù)，利用等效方法對鋼架的支護作用進行簡化，等效公式為

式中，E為折算后噴射混凝土的彈性模量；E0為原噴混凝土的彈性模量；Sg為鋼拱架的截面積；Eg為鋼材的彈性模量；Sc為混凝土的截面積。

表1 圍巖參數(shù)取值

相關(guān)鋼材、混凝土參數(shù)選取根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TBJ1003—2016)和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010—2010)確定，初期支護數(shù)值模擬參數(shù)取值如表2所示。

表2 初期支護參數(shù)取值

數(shù)值模擬時，地層結(jié)構(gòu)模型幾何尺寸理應(yīng)與實際情況相當(dāng)。為盡量的控制計算誤差并減少計算量，這里擬定三維模型尺寸為X×Y×Z=寬度×縱向×高度=80 m×60 m×90 m，埋深為50 m左右；數(shù)值模擬時，地層采用摩爾-庫倫模型進行計算，采用三維實體單元模擬，整體網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格為主的劃分方式，且隧道開挖斷面附近采用較為細(xì)密的網(wǎng)格劃分，較遠(yuǎn)的地層圍巖采用較為稀疏的網(wǎng)格劃分，如圖1所示，保證計算精度的同時減少不必要的計算量。

進行開挖工法優(yōu)化時，二次襯砌主要作為安全儲備，初期支護為主要承載結(jié)構(gòu)，故模擬時主要考慮初期支護，忽略二次襯砌的作用。初期支護主要由鋼拱架和噴錨結(jié)構(gòu)組成，拱架混凝土視為整體采用二維板單元模擬，錨桿采用一維植入式桁架單元模擬，初期支護結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3 數(shù)值模擬方案設(shè)計

模擬計算時，噴混支護落后開挖一步進行。進行模擬時，控制相同的封閉距離，擬定不同的開挖工法進行優(yōu)化分析，工況統(tǒng)計如表3所示，計算模型如圖3～圖5所示，開挖時，仰拱全部單獨開挖，其中開挖進尺均選擇2 m，然后保證封閉距離一致。

表3 擬定工況統(tǒng)計表

對隧道關(guān)鍵部位的位移變形進行監(jiān)測，對稱結(jié)構(gòu)這里只取一側(cè)的相關(guān)部位進行監(jiān)測即可，監(jiān)測點布置如圖6所示，其中拱頂和仰拱監(jiān)測豎向位移變化，邊墻拱腳附近監(jiān)測水平位移變化。

4 不同開挖工法襯砌應(yīng)力分析

開挖完成后，對襯砌應(yīng)力進行分析，由于模型統(tǒng)一取斷層厚度為20 m，這里只取斷層中間一環(huán)的襯砌進行應(yīng)力分析即可，3種不同工況的襯砌的最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力如圖7～圖12所示，極值統(tǒng)計如表4所示。

表4 不同開挖工法襯砌應(yīng)力統(tǒng)計表

通過對圖7～圖12以及表4進行分析可知，各工況的襯砌最大主應(yīng)力以及最小主應(yīng)力云圖較為相似，壓應(yīng)力較大，拉應(yīng)力較小，斷層內(nèi)襯砌以受壓為主，隨著開挖工法從工況Ⅴ-1到Ⅴ-3變化，臺階開挖以及留核心土和臨時仰拱法時應(yīng)力極值雖有增大，但應(yīng)力分布更為均勻，應(yīng)力集中情況減少，應(yīng)力較大情況占比減小，從襯砌受力角度分析，跨軟弱斷層隧道施工時宜采用臺階法進行開挖，且三臺階法要優(yōu)于兩臺階法，且預(yù)留核心土對襯砌受力情況有一定程度的改善。

5 不同開挖工法圍巖變形分析

開挖完成后，對圍巖變形進行分析，由于模型統(tǒng)一取斷層厚度為20 m，這里取模型中間橫剖面的圍巖變形進行分析即可，圍巖變形極值統(tǒng)計如表5所示。

表5 不同開挖工法圍巖變形統(tǒng)計表

各開挖工法的圍巖變形云圖分布相似。從表5可知，不管開挖工法如何變化，從豎向位移來看，隆起極值要大于沉降極值；從水平位移的角度分析，水平相對稱的位置的水平位移相差不大。隨著開挖工法從兩臺階法變化到三臺階法以及三臺階預(yù)留核心土法，不管是隆起、沉降亦或是水平位移都有不同程度的減??；當(dāng)臺階法預(yù)留核心土后，對圍巖變形控制效果較好，因此從圍巖整體變形的角度考慮，跨斷層隧道施工時宜選擇臺階法進行開挖，且三臺階法稍優(yōu)于兩臺階法開挖，且三臺階預(yù)留核心土法對圍巖變形的控制效果和保持圍巖穩(wěn)定性的作用最為明顯。

6 不同斷面型式監(jiān)測點位移時空變化分析

對于斷層隧道施工時監(jiān)測點位移變化的時空分析，取整體隧道各開挖進尺的相關(guān)監(jiān)測點的位移進行統(tǒng)計分析，不同開挖工法的監(jiān)測點位移隨開挖距離變化曲線繪制如圖13～圖15所示，由于結(jié)構(gòu)和圍巖同為對稱，這里拱腳分析只取一側(cè)拱腳進行分析。

通過對比進行分析可知，不管是豎向位移還是水平位移，各工法的位移變化曲線類似，由于邊界原因，模型前后會有部分增減，這里不予分析。整個隧道施工過程中的位移極大值均出現(xiàn)在斷層中，拱頂沉降、仰拱隆起、拱腳處向隧道內(nèi)收斂；施工時的監(jiān)測點位移變化，進入斷層后各監(jiān)測點的豎向和水平位移均發(fā)生突增，出斷層后又恢復(fù)正常，易出現(xiàn)位移突增突減的情況，尤其是拱頂位移變化，出斷層時的變化尤為明顯；隨著開挖工法從兩臺階開挖到三臺階再到預(yù)留核心土，普通圍巖中的位移變化并不是很明顯，但軟弱斷層中的圍巖整體各部位位移明顯減小。

7 結(jié) 論

a.跨軟弱斷層隧道施工時，各開挖工法情況下，襯砌均以受壓為主。隨著開挖工法從兩臺階到三臺階法再到預(yù)留核心土開挖，臺階法開挖時應(yīng)力極值雖有所增大，但應(yīng)力分布更為均勻，應(yīng)力集中情況減少，襯砌的整體受力情況有所改善，預(yù)留核心土后對襯砌的受拉情況有所改善。

b.隨著開挖工法從兩臺階法變化到三臺階法以及三臺階預(yù)留核心土法，不管是隆起、沉降亦或是水平位移都有不同程度的減小，且預(yù)留核心土對圍巖變形控制效果較好。

c.對監(jiān)測點的位移時空變化進行分析，不管是豎向位移還是水平位移，隨著開挖工法從兩臺階開挖到三臺階再到預(yù)留核心土，普通圍巖中的位移變化并不是很明顯，但軟弱斷層中的圍巖整體各部位位移明顯減小，且控制減小了開挖受斷層影響的范圍。

綜上分析，不管是出于襯砌受力還是圍巖變形以及圍巖穩(wěn)定性控制的角度出發(fā)，跨軟弱斷層隧道施工時宜選擇臺階法進行開挖，且三臺階法稍優(yōu)于兩臺階法開挖，在臺階法基礎(chǔ)上可以考慮預(yù)留核心土開挖，對圍巖變形的控制效果和保持圍巖穩(wěn)定性的作用更為明顯。