第三系富水弱膠結(jié)砂巖隧道施工方案對(duì)比

丁祥 侯宗政 朱永全 樊浩博

1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 北京 102600；2.石家莊鐵道大學(xué) 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 石家莊 050043

第三系富水弱膠結(jié)砂巖穩(wěn)定性差、結(jié)構(gòu)脆弱，遇水浸潤(rùn)（泡）或長(zhǎng)時(shí)間暴露易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞［1-3］。在該類(lèi)地層中修建隧道時(shí)圍巖容易變形，不同施工方案對(duì)隧道的安全影響較大。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道開(kāi)挖工法及變形問(wèn)題做了大量研究。李國(guó)良等［4］研究了第三系泥質(zhì)弱膠結(jié)富水粉細(xì)砂巖隧道設(shè)計(jì)、施工關(guān)鍵技術(shù)。邵珠山等［5］研究了典型軟巖隧道的變形特征，得到了泥質(zhì)砂巖的應(yīng)變-時(shí)間曲線。王秀英等［6］對(duì)桃樹(shù)坪隧道、胡麻嶺隧道穿越含水弱膠結(jié)砂巖進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得到了較為合理的施工方法。司劍鈞［7］針對(duì)富水泥質(zhì)弱膠結(jié)粉砂巖地層開(kāi)展了洞內(nèi)降水、超前加固、施作支護(hù)結(jié)構(gòu)、徑向注漿等施工工序的論證分析，為隧道施工參數(shù)的選擇提供了依據(jù)。韓赟［8］對(duì)比了交叉中隔壁（Cross Diaphragm，CRD）法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性，為隧道工法的選擇提供了借鑒。來(lái)弘鵬等［9］針對(duì)砂土地層盾構(gòu)隧道小角度斜穿既有隧道的技術(shù)難題，給出了施工參數(shù)建議值。王玉鎖等［10］探討了砂土地層隧道圍巖黏聚力的影響因素，總結(jié)了砂土密實(shí)程度、含水率對(duì)黏聚力的影響規(guī)律。祁衛(wèi)華［11］總結(jié)了第三系富水砂巖隧道的工程性質(zhì)和施工方法優(yōu)缺點(diǎn)，提出了重降水、輔注漿、強(qiáng)支護(hù)、快封閉的設(shè)計(jì)、施工理念。

上述文獻(xiàn)對(duì)弱膠結(jié)砂巖物理特性、施工方法等開(kāi)展的研究，對(duì)隧道穿越弱膠結(jié)砂巖區(qū)的安全施工有重要指導(dǎo)意義，也對(duì)第三系富水弱膠結(jié)砂巖隧道施工方案的選擇提供了借鑒。本文依托中蘭高速鐵路香山隧道，采用數(shù)值模擬對(duì)第三系富水弱膠結(jié)砂巖隧道的施工方案進(jìn)行比選，分析不同施工方案對(duì)隧道施工安全的影響，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

1 工程概況

香山隧道位于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)，全長(zhǎng)17.763 km，為單洞雙線高速鐵路隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速250 km。DK43 + 953.3—DK44 + 347.0 段地層主要為第三系富水弱膠結(jié)砂巖夾泥巖，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。隧道平均埋深為140 m。地下水主要為基巖裂隙水，隧道位于地下水位線以下。隧道進(jìn)入該區(qū)段后掌子面泥化嚴(yán)重，無(wú)法自穩(wěn)。掌子面、邊墻、基底等部位出現(xiàn)涌砂，部分圍巖劣化成稀粥狀，施工風(fēng)險(xiǎn)大、進(jìn)度慢。為了提高圍巖的穩(wěn)定性，采用超前周邊注漿預(yù)加固地層，每一循環(huán)注漿長(zhǎng)度為15 m，縱向搭接3 m，注漿圈厚度為3 m。

2 隧道施工方案數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

分別模擬三臺(tái)階預(yù)留核心土法（簡(jiǎn)稱(chēng)預(yù)留核心土法）、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法（簡(jiǎn)稱(chēng)臨時(shí)仰拱法）和CRD 法對(duì)隧道、圍巖穩(wěn)定性的影響。模型尺寸為90.00 m（長(zhǎng)） × 40.00 m（寬） × 85.32 m（高），隧道開(kāi)挖高度、跨度分別為12.32、14.42 m，如圖1所示。模擬隧道埋深為130 m 的工況，拱頂距模型上邊界40 m，上部剩余90 m 的土層以均布荷載的形式施加在模型上。圍巖、初期支護(hù)分別采用摩爾庫(kù)倫、彈性本構(gòu)模型。模型底部及四周均施加法向位移約束，上部為自由邊界。荷載主要為結(jié)構(gòu)自重。

圖1 計(jì)算模型（單位：m）

2.2 計(jì)算參數(shù)

土層計(jì)算參數(shù)根據(jù)地勘資料并結(jié)合TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》取值，各土層抗拉強(qiáng)度均為1.75 MPa。其他計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 土層計(jì)算參數(shù)

表2 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

模擬計(jì)算時(shí)，鋼拱架的彈性模量與噴射混凝土一起考慮，折算后初期支護(hù)的彈性模量為

式中：E、I分別為折算后初期支護(hù)的彈性模量和慣性矩；E混、I混分別為噴射混凝土的彈性模量和慣性矩；E鋼、I鋼分別為鋼拱架的彈性模量和慣性矩。

折算后初期支護(hù)的彈性模量為26.38 GPa。

2.3 開(kāi)挖工況

預(yù)留核心土法、臨時(shí)仰拱法以及CRD 法開(kāi)挖橫斷面如圖2所示。

圖2 隧道開(kāi)挖橫斷面

以預(yù)留核心土法為例，將隧道從上至下分為四層，分別是上臺(tái)階、中臺(tái)階、下臺(tái)階和仰拱。上臺(tái)階循環(huán)進(jìn)尺為0.5 m，中、下臺(tái)階循環(huán)進(jìn)尺為1.0 m。上臺(tái)階距中臺(tái)階、中臺(tái)階距下臺(tái)階、下臺(tái)階距仰拱的距離分別為5、20、10 m，仰拱開(kāi)挖深度為5 m，如圖3 所示。臨時(shí)仰拱法、CRD 法的臺(tái)階長(zhǎng)度與預(yù)留核心土法類(lèi)似。

圖3 預(yù)留核心土法開(kāi)挖設(shè)置（單位：m）

2.4 計(jì)算結(jié)果

2.4.1 隧道豎向位移

采用不同工法，上臺(tái)階分別開(kāi)挖至40 m 時(shí)，隧道洞口的豎向位移見(jiàn)圖4?？芍侯A(yù)留核心土法和臨時(shí)仰拱法的豎向位移規(guī)律較相似，隧道最大豎向位移均位于拱肩，其次為拱頂；CRD 法的最大豎向位移則出現(xiàn)在拱頂。

圖4 上臺(tái)階開(kāi)挖至40 m時(shí)，隧道洞口的豎向位移（單位：m）

不同上臺(tái)階開(kāi)挖深度下隧道洞口處拱頂豎向位移見(jiàn)圖5?？芍翰捎妙A(yù)留核心土法和臨時(shí)仰拱法時(shí)，隧道拱頂豎向位移均隨著開(kāi)挖深度的增加而增大，上臺(tái)階開(kāi)挖至40 m 時(shí)累計(jì)拱頂豎向位移分別為20.87、15.13 cm，采用臨時(shí)仰拱法時(shí)隧道拱頂豎向位移比采用預(yù)留核心土法減小27.5%。采用CRD 法時(shí)拱頂豎向位移隨著隧道開(kāi)挖深度增加變化較小，上臺(tái)階開(kāi)挖至40 m 時(shí)累計(jì)拱頂豎向位移為7.01 cm，比前兩種工法分別減小66.4%和53.7%，CRD 法對(duì)拱頂豎向位移的控制效果最好。CRD 法將隧道斷面分為若干塊封閉的臨時(shí)支護(hù)體系，增強(qiáng)了支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖變形的抵抗能力，因此，對(duì)于松散的富水砂巖地層建議采用CRD法施工。

圖5 不同上臺(tái)階開(kāi)挖深度下隧道洞口處拱頂豎向位移

2.4.2 隧道水平位移

采用不同工法，上臺(tái)階分別開(kāi)挖至40 m 時(shí)，隧道洞口的水平位移見(jiàn)圖6，不同上臺(tái)階開(kāi)挖深度下隧道洞口處最大水平位移見(jiàn)圖7。由圖6和圖7可知：三種工法下隧道最大水平位移均位于邊墻中下部，采用預(yù)留核心土法與臨時(shí)仰拱法時(shí)隧道的水平位移較大，CRD 法對(duì)隧道水平位移控制效果最好。上臺(tái)階開(kāi)挖至40 m 時(shí)，采用預(yù)留核心土法、臨時(shí)仰拱法和CRD 法最大水平位移分別為29.01、26.10、3.65 cm，采用CRD 法時(shí)的水平位移比采用預(yù)留核心土法及臨時(shí)仰拱法分別減少87.4%、86.0%。預(yù)留核心土法在開(kāi)挖中臺(tái)階（上臺(tái)階開(kāi)挖至6 m）時(shí)隧道水平位移增加顯著，臨時(shí)仰拱法在開(kāi)挖下臺(tái)階（上臺(tái)階開(kāi)挖至26 m）時(shí)水平位移迅速增大，此階段還需要拆除臨時(shí)仰拱，兩施工步驟均會(huì)造成隧道位移增加。因此，隧道施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)各臺(tái)階開(kāi)挖、拆除臨時(shí)仰拱等施工步驟的質(zhì)量控制。

圖6 上臺(tái)階開(kāi)挖至40 m時(shí)，隧道洞口的水平位移（單位：m）

圖7 不同上臺(tái)階開(kāi)挖深度下隧道洞口處最大水平位移

2.4.3 圍巖塑性區(qū)

各工法下圍巖塑性區(qū)分布云圖見(jiàn)圖8?？芍侯A(yù)留核心土法對(duì)圍巖擾動(dòng)最大，上臺(tái)階開(kāi)挖至40 m 時(shí)圍巖最大塑性區(qū)厚度為16.0 m，位于拱肩。因此，隧道施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)控制拱肩部位的施工質(zhì)量。采用臨時(shí)仰拱法和CRD 法時(shí)圍巖最大塑性區(qū)厚度分別為8.5、3.0 m，CRD法對(duì)圍巖擾動(dòng)最小。

圖8 各工法下圍巖塑性區(qū)分布云圖（單位：m）

綜合隧道位移和圍巖塑性區(qū)厚度來(lái)看，采用CRD法施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)最小，對(duì)隧道變形的控制效果最好，可應(yīng)用于掌子面自穩(wěn)性差的富水砂巖地層。但該工法施工工序繁瑣、經(jīng)濟(jì)性差，選擇施工方案時(shí)還應(yīng)兼顧經(jīng)濟(jì)性和施工便捷性。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)區(qū)段

為了保證施工進(jìn)度，考慮到大型機(jī)械作業(yè)方便，香山隧道穿越砂巖區(qū)段采用預(yù)留核心土法施工，并在DK44 + 120和DK44 + 150布置了位移測(cè)點(diǎn)。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

隧道上臺(tái)階進(jìn)尺約1 m/d，將上臺(tái)階開(kāi)挖至40 m時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)前40 d 的位移結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖9?？芍罕O(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，模擬結(jié)果可靠。隨著開(kāi)挖深度的增加，隧道拱頂豎向位移、最大水平位移均增大，當(dāng)上臺(tái)階開(kāi)挖至40 m 時(shí)，測(cè)點(diǎn)DK44 + 120 和DK44 + 150 的累計(jì)拱頂豎向位移分別為21.86、21.60 cm，最大水平位移分別為30.04、29.54 cm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，變形量小于40 cm?？梢?jiàn)，采用預(yù)留核心土法能保證香山隧道施工安全。

圖9 數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

本文以香山隧道為依托，采用數(shù)值模擬開(kāi)展了富水弱膠結(jié)砂巖隧道施工方案的對(duì)比研究，分析了不同施工方案對(duì)隧道、圍巖穩(wěn)定性的影響，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。主要結(jié)論如下：

1）在富水弱膠結(jié)砂巖地層，隧道采用預(yù)留核心土法、臨時(shí)仰拱法和CRD 法施工時(shí)，其豎向和水平位移均隨著開(kāi)挖深度的增加而增大。由數(shù)值模擬結(jié)果可知，采用預(yù)留核心土法施工對(duì)圍巖擾動(dòng)最大，當(dāng)上臺(tái)階開(kāi)挖至40 m 時(shí)隧道累計(jì)拱頂豎向位移、最大水平位移分別為20.87、29.01 cm。

2）采用預(yù)留核心土法、臨時(shí)仰拱法和CRD 法施工時(shí)，圍巖最大塑性區(qū)厚度分別為16.0、8.5、3.0 m，CRD 法施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)最小。采用預(yù)留核心土法和臨時(shí)仰拱法圍巖最大塑性區(qū)位置均位于拱肩。

3）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，說(shuō)明數(shù)值模擬可靠。通過(guò)監(jiān)測(cè)可知，采用預(yù)留核心土法施工時(shí)隧道拱頂豎向位移、水平位移均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4）預(yù)留核心土法施工簡(jiǎn)單、施工速度快，可應(yīng)用于富水弱膠結(jié)砂巖隧道；CRD 法對(duì)隧道、圍巖穩(wěn)定性控制效果好，可應(yīng)用于掌子面自穩(wěn)性差的富水砂巖地層。在選擇施工方案時(shí)，應(yīng)綜合考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性和施工效率，選取最優(yōu)方案。