陳佩寒,王 寧,趙華鋒

(1.石家莊鐵道大學(xué),石家莊 050043；2.中鐵十二局集團(tuán)有限公司,太原 030024)

隨著國(guó)內(nèi)鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)的日益增建以及隧道凈空要求的不斷提高,大斷面隧道工程也越來(lái)越多。由于開(kāi)挖斷面大、施工難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)突出、工期影響等特點(diǎn),大斷面隧道施工已成為國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家矚目的焦點(diǎn)[1-5]。隧道工程中一般將斷面面積超過(guò)100 m2以上的隧道稱(chēng)為大斷面隧道,而近年來(lái)實(shí)際工程中很多隧道斷面達(dá)到120～160 m2,有些三、四車(chē)道公路隧道甚至達(dá)到或超過(guò)200 m2[6，7]。隧道斷面的增大常造成拱頂不穩(wěn)定,圍巖產(chǎn)生較大的松弛地壓,在埋深作用不能發(fā)揮時(shí)產(chǎn)生很大的松弛壓力導(dǎo)致支護(hù)受載驟增,尤其對(duì)土質(zhì)不良、跨度大且扁平形狀的拱形支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)條件不利[8-10]。鄭西鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)位于黃土地區(qū),隧道斷面大、地層富水飽和、黃土遇水成泥、沉降變形大、易塌方、工程地質(zhì)復(fù)雜、工期要求緊,通過(guò)對(duì)三臺(tái)階七步開(kāi)挖在張茅隧道施工中的力學(xué)分析和施工工藝研究,實(shí)現(xiàn)了大跨隧道的快速施工,施工進(jìn)度達(dá)到70～75 m/月,而且降低了施工成本。

1 工程概況

1.1 工程背景

張茅隧道全長(zhǎng)8 483 m,是鄭西鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)最長(zhǎng)的隧道,也是重點(diǎn)控制性工程。隧道區(qū)主要巖性為Q2黏質(zhì)黃土,粗圓礫土,具弱～中膨脹性,屬Ⅳ級(jí)圍巖,含較豐富的孔隙潛水,隧道最大涌水量為18 990 m3/d。隧道按350 km/h客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)雙線(xiàn)隧道設(shè)計(jì),洞身襯砌為曲墻式復(fù)合襯砌,雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu),軌面至道床底面高度為57 cm。隧道最大開(kāi)挖跨度16 m、高14 m,最大開(kāi)挖面積達(dá)164 m2,屬于超大斷面隧道。

1.2 張茅隧道的工程特性

張茅隧道富水黃土段3 190 m,洞身位于地下水位線(xiàn)以下,黃土中含有豐富的孔隙水,滲透系數(shù)0.009～0.014 m/d,工程特點(diǎn)如下：(1)基底極易軟化,涌水量大；(2)洞身開(kāi)挖后自穩(wěn)能力較差；(3)隧道結(jié)構(gòu)易發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象；(4)開(kāi)挖面積與跨度大；(5)圍巖強(qiáng)度比較低。

2 張茅隧道三臺(tái)階七步法的施工力學(xué)分析

隧道上部覆土厚度30 m,為淺埋,模型約束條件：上表面自由,兩側(cè)為水平約束,縱向兩端為縱向水平約束,底面為垂直約束。力學(xué)計(jì)算采用有限差分巖土工程軟件Flac3D,將巖體進(jìn)行三維離散化,且按常應(yīng)力模式進(jìn)行計(jì)算,模型縱向長(zhǎng)為32 m,兩側(cè)離隧道開(kāi)挖邊界為75 m,底部邊界離隧道軌面75 m,共有88 080個(gè)單元,共有節(jié)點(diǎn)數(shù)92 127個(gè)。地層及支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。模型網(wǎng)格、開(kāi)挖臺(tái)階布置及支護(hù)效果圖如圖1所示。

表1 圍巖及支護(hù)材料物理力學(xué)參數(shù)

圖1 模型網(wǎng)格及開(kāi)挖臺(tái)階布置與支護(hù)

鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)張茅隧道三臺(tái)階七步法開(kāi)挖大斷面富水黃土隧道在國(guó)內(nèi)尚屬?lài)L試,之前缺乏成功經(jīng)驗(yàn)。為了掌握隧道施工過(guò)程圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)動(dòng)態(tài),對(duì)三臺(tái)階七步開(kāi)挖在張茅隧道的施工過(guò)程進(jìn)行力學(xué)模擬,以初期支護(hù)的主應(yīng)力、圍巖位移場(chǎng)、塑性區(qū)和掌子面位移數(shù)據(jù)分析施工的安全性和可靠性。

2.1 初期支護(hù)應(yīng)力分析

選取距離初始開(kāi)挖斷面8 m處作為研究斷面。計(jì)算主要以評(píng)價(jià)三臺(tái)階七步法施工條件下初期支護(hù)的工作情況,模擬集中在二次襯砌施工以前的過(guò)程。共分為9種工況,具體見(jiàn)表2。

表2 9種工況的描述

注：以下凡未經(jīng)說(shuō)明,出現(xiàn)工況皆以表中描述為準(zhǔn)；D為開(kāi)挖跨度。

限于篇幅,施工中重要關(guān)鍵步序的初支應(yīng)力圖如圖2所示。

圖2 初期支護(hù)主應(yīng)力分布云圖

由圖2可以看出：

(1)初期支護(hù)在施工過(guò)程中出現(xiàn)了應(yīng)力集中,拉應(yīng)力集中主要發(fā)生在拱腳和拱頂；壓應(yīng)力集中主要發(fā)生在拱頂和邊墻、墻腳。因此,這些地方為支護(hù)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),可能出現(xiàn)破壞截面。(2)隨著施工的推進(jìn),應(yīng)力一直在積累增加,同時(shí)發(fā)生最大(小)主應(yīng)力的位置在改變。最大主應(yīng)力集中由發(fā)生在拱腳變化為拱頂,即由下往上變化；最小主應(yīng)力集中發(fā)生的地方由拱頂?shù)竭厜υ俚綁δ_,即由上往下變化。(3)施工過(guò)程中,按等效方法考慮初支中鋼架作用,最大主應(yīng)力為4.92 MPa,最小主應(yīng)力為-24.04 MPa。

2.2 斷面位移場(chǎng)分布規(guī)律分析

隧道開(kāi)挖斷面位移場(chǎng)分布見(jiàn)圖3。

圖3 隧道開(kāi)挖斷面位移分布

由圖3可知：隧道周邊位移主要發(fā)生在拱頂和仰拱,最大值發(fā)生在仰拱中央。

2.3 圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律

隧道開(kāi)挖斷面位移場(chǎng)分布見(jiàn)圖4。

圖4 圍巖塑性區(qū)分布

由圖4分析可以看出：

(1)洞周?chē)鷰r塑性區(qū)在起始開(kāi)挖斷面呈現(xiàn)出蝶形,在拱腳和墻腳處的發(fā)展深度可達(dá)2 m左右,掌子面前方塑性區(qū)發(fā)展深度也在2 m左右。由于超前支護(hù)以及錨桿加固的作用,塑性區(qū)的發(fā)展深度不大,充分說(shuō)明超前支護(hù)以及錨桿加固起到很好的加固圍巖的作用。

(2)塑性區(qū)呈從上到下增大的趨勢(shì),拱部圍巖幾乎沒(méi)有塑性區(qū),仰拱處塑性區(qū)較深,這是由于沒(méi)有錨桿加固的原因造成的。

(3)隨著施工推進(jìn),研究斷面塑性區(qū)不斷擴(kuò)大。在隧道貫通時(shí),塑性區(qū)主要發(fā)生在研究斷面的仰拱處,最大4 m左右,邊墻以上幾乎沒(méi)有塑性區(qū)分布。

2.4 掌子面位移

掌子面水平位移大小反應(yīng)施工中圍巖的穩(wěn)定性和施工安全性。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 三臺(tái)階七步開(kāi)挖法朝前推進(jìn)不同深度時(shí)的掌子面位移

從圖5可以看出：(1)掌子面位移最大值發(fā)生在正面上臺(tái)階核心土處；(2)在掌子面推進(jìn)不同深度時(shí),掌子面最大位移變化不大,都在6 cm左右,平均掌子面位移為6.4 cm。

綜上對(duì)初支、圍巖塑性區(qū)和變形評(píng)價(jià)可知：張茅隧道開(kāi)挖采用三臺(tái)階七步法能有效地控制沉降變形,隧道施工中可以保證安全作業(yè),實(shí)現(xiàn)快速施工。

3 施工工藝研究及要點(diǎn)

3.1 張茅隧道三臺(tái)階七步開(kāi)挖法特點(diǎn)

大斷面隧道三臺(tái)階七步開(kāi)挖法是以弧形導(dǎo)坑開(kāi)挖留核心土為基本模式,分上、中、下3個(gè)臺(tái)階7個(gè)開(kāi)挖面,適用于開(kāi)挖斷面為100～180 m2,具備一定自穩(wěn)條件的Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖地段隧道的施工。三臺(tái)階七步開(kāi)挖法具有下列特點(diǎn)：(1)施工空間大,方便機(jī)械化施工,工效較高；(2)在地質(zhì)條件發(fā)生變化時(shí),便于靈活、及時(shí)地轉(zhuǎn)換施工工序,調(diào)整施工方法；(3)適應(yīng)不同跨度和多種斷面形式,初期支護(hù)工序操作便捷；(4)預(yù)留核心土,左右錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖,利于開(kāi)挖工作面穩(wěn)定；(5)可盡快調(diào)整閉合時(shí)間。

三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工步驟見(jiàn)圖6。

注：第1步,上部弧形導(dǎo)坑開(kāi)挖；第2、3步,左、右側(cè)中臺(tái)階開(kāi)挖；第4、5步,左、右側(cè)下臺(tái)階開(kāi)挖；第6步,上、中、下臺(tái)階預(yù)留核心土；第7步,隧底開(kāi)挖[2]。

3.2 施工工法注意事項(xiàng)

(1)應(yīng)將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)納入施工工序,及時(shí)調(diào)整各步臺(tái)階長(zhǎng)度或施工方法,采取相應(yīng)的技術(shù)措施,及早封閉成環(huán),保證施工安全；

(2)應(yīng)根據(jù)工程水文地質(zhì)條件,按設(shè)計(jì)要求做好超前支護(hù),防止圍巖松弛,保證隧道開(kāi)挖安全。在斷層、破碎帶、淺埋段等自穩(wěn)性較差或富水地層中,超前支護(hù)應(yīng)按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行加強(qiáng)。

(3)必須規(guī)范施工工藝、規(guī)范施工管理。臺(tái)階長(zhǎng)度：上臺(tái)階3～5 m,中、下臺(tái)階4～6 m；臺(tái)階高度：上臺(tái)階不小于寬度的0.3倍,中、下臺(tái)階平均分配；臺(tái)階錯(cuò)臺(tái)：2～3 m。

(4)上臺(tái)階進(jìn)尺不宜大于0.8～1.0 m；中、下層臺(tái)階進(jìn)尺不宜大于上臺(tái)階進(jìn)尺的2倍,即1.5 m左右；仰拱一次開(kāi)挖施做初支護(hù)的長(zhǎng)度不宜大于上臺(tái)階一次進(jìn)尺的3倍,即2～3 m。

(5)通過(guò)留核心土、開(kāi)挖面初噴3～5 cm混凝土、設(shè)置超前小導(dǎo)管技術(shù)有效控制掌子面的穩(wěn)定；通過(guò)設(shè)置大拱腳、鎖腳錨桿技術(shù)控制整體沉降。

(6)施工中仰拱必須及時(shí)封閉,封閉距離為30～35 m,封閉時(shí)間宜控制在15d左右。

(7)完善洞內(nèi)洞外施工防排水系統(tǒng),防止洞內(nèi)水漫流。

4 結(jié)論

結(jié)合超大斷面黃土隧道的圍巖地質(zhì)條件及富水黃土的工程特性,通過(guò)對(duì)三臺(tái)階七步開(kāi)挖在張茅隧道施工中施工過(guò)程力學(xué)分析和施工工藝的研究,提出了黃土隧道施工的新方法,并掌握了施工中的力學(xué)行為特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了大斷面黃土隧道快速施工,施工進(jìn)度達(dá)到70～75 m/月,降低了施工成本,在保障工期和安全施工上具備顯著的效益。

[1] 張英才,胡國(guó)偉,辛振省.大斷面黃土隧道開(kāi)挖工法對(duì)比分析與選擇[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2010(3)：87-92.

[2] 夏潤(rùn)禾,許前順.軟弱圍巖地質(zhì)大斷面鐵路隧道大拱腳臺(tái)階法施工工法[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2010(S1)：108-113．

[3] 龔成術(shù).淺談大斷面黃土隧道三臺(tái)階七步開(kāi)挖法[J].鐵道建筑技術(shù),2009(6)：71-74．

[4] 杜強(qiáng).淺埋富水黃土隧道快速施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2009(S1):73-75.

[5] 傅才芝.三臺(tái)階七步開(kāi)挖法在蘭渝鐵路白家坡隧道中的應(yīng)用 [J].甘肅水利水電技術(shù),2010(9):51-52．

[6] 陳立保. 三臺(tái)階法在客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)山嶺隧道軟弱圍巖中的推廣應(yīng)用[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2008(12)：72-74．

[7] 丁維利.大斷面黃土隧道二臺(tái)階四步開(kāi)挖施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2007(S1)：109-112.

[8] 趙勇,王樹(shù)強(qiáng),李本.鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)砂質(zhì)黃土大斷面隧道淺埋暗挖法施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2007(S1)：55-57.

[9] 唐斌,雷向鋒,劉旭全,竇忠孝.淺埋大斷面黃土隧道CRD法快速施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2007(S1)：58-60．

[10] 霍玉華,王曉州,孟飛彪.大斷面黃土隧道快速掘進(jìn)施工方法研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2007(S1)：122-126．