曾鵬，肖粵秀，王薇，楊新安

（1.中鐵五局四公司，廣東韶關(guān)512031；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

滬昆高鐵壁板坡隧道大跨斷面施工力學特性

曾鵬1，肖粵秀2，王薇2，楊新安2

（1.中鐵五局四公司，廣東韶關(guān)512031；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

以滬昆高鐵壁板坡特長隧道合分修段大跨斷面為工程背景，應(yīng)用MIDAS/GTS建立不同尺寸大跨斷面以及高速鐵路普通雙線隧道斷面的二維計算模型，對施工過程中圍巖及支護結(jié)構(gòu)力學特性進行了研究，并對比分析初支混凝土軸向應(yīng)力計算值與實測值。結(jié)果表明:右上臺階施工是大跨斷面采用中隔壁法開挖時決定隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要工序，斷面尺寸是影響大跨斷面圍巖變形的主要因素，分步開挖、及時施作仰拱能有效改善大跨斷面墻腳處應(yīng)力集中、優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力，保證圍巖與支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

高速鐵路隧道；大跨斷面；合分修；力學特性；數(shù)值計算

合分修是目前在復(fù)雜地質(zhì)條件下修建公路、鐵路隧道的一種新的設(shè)計形式，它由大跨隧道、連拱隧道逐漸過渡到上、下行分離的雙洞隧道。滬昆高鐵壁板坡隧道采用“進口合俢、出口分修”的設(shè)計方案，其合分修段中大跨斷面最大跨度達到24.84 m，高度達到16.03 m，開挖面積高達338.61 m2，是三、四車道公路隧道的2～3倍，可見高鐵隧道合分修段大跨斷面跨度更大、高跨比更小、開挖面積更大，屬于超大斷面。

大跨斷面施工過程中受力較為復(fù)雜，加上施工期間諸多工序的相互影響、圍巖的多次擾動、支護結(jié)構(gòu)相互之間的非同步施工等諸多因素，圍巖及支護結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜［1-2］。目前，對于大跨斷面隧道國內(nèi)尚未形成統(tǒng)一的設(shè)計與施工標準，研究對象以三、四車道公路隧道［3-7］以及地鐵區(qū)間與車站大跨斷面隧道［8］為主，主要探究大跨斷面圍巖壓力、結(jié)構(gòu)內(nèi)力與跨度的關(guān)系以及對施工方法、支護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化［9］。對于高速鐵路隧道大跨斷面的研究較少。本文對滬昆高鐵壁板坡隧道合分修段大跨斷面施工過程中圍巖及支護結(jié)構(gòu)施工力學特征進行研究，以期為高鐵隧道大跨斷面隧道施工提供參考。

1　工程概況

壁板坡特長隧道合分修段，起訖里程為D1K978 +580—D1K979+020，全長440 m，沿隧道軸線方向依次劃分為D，C，B，A 4種斷面，相鄰斷面之間采用臺階形式過渡，斷面示意如圖1。合分修段中各大跨斷面情況見表1，合分修段所在巖層為P1m弱風化灰?guī)r，圍巖等級為Ⅲ級。支護參數(shù)見表2。

圖1　壁板坡隧道合分修段大跨斷面示意（單位：m）

表1　壁板坡隧道合分修段斷面情況

2　大跨斷面數(shù)值模擬分析

為了全面、客觀地反映合分修段大跨斷面施工過程中圍巖位移和應(yīng)力變化、支護結(jié)構(gòu)的受力特征以及大跨斷面與普通斷面的差異，應(yīng)用MIDAS/GTS計算程序建立二維平面應(yīng)變模型，對壁板坡隧道合分修段中A，B，C，D 4種大跨斷面以及高速鐵路普通雙線隧道斷面（以下簡稱為O斷面）的施工過程進行模擬分析。

2.1計算模型的建立

假設(shè)巖體為理想彈塑性材料，服從摩爾庫倫屈服準則，采用實體單元模擬，初期支護為理想彈性材料，采用梁單元模擬初期支護、采用桁架單元模擬錨桿。模型上邊界定為自由邊界，僅施加與埋深相對應(yīng)的豎向均布荷載以模擬地層豎向應(yīng)力，模型兩側(cè)及底部采用位移約束。O，C，D斷面尺寸為150 m×150 m，A，B斷面尺寸為280 m×180 m。

根據(jù)地質(zhì)勘測資料與《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》［10］中Ⅲ級圍巖的物理力學指標、工程經(jīng)驗確定圍巖與支護結(jié)構(gòu)的計算參數(shù)，見表3。

表2　壁板坡隧道合分修大跨段支護參數(shù)

表3　材料的物理力學參數(shù)

2.2計算結(jié)果與分析

2.2.1典型大跨斷面圍巖位移、應(yīng)力分布規(guī)律

壁板坡隧道合分修段中A斷面跨度為24.84 m，高度為16.03 m，采用中隔壁法施工。通過分析其圍巖位移、應(yīng)力分布規(guī)律，初步了解大跨斷面施工力學特性。

1）圍巖位移

A斷面關(guān)鍵點（圖2）水平、垂直位移隨施工過程變化曲線見圖3。其中正值表示水平向右，垂直向上。

由圖3（a）可知，左、右兩側(cè)上臺階施工過程中，左1、右1處圍巖發(fā)生水平向外的擠出變形，隨著后續(xù)工序的進行，逐漸向隧道內(nèi)收斂，最終水平位移為3.7，2.7 mm。左2、右2與左3、右3處圍巖的水平位移也有相同的變化規(guī)律，其中左3和右3即左、右墻腳處水平向外的擠出變形最大。由于開挖臺階高跨比小，在深埋豎向壓力作用下拱頂下沉、臨時底板隆起，臨時墻腳則發(fā)生向隧道外的擠出變形。

圖2　A斷面關(guān)鍵點示意

圖3　A斷面關(guān)鍵點位移隨施工過程變化曲線

由圖3（b）可知，垂直位移遠遠大于水平位移，尤其是拱頂與底板處。隧道施工完成時，拱頂下沉32.6 mm，底板隆起28.6 mm。其中，右側(cè)上臺階施工過程中拱頂下沉與底板隆起量分別占最終值的64%，52%。這說明右側(cè)上臺階的施工是整個斷面開挖過程中的重要環(huán)節(jié)，若能有效控制該環(huán)節(jié)圍巖垂直方向的變形，則能有效降低最終的圍巖變形。

2）圍巖應(yīng)力

A斷面施工完成后水平拉應(yīng)力主要集中于拱頂和底板，極值點位于底板中心，為0.53 MPa；水平壓應(yīng)力主要集中于兩側(cè)拱腳及墻腳處，極值點位于左側(cè)墻腳，為15.24 MPa；垂直拉應(yīng)力主要集中于拱頂和底板區(qū)域，極值點位于底板，靠近墻腳，為0.37 MPa；垂直壓應(yīng)力集中于左右兩側(cè)拱腳、邊墻、墻腳處，極值點位于墻腳，為40.54 MPa。

2.2.2不同形式斷面施工力學特性對比分析

1）圍巖位移

不同斷面開挖、支護完成后水平與垂直位移極值見表4。由表4可知：①普通斷面與大跨斷面左、右邊墻水平位移存在顯著差異，普通斷面左右邊墻向隧道內(nèi)收斂變形，而大跨斷面均向隧道外擠出變形，且前者的水平位移絕對值大于后者。②隨著大跨斷面尺寸的增大，左、右邊墻水平位移極值、拱頂下沉與底板隆起極值均逐漸增大。A斷面拱頂下沉量和底板隆起量約為D斷面的2倍，說明隧道斷面尺寸才是拱頂下沉量與底板隆起量的主要影響因素，開挖方法是次要影響因素。O斷面拱頂下沉量與底板隆起量數(shù)值相當，約為13 mm，小于大跨斷面。

表4　不同形式斷面水平與垂直位移極值mm

2）圍巖應(yīng)力

B，C，D大跨斷面的應(yīng)力分布規(guī)律與A斷面基本一致，數(shù)值上存在差異。不同形式斷面開挖支護完成后，圍巖水平和垂直應(yīng)力極值見表5。

表5　大跨斷面圍巖水平、垂直應(yīng)力極值MPa

由表5可知：隨著大跨隧道斷面尺寸的增大、開挖方式的變化，水平、垂直拉應(yīng)力的極值點始終位于隧道底板處且數(shù)值變化不大，水平拉應(yīng)力約1.2 MPa，垂直拉應(yīng)力約0.4 MPa；水平、垂直壓應(yīng)力極值點均位于墻腳，其變化規(guī)律不甚明顯，O，D型斷面均采用兩臺階法開挖，而O斷面墻腳處水平、垂直壓應(yīng)力極值均大于D斷面；C斷面雖采用三臺階法開挖，但由于斷面尺寸大于D斷面，其墻腳處水平、垂直壓應(yīng)力極值明顯大于D斷面；A，B斷面采用中隔壁施工，雖然其斷面尺寸大于C斷面，但墻腳最終水平壓應(yīng)力極值均小于C斷面，垂直壓應(yīng)力極值略大于C斷面。

3　模擬計算值與實測值的對比

提取壁板坡隧道合分修段A斷面仰拱施工前、后對應(yīng)測點初支混凝土軸向應(yīng)力計算值，與實測值進行對比，見圖4。圖中數(shù)值均表示壓應(yīng)力。

圖4　A斷面初支混凝土軸向應(yīng)力實測值與計算值對比（單位：MPa）

由圖4可知：仰拱施工前后初支混凝土均受壓，實測值與計算值的分布規(guī)律基本一致；右側(cè)初支混凝土軸向壓應(yīng)力分布不均，由拱部至拱腳初支混凝土軸向應(yīng)力逐漸增大，沿邊墻逐漸減小，極大值點位于拱墻交界處；總體上初支混凝土軸向應(yīng)力的實測值略大于計算值。

對比圖4（a）和圖4（b）可知，在實際工程中和模型計算中仰拱施工對初支混凝土受力狀態(tài)的影響存在差異。仰拱施工后，右側(cè)初支混凝土軸向應(yīng)力實測值整體呈增長趨勢，尤其是中臺階D測點，由15.30 MPa增長至19.02 MPa。右側(cè)上臺階初支混凝土軸向應(yīng)力計算值略有增長，且增長幅度遠小于實測值；中、下臺階初支混凝土軸向應(yīng)力計算值減小，與實測值的增長存在明顯差異，尤其是邊墻F點，由13.81 MPa減小至5.29 MPa。這是因為數(shù)值計算中仰拱施工后初支混凝土閉合成環(huán)，有助于調(diào)整初支混凝土中的應(yīng)力分布，減少邊墻處初支混凝土軸向應(yīng)力；實際工程中，仰拱施工遠遠落后于上臺階開挖，仰拱開挖支護時上部圍巖應(yīng)力釋放已基本穩(wěn)定，對初支混凝土應(yīng)力分布的影響小。實際工程中應(yīng)按要求及時施作仰拱封閉成環(huán)，改善墻腳處圍巖受力集中情況。

4　結(jié)論

1）與高速鐵路隧道普通雙線斷面施工后左、右邊墻向隧道內(nèi)收斂變形不同，壁板坡隧道合分修段大跨斷面開挖后左、右邊墻向隧道外擠出變形，其拱頂下沉量和底板隆起量大于前者，且隨斷面尺寸的增大而增大，說明斷面尺寸是影響圍巖變形的主要因素。

2）大跨斷面采用中隔壁法開挖時，右上臺階施工過程中拱頂下沉與底板隆起量分別占最終值的64%，52%，說明右上臺階的施工是控制拱頂下沉、底板隆起的關(guān)鍵，是決定隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要工序。

3）不同尺寸大跨斷面施工后圍巖的水平、垂直壓力分布規(guī)律基本相同；隨著斷面尺寸的增大，拉應(yīng)力極值變化不大，垂直壓應(yīng)力極值逐漸增大；采用分步開挖、及時施作仰拱封閉成環(huán)能有效緩解大跨斷面墻腳壓應(yīng)力集中，并優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力，保證圍巖與支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

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（責任審編葛全紅）

Mechanical Characteristics on Construction of Bibanpo Large Profile Tunnel on Shanghai－Kunming High Speed Railway

ZENG Peng1，XIAO Yuexiu2，WANG Wei2，YANG Xinan2
（1.The Fourth Engineering Corporation of China Railway No.5 Engineering Group，Shaoguan Guangdong 512031；2.The Key Laboratory of Road and Traffic Engineering，Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China）

T akingthelargeprofileconstructionofforkedpartintheBibanpoextra-longtunnelon Shanghai-Kunming high speed railway as the engineering background，2D numerical calculation model of tunnel sections with different large profile in common double lines of high speed railway was built to study the mechanical properties of surrounding rocks and supporting structures during the construction process and compare the calculated and measured values of initial supporting concrete axial stress by using M IDAS/GT S.T he results show that the construction of right-upper bench is a decisive process for tunnel structure stability with large profile by CD excavation method，the section size is the main factor that affects the surrounding rock deformation of large profile tunnel，excavation by steps and inverted arch construction in time could improve the stress concentration at the wall foot of large profile，optimize the structure stress and ensure the stability of surrounding rock and supporting structure.

High speed railway tunnel；Large profile；Forked part；M echanical properties；Numerical calculation

U455.4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.15

1003-1995（2016）10-0055-04

2016-08-23；

2016-09-20

曾鵬（1978—），男，工程師。