張東輝

（中鐵十九局集團(tuán)第一工程有限公司，河北承德 067300）

隧道工程

淺埋偏壓軟弱圍巖高鐵隧道施工技術(shù)

張東輝

（中鐵十九局集團(tuán)第一工程有限公司，河北承德 067300）

淺埋偏壓軟弱圍巖隧道工程施工中，由于圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差，在隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中很容易出現(xiàn)塌方現(xiàn)象。需要對(duì)淺埋偏壓隧道工程施工工藝進(jìn)行分析，以確保開(kāi)挖施工安全和隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。主要以某工程實(shí)例為背景，建立隧道開(kāi)挖施工有限元模型，介紹了隧道施工工藝對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

淺埋偏壓；隧道工程；穩(wěn)定性；有限元模型

1 淺埋偏壓軟弱圍巖高鐵隧道施工常見(jiàn)問(wèn)題

1.1 地面斷裂、塌方問(wèn)題

對(duì)于淺埋偏壓軟弱圍巖地質(zhì)來(lái)說(shuō)，其承載能力有限，較正常地質(zhì)偏弱，若加固措施不當(dāng)施工期間很容易發(fā)生地層斷裂、塌方等問(wèn)題。而地面斷裂、塌方問(wèn)題對(duì)于工程施工質(zhì)量與進(jìn)度都是致命影響，因采取有效措施進(jìn)行規(guī)避。

1.2 淺埋偏壓?jiǎn)栴}

處于淺埋和偏壓段的軟弱圍巖在施工過(guò)程中發(fā)生偏壓的主要原因有地質(zhì)條件原因和施工作業(yè)不對(duì)稱兩方面，其中又以前者為主。地質(zhì)水平度較差或者軟弱巖層覆蓋厚度不均勻時(shí)易導(dǎo)致隧道圍巖偏壓?jiǎn)栴}。

1.3 施工作業(yè)困難

淺埋偏壓軟弱圍巖區(qū)作業(yè)環(huán)境差，在進(jìn)行高鐵隧道施工時(shí)無(wú)論是挖掘、支護(hù)還是運(yùn)輸都比較困難。

2 導(dǎo)致淺埋偏壓?jiǎn)栴}的原因分析

2.1 地質(zhì)原因

軟弱圍巖是產(chǎn)生偏壓?jiǎn)栴}的常見(jiàn)不良地質(zhì)，施工過(guò)程會(huì)對(duì)高鐵隧道四周圍巖、地層造成擾動(dòng)，由于其狀態(tài)比較軟弱、疏松且自穩(wěn)定能力極差，容易形成傾斜狀態(tài)，并在重力等作用下不斷發(fā)展，導(dǎo)致軟弱圍巖體順勢(shì)滑動(dòng)，造成隧道偏壓?jiǎn)栴}。

2.2 地形原因

隧道工程多分布在山區(qū)，而山區(qū)地勢(shì)的傾斜度比平原地區(qū)大，從而圍巖的側(cè)向壓力較明顯，同時(shí)，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)中不同圍巖層中對(duì)隧道的作用，導(dǎo)致隧道分布深度越大，則隧道圍巖出現(xiàn)偏壓的現(xiàn)象越明顯。

2.3 施工技術(shù)原因

隧道施工工藝對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有一定影響，若開(kāi)挖施工工藝不當(dāng)，可能會(huì)造成隧道開(kāi)挖斷面出現(xiàn)塌方，或者圍巖變形，降低隧道圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，出現(xiàn)局部受力較大現(xiàn)象，從而引起隧道偏壓現(xiàn)象。

3 工程概況

3.1 建立有限元模型

（1）模型網(wǎng)格劃分

根據(jù)隧道設(shè)計(jì)斷面尺寸，利用flac 3D有限元軟件建立有限元模型，隧道最大埋深為40 m，隧道坡度為1.75，模型邊界尺寸為上下130 m，左右170 m，進(jìn)深設(shè)計(jì)為5 m，模型采用淺埋偏壓隧道CRD開(kāi)挖，其有限元模型如圖1所示。

圖1 隧道有限元模型

圖2 隧道開(kāi)挖順序

（2）隧道參數(shù)

根據(jù)隧道工程地質(zhì)勘查資料顯示，圍巖等級(jí)Ⅴ，圍巖密度21 kN／m3，圍巖彈性模量為1.7 GPa，圍巖的剪切模量為0.64 GPa，內(nèi)聚力為90 kPa，內(nèi)摩擦角26°，圍巖的抗拉強(qiáng)度為50 kPa，圍巖受力狀況服從摩爾-庫(kù)倫基本原則，且圍巖自重形成初始地應(yīng)力場(chǎng)。

隧道開(kāi)挖施工中采用的錨桿彈性模量為40 GPa，錨桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為4.5 m，錨桿直徑為25 mm，錨桿注漿加固圍巖的范圍直徑為250 mm，圍巖加固范圍內(nèi)法向剛度為15 MPa，粘聚力為2 MPa。隧道初期支護(hù)工藝中，臨時(shí)支撐厚度30 cm，混凝土彈性模量9 GPa，噴射混凝土厚度為25 cm，其混凝土彈性模量為9 GPa，密度為2 500 kg／m3。

（3）隧道開(kāi)挖順序

隧道工程開(kāi)挖及支護(hù)的順序如下：

工況1：開(kāi)挖隧道1部分，同時(shí)開(kāi)展2、3部分的初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；

工況2：開(kāi)挖隧道2部分，同時(shí)開(kāi)展4部分的初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；

工況3：開(kāi)挖隧道3部分，同時(shí)開(kāi)展4部分的初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；

工況4：開(kāi)挖隧道4部分，同時(shí)開(kāi)展初期支護(hù)圍巖及仰拱施工；

工況5：對(duì)臨時(shí)支撐進(jìn)行拆除。

3.2 隧道分析結(jié)果

在隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中，各工況施工過(guò)程中，圍巖的塑性區(qū)的分布狀況如下圖所示，從圖中可以得出，拱腰和墻腳部位的圍巖呈塑性狀態(tài)，在工況2拱部開(kāi)挖施工結(jié)束后，形成塑性區(qū)，在工況3施工過(guò)程中，塑性區(qū)未發(fā)生變化，而在工況4施工過(guò)程中，拱腰部分的塑性區(qū)與地表相互貫通，在工況5拆除臨時(shí)施工過(guò)程中，造成圍巖塑性區(qū)增大變化。

圖3 隧道各工況施工過(guò)程中圍巖塑性區(qū)狀態(tài)

由隧道開(kāi)挖施工過(guò)程可知，隧道埋深較大的一側(cè)拱腰圍巖部位出現(xiàn)較大程度的剪切破壞，且圍巖塑性區(qū)域在隧道工況2和工況4施工過(guò)程中出現(xiàn)了較大程度的擴(kuò)大，可以采用改善開(kāi)挖施工順序，改善圍巖應(yīng)力路徑的傳遞，從而較大程度上改善塑性區(qū)的分布范圍。

在隧道工況4施工中，拱腰圍巖塑性區(qū)向剪切破壞區(qū)開(kāi)展，可以改善施工工藝，例如推遲拆除臨時(shí)支撐的時(shí)間，避免塑性區(qū)與坡面相互貫通，克服剪切破壞狀態(tài)向屈服破壞狀態(tài)的改變。

圖4 位移曲線

從圖4隧道圍巖位移曲線可以得出，在隧道工況1施工過(guò)程中對(duì)地表和拱頂部位造成的沉降最為明顯，且工況5施工過(guò)程也對(duì)拱頂沉降造成一定的影響，但是工況5施工對(duì)地表沉降值較小，可判斷出開(kāi)挖過(guò)程中的臨時(shí)支撐對(duì)圍巖的穩(wěn)定性具有一定的影響，可控制圍巖沉降。而工況施工過(guò)程對(duì)圍巖水平收斂產(chǎn)生一定影響，工況5對(duì)圍巖水平收斂的影響較弱，可得出隧道施工中的封閉成環(huán)比臨時(shí)支撐更對(duì)圍巖的水平收斂效果明顯。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)淺埋偏壓軟弱圍巖隧道CRD施工技術(shù)的分析，借助有限元分析模型，分析了隧道施工各階段中圍巖的受力特點(diǎn)，并得出如下結(jié)論：圍巖的豎向位移受臨時(shí)支撐的影響，為減小豎向位移，可推遲拆除臨時(shí)支撐的時(shí)間；封閉成環(huán)可控制水平收斂，需及時(shí)封閉成環(huán)，確保隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

［1］ 吳文龍.復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下隧道施工技術(shù)分析［J］.門窗，2016，（8）.

［2］ 田辰光.高原高寒地區(qū)隧道施工技術(shù)研究［J］.黑龍江交通科技，2016，（8）.

［3］ 張恩軍.論隧道施工技術(shù)［J］.黑龍江交通科技，2013，（7）.

Discussion on construction technology of high speed railway tunnelw ith shallow buried and unsymmetrical pressure

DONG Hui
（China Railway nineteen Bureau Group First Engineering Co.，Ltd.Chengde Hebei067300，China）

Due to the poor stability of surrounding rock structure，the collapse phenomenon is easily occurred during the construction of shallow buried and unsymmetrical pressure tunnelwith weak surrounding rock.In order to ensure the safety of excavation construction and the stability of tunnel structure，the construction technology of shallow buried and unsymmetrical pressure tunnel is analyzed.In this paper，based on the background ofa project，the construction of the finite elementmodel of the tunnelexcavation is established，and the influence of the tunnel construction technology on the stability of surrounding rock structure is introduced.

Shallow buried bias；tunnel engineering；stability；finite elementmodel

U455.4

C

1008-3383（2017）01-0122-02

2016-10-17

張東輝（1986-），男，助理工程師，從事技術(shù)管理工作。