馬德林, 趙啟超

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

高地應(yīng)力條件下控制軟巖大變形隧道周邊位移的施工工法研究

馬德林, 趙啟超

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

文章基于新建蘭新第二雙線鐵路某隧道穿越高地應(yīng)力條件下的軟巖地段的工程實(shí)際，采用有限差分軟件FLAC3D對(duì)該隧道施工擬采用的三臺(tái)階法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法和三臺(tái)階七步法等三種工法進(jìn)行了動(dòng)態(tài)開(kāi)挖模擬。通過(guò)對(duì)各工法下隧道拱頂沉降和水平位移變化情況對(duì)比分析，結(jié)果表明在高地應(yīng)力下，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法能及時(shí)封閉成環(huán)，是最能控制軟巖大變形隧道周邊位移的施工工法。

高地應(yīng)力； 軟巖大變形隧道； 三臺(tái)階法； 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法； 三臺(tái)階七步法

近年來(lái)，隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)事業(yè)的高速發(fā)展和西部大開(kāi)發(fā)的進(jìn)一步推進(jìn)，我國(guó)的公路隧道工程、鐵路隧道工程和地下工程迅猛發(fā)展，大量長(zhǎng)大、深埋隧道工程紛紛上馬，對(duì)于圍巖大變形的合理預(yù)測(cè)和有效防治愈顯緊迫與重要[1-2]。而目前在圍巖大變形的預(yù)測(cè)及工程對(duì)策方面是研究的薄弱環(huán)節(jié)，其中，勘察設(shè)計(jì)便是非常重要的一環(huán)。因此，大斷面鐵路隧道穿越高地應(yīng)力條件下的軟巖地段時(shí)，合理的施工工法對(duì)隧道洞周的變形控制起著十分關(guān)鍵的作用[3]。本文基于新建蘭新第二雙線鐵路某隧道穿越高地應(yīng)力條件下的軟巖地段的工程實(shí)際，以控制軟巖大變形隧道周邊位移為目的，通過(guò)數(shù)值模擬的手段研究了不同的臺(tái)階法施工對(duì)隧道周邊變形的影響。

1 工程背景

該隧道地處中高山區(qū)，平均海拔3 600～4 200 m，最大埋深超過(guò)800 m，隧址區(qū)山高坡陡，基巖部分裸露，溝壑縱橫，進(jìn)出口兩端低而洞身部位高。區(qū)域主要分布奧陶系中統(tǒng)砂巖、灰?guī)r、板巖、二疊系砂巖等，斷層帶內(nèi)分布有斷層碎裂巖及斷層泥礫，巖體較為破碎，圍巖分級(jí)屬于Ⅴ級(jí)。實(shí)際開(kāi)挖掌子面揭示圍巖為博層狀黑色板巖，巖質(zhì)較軟，節(jié)理很發(fā)育，呈薄片狀壓碎結(jié)構(gòu)，巖層可見(jiàn)撓曲現(xiàn)象，巖體整體穩(wěn)定性差，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高。

2 工法選取和介紹

大斷面軟巖隧道施工中，傳統(tǒng)的施工方法有雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法、CRD法等，這些工法施工速度慢、功效低，存在一定的局限性，限制了大型施工機(jī)械的使用，基本靠人工開(kāi)挖；臨時(shí)支撐反復(fù)拆裝，成本投入大；各分部開(kāi)挖面循環(huán)銜接性差，相互干擾大，施工質(zhì)量得不到保證等。而目前國(guó)內(nèi)大斷面軟巖隧道施工中，往往會(huì)面臨以下問(wèn)題：對(duì)工期緊迫性的要求，需組織快速施工；工程水文地質(zhì)復(fù)雜，可變性大，須選擇一種能適應(yīng)地質(zhì)變化而迅速過(guò)渡的施工方法；能較大限度地發(fā)揮大型施工機(jī)械的優(yōu)勢(shì)，以求最佳的施工進(jìn)度；把長(zhǎng)期施工實(shí)踐所積累的作業(yè)習(xí)慣融合于施工方法中，做到高效，易掌握，達(dá)到快速形成施工能力等要求。因此，能保證施工安全的同時(shí)又能加快施工進(jìn)度的臺(tái)階法及其變式工法應(yīng)運(yùn)而生，并在隧道洞口段和軟弱圍巖段得到了廣泛的運(yùn)用[4-9]。

三臺(tái)階法是將隧道分為三部分開(kāi)挖，施工時(shí)先開(kāi)挖上臺(tái)階，待開(kāi)挖到一定長(zhǎng)度后再開(kāi)挖中臺(tái)階和下臺(tái)階，形成上、中、下三臺(tái)階同時(shí)并進(jìn)的施工方法；三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法是在三臺(tái)階開(kāi)挖的基礎(chǔ)上，當(dāng)上中臺(tái)階開(kāi)挖完成后，施做洞周初支，并在臺(tái)階底部澆筑混凝土，形成臨時(shí)仰拱，使其及時(shí)封閉成環(huán)，一段時(shí)間后再拆除的施工工藝；而三臺(tái)階七步開(kāi)挖法，是以弧形導(dǎo)坑開(kāi)挖預(yù)留核心土為基本模式，分上、中、下三個(gè)臺(tái)階七個(gè)開(kāi)挖面，各部位的開(kāi)挖與支護(hù)沿隧道縱向錯(cuò)開(kāi)、平行推進(jìn)的施工工法[10]。

3 數(shù)值模擬分析與對(duì)比

3.1 模型描述

采用三維地層結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算斷面開(kāi)挖高度12.8 m，開(kāi)挖跨度15.5 m，取模型豎向長(zhǎng)度60 m，在模型頂面施加初始應(yīng)力來(lái)模擬上覆圍巖壓力。計(jì)算中圍巖采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，噴射混凝土、錨桿、型鋼支撐等支護(hù)結(jié)構(gòu)按線彈性材料計(jì)算。計(jì)算模型取寬140 m，隧道縱向48 m，計(jì)算模型四個(gè)側(cè)面限制沿該面法線方向的水平位移，底部限制豎向方向的位移，頂部邊界為自由面。

模擬計(jì)算段為Ⅴ級(jí)圍巖，模擬計(jì)算時(shí)假設(shè)圍巖為單一、均質(zhì)的連續(xù)介質(zhì)，其物理力學(xué)性質(zhì)根據(jù)工程地質(zhì)資料并參考規(guī)范來(lái)取值。超前預(yù)支護(hù)的加固效果，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通過(guò)提高圍巖的物理力學(xué)參數(shù)來(lái)模擬，一般將圍巖級(jí)別提高一級(jí)。同樣，錨桿的作用效果也通過(guò)提高圍巖參數(shù)的方法進(jìn)行等效模擬。鋼拱架的作用也采用等效方法予以考慮，即將鋼拱架彈性模量折算給初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)：

(1)

式中：E為折算后的支護(hù)彈性模量；E0為支護(hù)噴射混凝土彈性模量；Eg為工字鋼彈性模量；Sg為鋼拱架橫截面積；Sc為支護(hù)噴射混凝土橫截面積。

計(jì)算不考慮鋼筋網(wǎng)的作用效果，以作為結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。本次計(jì)算圍巖及支護(hù)參數(shù)的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

3.2 工法模擬

本文使用巖土工程領(lǐng)域常用的有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行建模分析，三種工法的計(jì)算模型施工示意圖分別見(jiàn)圖1～圖3。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，分析三種工法所引起的隧道拱頂沉降和水平位移大小隨施工步的變化，選取了一個(gè)目標(biāo)斷面，將該斷面的隧道周邊變形隨施工步序的變化情況繪制于圖4中(以三臺(tái)階臨仰拱法為例)。

對(duì)三種工法模擬情況下的洞周位移結(jié)果進(jìn)行匯總，其對(duì)比分析如表2所示。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比三種工法情況下隧道洞周位移收斂值可以得到以下結(jié)論：

(1)在控制高地應(yīng)力條件下的隧道拱頂沉降方面，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法拱頂沉降值僅為三臺(tái)階法的46.68 %，為三臺(tái)階七步開(kāi)挖法的53.70 %，而三臺(tái)階七步開(kāi)挖法拱頂沉降值為三臺(tái)階法的86.92 %。即三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于三臺(tái)階法和三臺(tái)階七步開(kāi)挖法，同時(shí)，三臺(tái)階七步開(kāi)挖法又優(yōu)于三臺(tái)階法。

(2)在控制高地應(yīng)力條件下的隧道邊墻水平收斂方面，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法邊墻水平收斂值僅為三臺(tái)階法的43.56 %， 為三臺(tái)階七步開(kāi)挖法的43.22%，而三臺(tái)階法邊墻水平收斂值為三臺(tái)階七步開(kāi)挖法的99.23%。即在控制邊墻水平收斂方面，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于三臺(tái)階法和三臺(tái)階七步開(kāi)挖法，同時(shí)，三臺(tái)階法又優(yōu)于三臺(tái)階七步開(kāi)挖法。

(3)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，選擇三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法是最能控制軟巖大變形隧道周邊位移的臺(tái)階工法，在設(shè)計(jì)類似工程的隧道時(shí)可以予以合理考慮。

[1] 劉文憲. 深入實(shí)施西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略，進(jìn)一步加強(qiáng)西部鐵路發(fā)展[J]. 鐵道經(jīng)濟(jì)研究,2011(2):26-28.

[2] 霍潤(rùn)科,劉漢東. 隧道與地下工程[M]. 北京： 中國(guó)建筑出版社,2011.

[3] 關(guān)寶樹(shù),趙勇. 軟弱圍巖隧道施工技術(shù)[M]. 北京: 人民交通出版社,2011.

[4] H.H.Einstein. First Principles of NATM[J]. World Tunnels, 1995(10):197-198.

[5] 卞國(guó)忠. 淺談隧道圍巖大變形的判據(jù)及處理措施[J]. 科學(xué)技術(shù)通訊, 1998(2):15-17.

[6] Heinz Duddeck. On Methods for Tunnels in Soft Soil[J]. Underground Space, 1985(9).

[7] 劉建友. 隧道圍巖變形的尺寸效應(yīng)研究[J]. 巖土力學(xué),2013(8):2165-2173.

[8] 李永林,馮學(xué)鋼，姜云,等. 隧道工程圍巖大變形及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù),2005,42(5): 46-51.

[9] 汪洋. 山嶺隧道軟巖大變形機(jī)理及災(zāi)害預(yù)測(cè)和治理研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué),2009.

[10] 陳建鋒. 三臺(tái)階法在軟弱圍巖隧道開(kāi)挖施工中的應(yīng)用探討[J]. 中國(guó)西部科技,2010(26): 16-17.

馬德林(1990～)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樯綆X隧道工程。

U456.3+3

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[定稿日期]2017-03-16