張乃樂(lè) 趙林軍 孟哲瑋 吳 超

(1.懷邵衡鐵路有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410003； 2.中鐵五局集團(tuán)第四工程有限公司，廣東 韶關(guān) 512031； 3.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

1 概述

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)不斷發(fā)展，大量鐵路以隧道的形式穿山越嶺。鐵路隧道施工不可避免的會(huì)遇到巖溶等不良地質(zhì)區(qū)域，而巖溶隧道的施工極易出現(xiàn)圍巖變形失穩(wěn)破壞，產(chǎn)生塌方、涌泥涌砂等施工風(fēng)險(xiǎn)。在這種情況下，往往需要對(duì)高壓富水溶腔進(jìn)行處理，保證隧道正常施工。采用釋能降壓洞，可以直接揭示溶腔，釋放溶腔內(nèi)泥水勢(shì)能，從而達(dá)到排水、排泥、排石的目的，解決高壓富水溶腔的問(wèn)題。

趙夢(mèng)晨等[1]結(jié)合云霧山隧道，提出采用釋能降壓工法釋放溶腔所存儲(chǔ)的能量，大大減小了施工風(fēng)險(xiǎn)。王建望[2]研究了釋能降壓施工技術(shù)，對(duì)溶洞溶腔采取爆破直接揭示，達(dá)到了降低水壓、排除突泥突水風(fēng)險(xiǎn)的效果。張玉龍[3]依托坡桑隧道，采取釋能降壓處治高壓富水溶腔，通過(guò)溶腔查找、近溶腔、定溶腔范圍、開溶腔、治溶腔等幾個(gè)階段，有效解決高壓富水溶腔問(wèn)題。另外，其他國(guó)內(nèi)學(xué)者[4,5]分別以野三關(guān)隧道、馬鹿箐隧道、大支坪隧道為對(duì)象，研究了降壓釋能洞的施工技術(shù)，為降壓釋能洞施工方案的制定提供了參考。

本文基于懷邵衡鐵路某巖溶隧道釋能降壓洞的環(huán)境和地質(zhì)條件，提出采用全斷面法開挖，并采用彈塑性有限單元法對(duì)施工全過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，為施工設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 工程概況

懷邵衡鐵路某隧道全長(zhǎng)3 866 m，最大埋深167 m，為雙線單洞隧道，起訖里程DK112+920～DK116+786。施工過(guò)程中，出口段DK115+547掌子面發(fā)現(xiàn)潰口，出現(xiàn)巖溶涌泥涌砂。為降低溶腔泥水釋能，保證隧道的正常施工，在掌子面右側(cè)設(shè)置釋能降壓洞。

該隧道出口降壓釋能洞洞室與正洞交點(diǎn)里程為DK115+610，DK115+547連接正洞溶腔，長(zhǎng)68 m。洞室平行線路與正洞結(jié)構(gòu)交角45°，與正洞結(jié)構(gòu)凈距15 m，以11.9%坡度爬升至正洞結(jié)構(gòu)右上側(cè)。降壓釋能洞開口寬7.5 m，高6 m，正洞寬5 m，高6 m。

3 施工方案

隧道降壓釋能洞前方存在充填型溶洞，施工方法選擇、處理不當(dāng)容易造成塌方、大變形等施工風(fēng)險(xiǎn)。因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際圍巖動(dòng)態(tài)調(diào)整施工方案和支護(hù)方案，施工中做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)、有組織運(yùn)輸與施工安排，最大限度的減少對(duì)土體的擾動(dòng)，充分利用圍巖自身的穩(wěn)定性，是安全快速開挖降壓釋能洞的關(guān)鍵。

降壓釋能洞平面布置示意圖如圖1所示。

3.1 開挖方法

釋能降壓洞開挖采用全斷面法，降壓釋能洞施工工藝流程圖如圖2所示。

3.2 支護(hù)參數(shù)

降壓釋能洞采用Ⅴ級(jí)圍巖噴錨支護(hù)，參數(shù)詳見表1。

3.3 進(jìn)洞方案

釋能降壓洞開口與正洞線左往小里程成45°角，寬7.5 m，高6 m，過(guò)渡段長(zhǎng)5 m。

開口尺寸先用紅油漆標(biāo)記，再對(duì)已施作完的初支段落采用切割方式開口，對(duì)開口處的正洞初支采用鎖腳加強(qiáng)，每榀采用3根長(zhǎng)4.5 m φ45鎖腳鋼管。全斷面開挖，開口5 m范圍內(nèi)采用Ⅰ16工字鋼支護(hù)，間距為1 m。

3.4 正洞施工

釋能降壓洞全段實(shí)施超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，施工過(guò)程中嚴(yán)格遵循“先探測(cè)后開挖”的原則，當(dāng)接近溶腔時(shí)應(yīng)通過(guò)鉆探對(duì)溶腔進(jìn)行區(qū)域鎖定，預(yù)留3 m巖柱。當(dāng)確定掌子面前方預(yù)留3 m巖柱后，開挖爆破導(dǎo)坑上臺(tái)階，對(duì)溶腔進(jìn)行揭示，對(duì)溶腔內(nèi)聚積的水和填充物進(jìn)行釋放，消除能量。施工過(guò)程中根據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論，開展動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)施工。

3.5 監(jiān)控量測(cè)

監(jiān)控量測(cè)斷面間距：Ⅲ級(jí)圍巖30 m，Ⅳ級(jí)圍巖10 m，Ⅴ級(jí)圍巖5 m。監(jiān)控量測(cè)斷面布設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置：拱頂、雙側(cè)拱腰。量測(cè)點(diǎn)盡量靠近掌子面埋設(shè)(≤2 m)，在隧道開挖后12 h內(nèi)完成。埋設(shè)方法采用直徑φ22螺紋鋼筋，用早強(qiáng)錨固劑固定，伸入巖體250 mm～300 mm，粘貼反射貼片與全站儀激光束基本正交。測(cè)點(diǎn)應(yīng)埋設(shè)牢靠，作好標(biāo)志，易于識(shí)別，并派專人保護(hù)，嚴(yán)防爆破損壞。

3.6 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

每排炮設(shè)4個(gè)加深炮孔，布置拱頂、左右側(cè)拱腰、底板中線上1 m，并以30°～40°外插角實(shí)施，以預(yù)測(cè)掌子面前方地層和地下水。每25 m實(shí)施超前水平鉆孔，鉆孔長(zhǎng)30 m，鉆孔通常情況布置1個(gè)孔，15°外插角實(shí)施，位置在中線底板以上合適位置。

4 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

4.1 計(jì)算模型

數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程采用大型有限元MIDAS GTS NX軟件。計(jì)算時(shí)假定隧道圍巖為連續(xù)介質(zhì)，采用各向同性彈塑性實(shí)體單元進(jìn)行模擬，材料的屈服準(zhǔn)則采用摩爾—庫(kù)侖(Mohr-Coulomb)準(zhǔn)則；初期支護(hù)采用殼體單元進(jìn)行模擬，單元錨桿則采用植入式梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。計(jì)算中未單獨(dú)考慮鋼筋網(wǎng)和鋼支架的作用。

為減小有限元模型中邊界約束條件對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的不利影響，計(jì)算模型的邊界范圍在各個(gè)方向上均大于3倍的洞跨。具體計(jì)算時(shí)，計(jì)算域在水平方向?qū)挾热?0 m，在豎直方向上，從降壓釋能洞四周向下取25 m，向上取25 m，為50 m。對(duì)于上部125 m的土層，不建立網(wǎng)格，而是采用在模型上邊界施加荷載的方式考慮。模型的左面、右面和底面均為固支約束，頂面為自由面。隧道采用全斷面法開挖。計(jì)算模型網(wǎng)格如圖3所示。

4.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)勘察設(shè)計(jì)資料，計(jì)算時(shí)各材料物理力學(xué)參數(shù)取值如表2所示。

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)模型數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，對(duì)全斷面法開挖降壓釋能洞引起的圍巖和地表豎向變形和水平變形進(jìn)行分析，如圖4，圖5所示。得到在開挖過(guò)程中縱向不同斷面位置拱頂下沉量、隧底隆起量的變化曲線，結(jié)果如圖6所示。

由圖4～圖6分析可知：巖溶隧道降壓釋能洞采用全斷面法開挖通過(guò)時(shí)，拱頂最大沉降量為4.3 mm，隧底最大隆起量為9.6 mm，洞周水平收斂最大值為19.5 mm，該最大變形與巖溶隧道最大變形閥值比較接近，結(jié)構(gòu)仍有一定安全富余。

5 結(jié)語(yǔ)

1)針對(duì)懷邵衡鐵路某巖溶隧道降壓釋能洞的環(huán)境特點(diǎn)和地質(zhì)條件及施工進(jìn)度計(jì)劃，提出采用全斷面法開挖。

2)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示：巖溶隧道降壓釋能洞采用全斷面法開挖施工時(shí)，隧道拱頂最大沉降量為4.3 mm，隧底最大隆起量為9.6 mm，洞周水平收斂最大值為19.5 mm，該最大變形值與巖溶隧道最大變形閥值比較接近，結(jié)構(gòu)仍有一定安全富余。

3)工程實(shí)踐證明：巖溶隧道降壓釋能洞開挖施工時(shí)，采用全斷面法開挖，同時(shí)采取信息化監(jiān)控量測(cè)措施和風(fēng)險(xiǎn)防范措施，可有效地控制隧道受力和變形，確保降壓釋能洞開挖施工安全。