劉宗族

(中鐵二十四局集團安徽工程有限公司 安徽合肥 230001)

1 引言

隨著高鐵的大規(guī)模修建，鐵路線路標(biāo)準不斷提高，使得鐵路線路中隧道數(shù)量越來越多，單隧長度越來越長，要求隧道施工在保證安全性的情況下盡可能地提高施工進度，降低施工成本。雙線鐵路隧道在圍巖軟弱時常采用的施工方法有四步CD法、三臺階臨時仰拱法及三臺階七步法(短臺階留核心土法)，每種工法的施工速度、成本及對圍巖穩(wěn)定性的影響各不相同。為了在保證圍巖穩(wěn)定的情況下，盡可能地提高隧道開挖速度，降低開挖成本，本文針對雙線鐵路隧道特點，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，對四步CD法、三臺階臨時仰拱法及三臺階七步法進行比較分析。

2 圍巖穩(wěn)定性比較

2.1 FLAC3D模型建立及實例分析

上界首隧道出口為淺埋偏壓段，設(shè)計進洞施工方案為四步CD法，自進洞開始，對地表沉降、拱頂下沉和水平收斂進行了觀測[1]。以上界首隧道出口觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)反演的方法對數(shù)值模擬各巖層的彈性模量和抗拉強度進行選取，得到表1的力學(xué)參數(shù)結(jié)果[2-3]。

表1 力學(xué)參數(shù)取值

根據(jù)隧道勘察設(shè)計資料及隧道開挖影響范圍建立三維直角坐標(biāo)模型，x軸為隧道垂直方向，長100 m；y軸為隧道走向方向，長45 m；z軸為重力方向，長80 m。計算模型單元數(shù)為24 768，節(jié)點總數(shù)為10 163。拱頂部超前長管棚采用Beam單元模擬，系統(tǒng)錨桿和鎖腳鋼管采用Cable單元模擬，初期支護采用Shell單元模擬，巖體屈服準則選取Mohr-Coulomb屈服準則[4-5]，并且不考慮塑性流動及剪脹[6-8]。模型上邊界無約束，下邊界垂直位移約束，水平方向邊界靠山一側(cè)水平位移約束，自由面無約束。邊界條件設(shè)置見圖1。

圖1 模型邊界條件

按照上界首隧道出口觀測點設(shè)置對模型拱頂下沉、水平收斂及地表沉降進行監(jiān)測。建立三維FLAC3D數(shù)值模型，參照現(xiàn)場施工進度建立開挖方案進行計算。開挖方案見表2。

采取表1的力學(xué)參數(shù)進行數(shù)值模擬計算，與實測結(jié)果進行比較見圖2?？梢姅?shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果能較好地吻合。

表2 模擬開挖方案

圖2 模擬結(jié)果與實測結(jié)果比較

2.2 不同工法模擬結(jié)果比較

根據(jù)不同施工工法開挖工序，將后25 m分別采用四步CD法、三臺階臨時仰拱法及三臺階七步法進行模擬。各施工工法開挖工序見圖3，數(shù)值模擬得到圍巖變形情況見圖4。

圖3 各工法開挖工序圖

圖4 不同工法下沉比較

從圖4可以看出，四步CD法變形最小，三臺階臨時仰拱法與四步CD法相差不大，而三臺階七步法變形較大。三臺階臨時仰拱法和三臺階七步法在上臺階開挖后即有明顯拱頂下沉，而四步CD法則在第二部開挖后見到較大變形?？傮w下沉量三臺階七步法較四步CD法相差近一倍，而三臺階臨時仰拱法只比四步CD法多20%左右。針對三臺階臨時仰拱法上臺階開挖下沉速度快的特點，對于極軟弱圍巖可以采取在上臺階增加臨時中支撐的方法控制拱頂下沉。

3 圍巖變形實測分析

3.1 實測與模擬比較

根據(jù)前15 m監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，圍巖變形量不大，而數(shù)值模擬結(jié)果表明三臺階臨時仰拱法和四步CD法變形量相差不大，因此將后面25 m原設(shè)計的四步CD法變更為三臺階臨時仰拱法施工。

對后25 m進行監(jiān)控量測，將實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進行比較見圖5。可見實測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)擁有相同的變形規(guī)律，但比模擬數(shù)據(jù)小20%左右，這是由于模擬采用的是前15 m四步CD法的施工速度，而三臺階臨時仰拱法實際施工速度要快很多。

圖5 實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進行比較

3.2 施工速度的影響

對標(biāo)段內(nèi)觀測數(shù)據(jù)較全面的35個圍巖軟弱段(均為Ⅴ級圍巖Vc型襯砌)進行統(tǒng)計，四步CD法最大變形值為42 mm，三臺階臨時仰拱法最大變形值為48.5 mm，三臺階七步法最大變形值為72 mm；四步CD法平均變形值為28.1 mm，三臺階臨時仰拱法平均變形值為38.8 mm，三臺階七步法平均變形值為53.4 mm。各軟弱段最大地表下沉值與初支閉合時間關(guān)系見圖6。

由圖6可以看出，初支閉合時間越長，地表下沉越大，四步CD法雖然進度慢，但初支閉合處離掌子面較近，變形相對較小。平均下沉速度(最大下沉值與初支閉合時間之比)與初支閉合時間關(guān)系見圖7。

圖6 初支閉合時間與最大地表下沉值統(tǒng)計

圖7 平均下沉速度與初支閉合時間關(guān)系

由圖7可見各工法隨著初支閉合時間的增大，下沉速度逐漸減小。在相同初支閉合情況下，三臺階臨時仰拱法和四步CD法下沉速度較小，三臺階七步法下沉速度較大。

4 施工比較

九景衢鐵路浙江段站前I標(biāo)位于開化縣境內(nèi)，穿越低山區(qū)，隧道占標(biāo)段總長的80%。其中18處隧道口進洞設(shè)計方案為四步CD法，5處隧道口進洞設(shè)計方案為三臺階臨時仰拱法。以上界首隧道出口為例對四步CD法、三臺階臨時仰拱法及三臺階七步法進行對比。

4.1 成本比較

各工法主要成本差別在臨時支護，其中三臺階七步法沒有臨時支護。四步CD法與三臺階臨時仰拱法臨時支護成本計算見表3。

表3 每延米臨時支護成本

由表3可以看出，三臺階臨時仰拱臨時支護成本僅為四步CD法的47%，每延米可節(jié)省成本4 791元。而三臺階七步法沒有臨時支護成本。

4.2 施工速度

上界首隧道出口巖層為強風(fēng)化～弱風(fēng)化巖層，需采用爆破配合機械開挖。四步CD法分導(dǎo)洞開挖，由于臨時支護不能拆除，若上下臺階同時開挖，則上臺階無法使用大型機械施工，在上界首出口選擇了上臺階先施工到15 m，再施工下臺階，嚴重影響施工進度。下臺階受臨時支護影響，機械施展困難。四步CD法進洞15 m共使用24 d，若采用三臺階臨時仰拱法需13 d，三臺階七步法需11 d。后面22.5 m采用三臺階臨時仰拱，使用19 d，若使用四步CD法需36 d，三臺階七步法需16 d[9-10]，見表4。

表4 施工速度對比

三臺階臨時仰拱節(jié)省了近一半的時間，三臺階七步法所用時間不到四步CD法的一半，對于作為控制性工程的隧道工程，工期的影響非常重大。

4.3 施工難度

雙線鐵路隧道開挖斷面高寬比接近于1，開挖高度非常大，而四步CD法分上下臺階開挖，上臺階一次開挖高度達6 m左右，而且斷面形狀不規(guī)則，作業(yè)臺車不便放置，初支鋼架架立非常困難，特別是第二部開挖拱頂與第一步交接處，作業(yè)人員很難夠得到，且拱部掉塊對作業(yè)人員的威脅很大[11-12]。

下臺階一次開挖到底，仰拱初支施作后需回填后機械才能進入下一循環(huán)施作，增加施工作業(yè)量，影響進度。爆破開挖會影響到臨時支護，甚至?xí)沟门R時支護鋼架產(chǎn)生大變形，影響支護受力。

三臺階臨時仰拱法各臺階高度在4 m左右，臨時支護在施作下一臺階時可以拆除，因此不存在以上難點，且能快速轉(zhuǎn)換為三臺階七步法或臺階法，便于施工。

三臺階七步法各臺階高度在4 m左右，沒有臨時支護，各工序容易協(xié)調(diào)，是最簡單的施工方法。

5 結(jié)束語

四步CD法施工進度較其他兩種工法慢，但是能及早封閉成環(huán)，圍巖變形較小；三臺階七步法的施工成本最低，施工速度快，掌子面也比較穩(wěn)定，但是圍巖變形較大；三臺階臨時仰拱法變形較小，施工速度和三臺階七步法相差不大，在圍巖情況較差時還可以采取上臺階加中支撐或上臺階留3～5 m核心土的方式保證圍巖穩(wěn)定性，是綜合性最好的施工方法。

根據(jù)以上分析，建議在圍巖軟弱段采用三臺階臨時仰拱法施工，并根據(jù)監(jiān)控量測情況不斷調(diào)整工法。圍巖變形速度或變形量較大時在上臺階加中支撐，并減小仰拱與掌子面距離，加快初支閉合速度；掌子面不穩(wěn)定時可預(yù)留3～5 m核心土以穩(wěn)定掌子面。圍巖較穩(wěn)定時，可適當(dāng)減少臨時支護數(shù)量，兩榀或多榀鋼架支護一榀臨時鋼架。