杜燕忠

（京昆高速鐵路西昆有限公司，重慶 400023）

0 引言

隨著我國(guó)鐵路的快速發(fā)展，作為重要組成部分的隧道也逐步向“長(zhǎng)、大、深”方向發(fā)展，其中不可避免地需要穿越不良地質(zhì)層，凝灰?guī)r地層就是其中一種。凝灰?guī)r地層具有遇水軟化、自穩(wěn)能力差等缺點(diǎn)，施工中可能發(fā)生突水、突泥，洞頂坍塌、滑涌失穩(wěn)等風(fēng)險(xiǎn)。相關(guān)研究中，王俊海［1］以新建大臨鐵路大平掌隧道為背景，介紹了全風(fēng)化凝灰?guī)r隧道的施工難點(diǎn)；楊善成等［2］以林芝—拉薩高等級(jí)公路米拉山隧道為背景，提出圍巖注漿堵水和隧道排水是防止凝灰?guī)r遇水軟化的重要措施；王樹英等［3］針對(duì)貴昆鐵路三聯(lián)隧道，研究高地應(yīng)力強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r地層隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)大變形的原因及其整治方案。本研究依托在建渝昆高鐵華山松隧道，分析穿越破碎凝灰?guī)r段兩臺(tái)階與三臺(tái)階工法下，圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及變形情況，為此類在建工程的后續(xù)施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

華山松隧道位于云南省會(huì)澤縣待補(bǔ)鎮(zhèn)與田壩鄉(xiāng)境內(nèi)，隧道起訖里程為DK568+780～DK585+240，全長(zhǎng)16 460 m。隧道最大埋深約為432 m，最小埋深約為13 m。華山松隧道為Ⅰ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道，圍巖級(jí)別以Ⅳ、Ⅴ級(jí)為主，不良地質(zhì)為有害氣體、巖溶、圍巖大變形、水庫(kù)塌岸等。掌子面圍巖呈現(xiàn)玄武巖夾凝灰?guī)r，紅褐色，節(jié)理發(fā)育，巖質(zhì)軟，結(jié)構(gòu)面結(jié)合較差。巖體呈裂隙塊狀結(jié)構(gòu)，圍巖潮濕，左側(cè)滲水嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)面有軟化現(xiàn)象，自穩(wěn)性差。

1.2 施工情況

1.2.1 監(jiān)測(cè)情況。華山松隧道2 號(hào)橫洞大里程端DK578+970（1#）～DK579+020（7#）變形情況如圖1 所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析可以看出，測(cè)點(diǎn)累積變形和變形速率都在急劇增大，表明該段出現(xiàn)大變形。

圖1 華山松隧道2號(hào)橫洞大里程端DK578+970（1#）～DK579+020（7#）變形情況

1.2.2 施工災(zāi)害。華山松隧道2 號(hào)橫洞工區(qū)正洞施工過(guò)程中，洞身開挖多次遇到凝灰?guī)r夾層，掌子面溜塌頻繁，其中DK579+900～+020 段出現(xiàn)侵限及溜塌現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 華山松隧道掌子面溜塌及侵限

1.2.3 方案優(yōu)化。方案采用的鋼架類型為Ⅰ22a 型鋼鋼架，全環(huán)設(shè)置，縱向間距0.6 m；超前支護(hù)類型為Φ76 mm 中管棚加Φ42 mm 超前小導(dǎo)管，Φ76 mm 中管棚，環(huán)向間距0.4 m，每環(huán)50 根，縱向間距6 m，單根長(zhǎng)9 m；Φ42 mm 超前小導(dǎo)管，環(huán)向間距0.4 m，每環(huán)50 根，縱向間距3.0 m，單根長(zhǎng)4.5 m。DK579+004～+007 段設(shè)置3 m 厚C20 混凝土止?jié){墻，DK579+004～+025 段進(jìn)行拱墻超前周邊雙液漿注漿堵水，注漿范圍為開挖輪廓線外5 m，施工方法由臺(tái)階法變?yōu)槿_(tái)階法。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

選取DK579+000～+032 段為研究對(duì)象，建立三維模型。模型取縱向方向（Y軸方向32 m），垂直于隧道軸向方向（X軸84 m），豎向底部范圍取距離隧道底部35 m，施工模擬過(guò)程中僅考慮自重條件，不考慮構(gòu)造應(yīng)力作用，模型邊界為法向位移約束［4-5］。計(jì)算模型如圖3所示。

2.2 計(jì)算參數(shù)

超前支護(hù)及錨桿等效為周邊圍巖參數(shù)加強(qiáng)，工字鋼及鋼筋按剛度等效原理等效噴射混凝土［6-8］。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告及同地區(qū)類似資料，模型中圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 施工模擬

本次模擬計(jì)算中，各臺(tái)階進(jìn)尺統(tǒng)一按3 m 考慮，施工過(guò)程中按“第一次開挖—第二次開挖+第一次支護(hù)—第三次開挖+第二次支護(hù)”的順序進(jìn)行施工模擬，二襯施工僅作為安全儲(chǔ)備。兩臺(tái)階施工時(shí)，施工步驟共計(jì)15 個(gè)，三臺(tái)階法施工時(shí)施工步驟共計(jì)16個(gè)，具體如圖4所示。

圖4 隧道開挖施工工序示意

3 結(jié)果分析

3.1 位移分析

隧道開挖完成后整體位移云圖如圖5所示。

圖5 隧道開挖后位移云圖

由圖5 可知，兩臺(tái)階最大沉降值為7.8 cm，三臺(tái)階最大沉降值為6.7 cm，采用三臺(tái)階施工工法最大沉降量比兩臺(tái)階施工工法降低14%。取模型中間斷面為特征斷面進(jìn)行分析，其隧道初支拱頂隨施工步的變形曲線如圖6所示。

圖6 不同開挖工法下特征斷面隧道拱頂沉降曲線

由圖6 可知，隧道開挖的過(guò)程中，拱頂沉降曲線呈現(xiàn)“緩慢增加—急劇增加—緩慢減小—平穩(wěn)”四個(gè)階段的規(guī)律；兩臺(tái)階最大拱頂沉降量為5.62 cm，三臺(tái)階最大拱頂沉降量為5.11 cm。

由上圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)位移分析可知，采用三臺(tái)階法開挖后，變形情況較兩臺(tái)階有一定程度的改善，其中整體最大沉降量降低14%，特征斷面沉降量降低9%。

3.2 圍巖應(yīng)力分析

隧道開挖圍巖整體應(yīng)力云圖如圖7所示。

由圖7 可知，隧道開挖后，隧道拱頂和仰拱部位應(yīng)力值均出現(xiàn)拉應(yīng)力，其中最大拉應(yīng)力值為0.1 MPa。在隧道施工過(guò)程中要注意控制一次開挖進(jìn)尺及盡早支護(hù)，防止出現(xiàn)塌方及底部隆起情況；在隧道兩側(cè)拱肩部位出現(xiàn)最小主應(yīng)力（壓應(yīng)力）集中現(xiàn)象。

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

隧道開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖8、圖9所示。

圖8 兩臺(tái)階支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圖9 三臺(tái)階支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力

由圖8、圖9可知，隧道開挖完成后，兩種工法初期支護(hù)最大拉應(yīng)力值均超過(guò)噴射混凝土極限抗拉強(qiáng)度，其中三臺(tái)階最大拉應(yīng)力較小，很容易出現(xiàn)初期支護(hù)開裂，主要出現(xiàn)在隧道拱部區(qū)域，另外在仰拱部位也出現(xiàn)一定拉應(yīng)力。施工中在進(jìn)行仰拱施工時(shí)，應(yīng)注意清除底部浮渣及雜物，另外在隧道拱部區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)片間距控制，防止出現(xiàn)初期支護(hù)開裂。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在墻腳部位，兩臺(tái)階工法最大壓應(yīng)力為17.2 MPa，三臺(tái)階工法下最大壓應(yīng)力為17.1 MPa，由于初期支護(hù)中有鋼架，一般不會(huì)出現(xiàn)由于強(qiáng)度不足而出現(xiàn)壓壞的情況，但為了保證初期支護(hù)整體安全性，施工中應(yīng)注意加強(qiáng)該部位鎖腳錨桿質(zhì)量控制，同時(shí)要提高拱腳部位承載能力，防止出現(xiàn)較大的變形。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)渝昆高鐵華山松隧道穿越凝灰?guī)r段兩種施工工法進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論。

①在位移方面，采用三臺(tái)階法開挖后，變形情況較兩臺(tái)階有一定程度的改善，其中整體最大沉降量降低14%，特征斷面沉降量降低9%；在支護(hù)結(jié)構(gòu)受力方面，三臺(tái)階法要比兩臺(tái)階法稍有優(yōu)勢(shì)。

②隧道開挖后，隧道拱頂及仰拱部位出現(xiàn)局部拉應(yīng)力，在兩側(cè)邊墻部位出現(xiàn)壓應(yīng)力集中。施工中要注意觀察邊墻初支是否出現(xiàn)開裂、鼓包等現(xiàn)象，必要時(shí)施作臨時(shí)橫撐，以保證施工安全。