鐵路隧道仰拱設計施工關鍵技術分析

吳明友

(鐵道部建設管理司,北京 100038)

1 概述

據不完全統計,目前我國在建鐵路隧道總長度已超過7 900 km。隧道在鐵路工程中所占比重越來越大,隧道建設安全直接關系到人民生命財產安全,關系到又好又快地實施鐵路高標準大規模建設,關系到《中長期鐵路網規劃》的順利實施。

當前以及今后一段時期內,采用礦山法修建隧道仍然是鐵路隧道建設主要技術方法之一。在采用勞動密集型的礦山法施工時,如何防止隧道塌方,確保隧道建設人員生命及財產安全仍然是我們長期面臨的重大課題。

隧道塌方安全事故中,開挖仰拱時發生的隧道失穩塌方是最危險的一種。這種塌方失穩具有規模較大,發生突然的特點,往往直接掩埋仰拱作業人員造成重大人員傷亡,或形成隧道“關門塌方”事故,即仰拱前方掌子面作業人員因塌方阻隔受困在隧道里面等待搶險救援。今年發生的多起鐵路隧道安全事故均是發生在仰拱開挖施工中。因此對鐵路隧道仰拱施工過程進行力學分析,研究塌方發生的原因,采取有效措施進行安全控制,防止隧道失穩塌方,具有十分重要的意義。

從隧道工程力學來看,塌方就是圍巖的局部或整體變形失穩,屬于隧道穩定性問題。前人對于隧道圍巖穩定性進行了廣泛的研究,本文不一一贅述。然而,國內外專門針對仰拱開挖施工安全的隧道穩定性的綜合多因素進行全面分析不多[1～7]。

由于我國地質條件的多樣性和復雜性,圍巖巖土性質及應力變化的復雜性和不確定性,隧道工程仰拱設計施工尚且存在諸多問題。本文針對上述問題,從隧道施工過程力學機理分析入手,詳解了目前隧道仰拱施工塌方原因,提出了相應設計施工安全控制關鍵措施,以供鐵路隧道建設各方進行安全管理時參考。

2 仰拱施工過程力學機理分析

隧道施工中,仰拱作為襯砌結構的重要組成部分,對維護隧道整體穩定有著重要的作用。隧道仰拱能明顯地提高支護結構的整體剛度,有效地約束圍巖的變形,改善整個襯砌的受力狀態,并減少隧道結構病害的發生。但是,軟弱圍巖及不良地質隧道常采用分部開挖、分部支護的方式施工,圍巖壓力、圍巖變形、支護結構內力隨著施工動態過程在空間及時間上發生動態變化。從隧道施工過程力學的角度來看,仰拱施工又恰恰是隧道成隧過程中最不利、最危險的時刻,其力學機理如下。

2.1 成隧過程及體系轉換

開挖仰拱前,隧道初期支護體系還沒有封閉成環,拱墻初期支護抵抗側向壓力以及豎向承載能力均較差。仰拱施工完畢才形成完整閉合的隧道支護,圍巖與支護內力重新分布調整,隧道支護體系轉換完成。

分部開挖、分部支護的成隧過程,其力學實質是一個對圍巖反復卸載、加載的過程。圍巖荷載、圍巖應力、初期支護內力等將隨著應力歷史和應力路徑的變化,會發生荷載變化、應力重分布、應力集中、應力損傷、塑性區開展及破壞等現象。

以臺階法為例,施工過程數值模擬計算及實踐表明,開挖上臺階時,塑性區主要集中在拱腳部位；上臺階開挖支護完畢,開挖下臺階部分后,塑性區范圍由上臺階的拱腳處擴展到下臺階拱腳部位,仰拱開挖后塑性區范圍進一步擴大。

2.2 最不利狀態

仰拱開挖一般是隧道的最后一步開挖,此時,隧道洞室尺寸達到最大值,圍巖荷載達到最大值。數值計算及監控量測表明,此時洞周圍巖應變、初期支護彎矩軸力等達到最大值,塑性區范圍最大,拱腳出現塑性區和應力集中,拱頂下沉、收斂變形量測值急劇增長。當應力增長超過巖體強度,支護與圍巖形變超過極限平衡狀態時,隧道就會失穩坍塌。

圖1 塑性區分布

研究表明[1～2],隧道有仰拱比無仰拱時.周邊圍巖內塑性區范圍減小30%以上(圖1),洞周位移特別是拱頂和仰拱部位的位移減小55%以上,隧道二次襯砌安全系數提高了22%以上。因此在仰拱開挖后,仰拱初期支護噴混凝土達到強度前隧道處于最不利的荷載條件。

2.3 時空效應

隧道逐循環向前開挖的施工過程中,荷載的增加取決于開挖面推進速率和噴混凝土剛度增加的速率以及開挖和支護的設置過程。隧道洞室一方面由于開挖而導致圍巖變形,同時,也會受未開挖圍巖和深部圍巖的挾制以及支護的限制作用而趨于穩定。一般認為,隧道的空間效應范圍約在(1.5～2)D。

初期支護巖體與時間空間相關的特征以及施工過程如果在隧道支護的設計和施工中未加以考慮和重視,其結果就會造成仰拱開挖面附近的安全問題。

3 仰拱施工塌方原因分析

隧道是建于巖土介質中的結構物,由于巖土介質本身的復雜性以及巖土介質與結構共同作用的不確定性,隧道設計施工判斷和措施與實際狀態仍然可能存在較大的偏差,隧道仰拱開挖過程中仍然可能出現意外的塌方事故。通過對近年來發生的鐵路隧道仰拱開挖塌方事故進行分析,可以總結出以下主要原因。

3.1 初期支護不力,導致仰拱施工時結構失穩

初期支護不力,不能有效抑制和平衡圍巖變形，仰拱開挖后就會發生塌方。塌方的原因可能是設計措施不強,也有可能是施工措施不力。

當前設計通行的隧道結構設計計算,一般采用荷載結構模型,平面桿系有限元法。支護參數的確定以工程類比為主,輔以結構數值分析檢算。計算時,初期支護為主要承載結構。Ⅱ～Ⅲ級圍巖二次襯砌作為安全儲備,按承受圍巖荷載的30%檢算,Ⅳ～Ⅴ級圍巖二次襯砌作為承載結構,分別按承受圍巖荷載的50%～70%檢算,得出荷載與結構安全系數、配筋量關系曲線,并與工程類比法相互佐證,合理確定參數值,計算中考慮仰拱與襯砌共同作用。

隧道工程與一般地面結構在力學機制上不同,由于巖體初始應力不易確定、巖體材料非均質非線性各向異性、巖體力學參數難以準確獲取、巖體與開挖支護相互作用的不確定性等特點,在實際隧道設計過程中,如果支護設計參數采用工程類比或套用規范、通用圖,如果設計分析檢算采用對完整隧道一次性平面模型計算,當圍巖與實際狀態存在較大的差異時,通常就會在仰拱開挖這個最不利環節發生塌方。其原因可用收斂約束原理解釋(圖2)。

圖2 收斂約束原理示意

當然,如果施工過程中偷工減料,出現鋼架與圍巖不密貼等質量缺陷,初期支護剛度由于施工質量不能達到設計要求,通常也會在仰拱開挖時結構安全系數急劇下降而發生整體隧道失穩塌方。

3.2 忽視上部結構變形對下部施工的影響

支護壓力是隧道收斂閉合的函數,監控量測可以反饋圍巖和初期支護結構動態,通過量測數據優化支護參數,保證施工安全。施工中,上下臺階開挖支護后,圍巖支護變形應該進入基本穩定狀態,荷載位移達到穩定值,仰拱開挖后,支護結構在一定時間內尚能保持穩定或平衡。這時,仰拱施工才會安全。

如果仰拱開挖時,拱墻變形不穩定或剛剛處于極限平衡狀態,此時開挖仰拱必然會導致結構安全系數不足,隧道整體失穩塌方。

3.3 未及時調整施工步距和措施

隧道工程成敗的關鍵在于設計和施工人員依據圍巖地質狀況,正確判斷,選用合適的支護系統和開挖方式,并不斷根據監控量測信息進行支護修正和工法改良。

即使上下臺階斷面開挖支護時圍巖應力狀態保持平衡狀態,如果仰拱一次開挖長度過長,開挖處縱橫向空間“橋冠”作用減弱消失,圍巖應力迅速重分布,初期支護變形急劇增加,導致仰拱開挖段的初期支護先發生破壞,接著帶動兩側支護一起破壞而發生嚴重塌方事故。

3.4 施工組織不合理、施工管理不到位

隧道安全事故發生可劃分為三個層次：一是由于自然的復雜性人們沒有正確的認識；二是認識了,沒做好,能力有限；三是無知者無畏,不按規程、規范和作業指南施工。

施工組織不合理、施工管理不到位,當隧道施工碰到較差的地質條件,在最不利的環節,出現塌方事故的概率就迅速增大。

4 設計施工控制關鍵技術

由于地下工程巖體具有非均質、各向異性及非連續的特性,所以采用連續體力學計算時,由于其假設條件與實際巖體不符,因而其計算結果往往是隧道拱、墻、頂、底均勻變形。而非連續體數值模擬結果與工程實踐均證實,地下工程開挖后,地下工程圍巖位移量并不是均勻的,而是首先從地下工程某一個或者某幾個部位開始位移破壞,從而導致整個地下工程支護體失穩,這些首先破壞的部位就是支護的“關鍵部位”。進行隧道仰拱施工安全控制應做好以下關鍵方面工作。

4.1 設計加強措施

(1)軟弱圍巖及不良地質隧道設計檢算時,應進行施工過程檢算。設計應充分考慮下臺階、仰拱開挖時支護體系轉換對支護結構穩定性的影響,采取相應的加固措施,如擴大拱(墻)腳、鎖腳錨桿(管)、鋼架基礎加固等。

(2)施工過程中,設計應根據地質條件變化和監控量測信息,及時調整支護參數、施工工藝及工序。

(3)施工圖設計中應明確管棚、小導管、鎖腳錨桿(管)注漿,鋼架基礎加固等施工要求。

4.2 施工加強措施

(1)仰拱開挖前,必須按設計完成拱墻鎖腳錨桿、鋼架、鋼架連接及噴射混凝土等初期支護施工。

(2)仰拱施工中,應加強上部初期支護變形的監控量測。變形速率異常時,應暫停仰拱及掌子面施工,并及時分析原因,采取處理措施,對上部初期支護進行補強后方可繼續進行仰拱施工。

(3)仰拱及下部施工時,應配置專職安全員,控制仰拱開挖預留量、隨時觀察洞身初期支護的情況。挖裝機械作業必須配專人指揮,嚴禁大型機械開挖時觸碰或鉤掛鋼架腳部和鎖腳錨桿(管)。

(4)初期支護與圍巖間應密貼,對空洞、脫空現象必須進行初支后充填注漿。

(5)富水、軟弱圍巖地段仰拱開挖后,必須采用噴混凝土及時封閉,并強化排水、嚴禁長時間浸泡基底。

(6)鎖腳錨桿(管)應按設計要求進行注漿,注漿應飽滿密實。

(7)仰拱一次開挖進尺不得過大,一般控制在3 m,便于施工展開和快速封閉。仰拱開挖后應立即快速施作初期支護封閉,一般應于12～18 h內完成仰拱開挖、架設鋼拱架、噴射混凝土封閉作業,確保仰拱快挖、快支、快速封閉。

4.3 安全管理措施

(1)仰拱施工應制訂安全應急措施。針對仰拱開挖易發生塌方的風險,制定相應的防范預案和物資材料儲備,并保證安全投入到位。

(2)優化施工組織,合理安排施工工序,加強施工技術交底和現場指導,保證人員、機具設備、材料和混凝土等要素到位,實現仰拱施工的連續性和及時澆筑。

5 結論

隧道在開挖過程中的變形受到諸多非確定性因素的影響。圍巖是非確定性系統,常規試驗方法獲取圍巖物理力學參數進行穩定性分析和設計必然會產生較大誤差。開挖分步方式和順序會影響圍巖支護構件的應力重分布或集中。本文從仰拱開挖破壞的力學機理角度入手,提出了加強隧道仰拱施工安全的關鍵措施。

(1)仰拱開挖作為最后一道隧道開挖工序,力學機理分析和監控量測實踐表明,此時隧道支護最不利狀態出現。隧道設計施工應把握仰拱施工過程力學機理,重視仰拱開挖面附近的安全性問題,采取有力的控制措施。

(2)鋼架接頭固定和縱橫向連接、拱墻腳擴大或注漿處理、鎖腳錨桿(管)、基礎排水避免浸泡軟化、噴混凝土密實、鋼架密貼圍巖等是防止隧道失穩破壞的關鍵所在,針對性采取設計施工加強措施對于仰拱施工安全控制非常有效。

(3)隧道仰拱施工安全與圍巖條件、分步開挖方法、支護順序及拱墻支護變形密切相關。仰拱閉合成環的時機既要考慮到仰拱距開挖面的距離,又要考慮到上部拱墻變形基本穩定。仰拱施工中應加強拱頂沉降和拱墻收斂變形等的監控量測,當變形速率異常時,應首先對拱墻初期支護進行補強處理,不能盲目開挖仰拱。

(4)仰拱一次開挖進尺控制在3 m有利于施工展開和快速封閉。仰拱施工應遵循快挖、快支、快速封閉的原則,開挖后應立即快速施作初期支護封閉,一般應于12～18 h內完成仰拱開挖、架設鋼拱架、噴射混凝土封閉作業,確保隧道體系轉換安全。

(5)仰拱施工應制定安全應急預案,加強管理。軟弱圍巖和不良地質隧道仰拱開挖應有專人巡視指揮施工,必要時應暫停掌子面施工作業,進行仰拱單工序作業,確保施工安全。

[1]王明年,翁漢民,李志業.隧道仰拱的力學行為研究[J].巖土工程學報,1996,18(1)：47-53.

[2]王明年,關寶樹.仰拱對維護隧道整體穩定的力學行為的研究[J].隧道建設,1993(4)：11-18.

[3]仇文革.隧道仰拱的施作時機與縱向效應的試驗研究[J].西南交通大學學報,1993(6)：68-74．

[4]陳貴紅.仰拱型式對隧道結構的影響[J].公路,2004(11)：145-148．

[5]鐘祖良,劉新榮等.仰拱一次性開挖長度對黃土連供隧道穩定性的影響研究[J].巖土工程學報,2008,30(3)：462-466．

[6]朱維申,李術才,白世偉,等.施工過程力學原理的若干發展和工程實例分析[J].巖石力學與工程學報,2003,22(10)：1586-1591.

[7]K. Fukushima. Scale effects on underground excavations, Scale effects in rock masses. Pinto da Cunha(ed.).(c)1990 Balbema, Rotterdam. ISBN9061911256 209-217.