大斷面隧道挑頂施工三維數值計算分析

魯建邦

(中鐵三局集團有限公司,太原 030001)

1 概述

鄭西客運專線ZXZQ4標段,起點為新三門峽車站出站端(DK247+320),終點至河南與陜西兩省省界(DK333+000),正線全長為67.832 km。共有隧道5座,均為雙線黃土隧道,分布在呂家崖至臺村之間,總長度為6 850延長米,其中最長隧道為盤東隧道,鄭西客專黃土隧道結構設計綜合考慮了新老黃土(圍巖級別及C、φ值)、隧道深淺埋情況及黃土天然含水量等因素。通過和已建成鐵路雙線及公路黃土隧道進行工程類比,并結合黃土的特性,鄭西客運專線隧道采用單洞雙線大斷面形式[1-3],洞內凈空為100 m2(軌頂面以上),開挖面積達164～174 m2。針對黃土隧道交叉口斷面大、施工控制難度大、體系轉換復雜等特點[4],經過多方調研和現場試驗[5],采用逐步改變斜井的開挖方向和型鋼鋼架的立設角度[6]、加強支護、采用垂直挑頂施工等綜合施工技術成功完成斜井和正洞交叉口施工[7],針對以上工況采用三維有限元進行數值計算分析,以期得到挑頂開挖對超大斷面隧道施工的力學特征和規律,并論證方案的可行性。

2 工程地質及水文地質

本區為黃土地區,普遍黃土厚度大,廣泛存在黃土地區普遍分布的沖溝、陡坎、崩塌、陷穴、人為坑洞等。同時存在松軟土等特殊巖土,工程地質條件差。線路位于第四系全新統塌滑堆積層(Q4del),上更新統(Q3eol+al)風積與沖積層的黃土、砂層,中更新統(Q2)黃土、砂層、礫石層中。測區內堆積層較厚,未見構造形跡。隧道主要穿過新黃土,成分以粉粒為主,質地均勻,結構疏松,孔隙比大,具肉眼可見之大孔隙,一般具高壓縮性,遇水易崩解濕陷；據試驗資料,該場地屬中等～嚴重自重濕陷性場地,自重濕陷深度15～25 m。

隧道洞身主要穿過〈2-2〉、〈2-3〉、〈3-2〉砂質黃土層(Q3eol+al),黃土結構疏松,具有中等～嚴重自重濕陷性。

地表水為隧道北部的黃河及隧道進出口端的弘濃澗河、沙河。地下水位埋藏較深,在可見水位在小于-30 m,未見地下水出露,黃土塬及階地上村民生活用水采用機井抽取地下水,一般位于河谷地表水位附近,隧道洞身位于地下水位以上。

3 斜井進正洞施工方法

斜井與正洞交叉口部的鋼架,同時承受該區域斜井頂部地層的荷載和正洞拱部鋼架傳遞的荷載,受力復雜,且交叉口部鋼架比斜井洞身一般地段鋼架的矢跨比又小許多[8]。因此,有必要對交叉口部鋼架采取加強措施。

交叉口部加強完成后,自斜井進入正洞采用挑頂方案施工。開挖前施做超前支護,同時緊跟臨時支護。

(1)斜井開挖進尺控制在1.57 m左右。

(2)斜井開挖寬度控制在2.4 m以內,以便于安裝5榀鋼架為宜(安裝3榀型鋼鋼架,2榀格柵鋼架)。

(3)開挖后及時噴混凝土封閉。鋼架間噴射混凝土前先對掌子面進行噴混凝土封閉支護,視圍巖情況酌情打設錨桿[7]；沿正洞線路方向兩側打設超前小導管,導管長1 m,環向間距0.4 m。

(4)通道內開挖作業人員為2人,其他為輔助人員。為便于適應不同高度的作業需要,施工現場配備不同高度的梯子。挑頂開挖前向上打設φ22 mm藥包錨桿,錨桿長2.0 m左右,錨桿間距0.6 m,循環挑頂高度1.0 m左右,割除余長外露錨桿后重復下一循環。

(5)每一步驟挑頂開挖至設計輪廓時,立設鋼架。鋼架每單元長度提前按設計加工,兩側為2榀格柵鋼架(矩形截面,主筋為φ25 mm鋼筋)、3榀為型鋼鋼架(I25型鋼)。根據開挖空間大小,盡可能打設較長的藥包錨桿以臨時固定鋼架位置。鋼架之間采用螺紋鋼進行縱向連接,環向間距0.6 m,而后網噴混凝土至設計厚度(35 cm)。

(6)待噴射混凝土具有一定強度后,重復上述步驟,直至完成線路右側的上半斷面的鋼架立設,并自拱部由上向下立設臨時中隔壁鋼架和臨時仰拱鋼架,并對鋼架進行網噴混凝土加強支護。

(7)按CRD法施工,先進行線路右側上下洞室的開挖支護,達間隔距離要求后,自中隔壁墻開孔進入線路左側自上而下進行線路左側洞室的施工。

挑頂開挖斷面見圖1。

圖1 挑頂開挖斷面(單位：m)

4 挑頂施工三維模型建立及地層參數選取

4.1 模型建立

為了更好的模擬挑頂開挖的圍巖位移、應力等力學因素變化,建立足夠大的模型,以保證固定邊界條件的施加不會對實際力學行為產生影響。本模型一共建立52萬個有限元單元,而且在隧道開挖部分進行網格加密,距離開挖處較遠的地方網格較稀疏。

單元類型主要有4種,即實體單元類型、桿件單元類型(植入式桁架)、梁單元類型及殼體單元類型。圍巖及主隧道、斜井隧道核心土均為實體單元類型,隧道錨桿部分為植入式桁架單元,挑頂支撐柱子為梁單元類型,襯砌為殼體單元類型。

隧道挑頂開挖模擬步驟嚴格按照實際施工步驟進行,以達到在為挑頂開挖之前就可以預測到圍巖變化情況預先對薄弱環節制定有效改良措施進而指導施工的目的。

斜井隧道與主隧道模型見圖2，挑頂開挖模型見圖3。

圖2 斜井隧道與主隧道模型

圖3 挑頂開挖模型

4.2 本構關系

根據現場取樣和巖石力學試驗結果,計算中采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準則判斷巖體的破壞式

(1)

式中,σ1、σ3分別是最大和最小主應力；c、φ分別是黏結力和摩擦角。

當fs>0時,材料將發生剪切破壞。在通常應力狀態下,巖體的抗拉強度很低,因此可根據抗拉強度準則(σ3≥σT)判斷巖體是否產生拉破壞。

4.3 地層參數選取

根據地質勘查報告和相關補充勘察報告,圍巖、注漿層及初期支護的物理力學參數取值如表1、表2所示。

表1 圍巖地層物理力學參數

表2 注漿區及初期支護物理及力學參數

5 數值計算結果分析

5.1 應力場分析(圖4)

圖4 隧道挑頂開挖過程中應力場變化過程

從三維有限元模擬挑頂到轉換CRD開挖過程的結果圖形可以看出,在斜井隧道與挑頂施工的連接部位,由于所開挖空間突然變大,圍巖應力釋放較為充分,開挖面有較大位移,挑頂的第一部分上部松散土體與斜井隧道上部松散土體聯通,成為較大范圍的松散土體,由于大面積的土體失去自穩能力,其自重作為荷載直接作用于支撐結構上,造成支護結構應力較為集中。第一部分和第二部分的挑頂開挖在造成上部圍巖應力釋放的同時也給下部圍巖應力釋放提供了空間,出現明顯的反拱現象,下部土體變得較為松散,基本和上部位移形成對稱分布。鑒于此,在挑頂開挖時,加密支撐支護,以達到用上面的松散土體的自重荷載來抵消下面土體的上拱力的目的,使得上部土體沉降變小的同時,下部土體的反拱量也變小。同時,需要加大臺階進尺,以防止臺階土體發生沖切破壞,同時可以考慮一個臺階上支撐多排支柱,同時考慮臺階土體的加固措施。

5.2 位移場分析(圖5、圖6)

圖5 挑頂開挖支護過程中地層位移剖面

圖6 挑頂施工對地表沉降的影響

從開挖支護過程中的位移分布和發展圖上可以看出,隨著挑頂的開挖,在開挖洞室的周邊位移基本都在1.5～5 cm,波及范圍在1倍開挖洞室直徑之內,從剖面圖的位移圖可以看出,下部底鼓現象較為嚴重,主要原因是斜井與正洞交叉部位開挖臨空面積較大。在挑頂開挖支護過程中由于斜井交叉部位核心土的留設和加固,正洞左側的位移量很小,而且波及范圍相對隧道周邊小很多,所以在大斷面隧道挑頂施工過程中,斜井核心土留設和加固對隧道開挖穩定十分重要,經計算本工程最終核心土留設高度為3 m,深度為5 m,實踐表明效果十分理想。地表沉降圖表明,地表沉降的范圍也隨之迅速變大,沉降量也逐漸變大,但是從模擬結果看到,雖然挑頂施工的上方沉降范圍變化明顯,但是沉降量卻沒有隨著挑頂開挖范圍的擴大而激增。地面最終最大沉降量在8.5 cm左右,若地面沒有對沉降十分敏感的建筑物,可不對地面進行特殊處理。經后期地表監測數據表明最大沉降為6.8 cm,表明擬定方案和計算的取值是可行的。

5.3 支護體系受力分析(圖7、圖8)

圖7 錨桿支護體系受力情況

圖8 初期支護體系受力情況

根據模擬結果圖的數據分析,錨桿和初支受力較大同時也較集中,主要原因是挑頂開挖面較大,上部一定范圍的土體發生破壞,鑒于此,施工每一步挑頂前,要進行有效的小導管注漿,以改善開挖面前方土體的力學參數,增強圍巖強度，減小圍巖破壞范圍,從而減輕支護結構受力。

6 結論與建議

(1)在大斷面及超大斷面隧道挑頂施工過程中,每個臺階上的支護結構強度要高,支護密度要大,每個支護循環進尺,安裝5榀鋼架為宜,其中3榀型鋼鋼架,2榀格柵鋼架,這樣可以同時減小底鼓和塌頂。

(2)斜井核心土的留設和加固對隧道開挖穩定十分重要,其可以有效改善洞室圍巖受力情況,減小圍巖位移,阻止破壞區擴散。最終核心土留設高度為3 m,深度為5 m,且放坡,作為后續開挖出土的臨時通道,不會影響后續出土。

(3)對斜井開挖面施作φ42 mm超前小導管,小導管長2.5 m,間距0.4 m；對挑頂處正洞土體加固采用φ42 mm超前小導管,小導管長2.5 m,間距0.3 m。挑頂施工過程中,在斜井中對正洞核心土進行有效的注漿加固可以有效改善支護體系受力,減小應力集中程度。

[1] 趙 勇,王樹強,李 本.鄭西客運專線砂質黃土大斷面隧道淺埋暗挖法施工技術 [J], 鐵道標準設計,2007(S1)：85-88.

[2] 賀廷西,蘇萬軍.石太鐵路客運專線大斷面黃土隧道施工技術[J].鐵道標準設計,2007(4)：21-24.

[3] 辛振省.砂質黃土大斷面隧道施工方法優化研究[J].鐵道工程學報,2011(1)：58-61.

[4] 王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論[M].合肥：安徽教育出版社,2005.

[5] 鐵道部第二工程局.鐵路工程施工技術手冊.隧道[M].北京：中國鐵道出版社,1995.

[6] 楊建民.函谷關隧道砂質黃土地層支護受力測試分析[J].鐵道工程學報,2008(6)：56-60.

[7] 李 本.大斷面黃土隧道斜井進入正洞的挑頂施工技術[J].鐵道建筑技術,2008(3):34-37.

[8] 王新東,宋 冶,王 剛,等.客運專線大斷面黃土隧道施工監控技術[J].鐵道工程學報,2010(1)：52-56.