時速200 km客貨共線雙線隧道施工方法研究

張建國

(山東交通學院土木工程系，山東濟南 250357)

對于時速200 km客貨共線雙線大跨度隧道的開挖不僅取決于工程地質條件及斷面跨度與形狀，而且在很大程度上受施工方法的影響。大跨度隧道一般采用分步開挖，開挖順序不同，圍巖應力分布差別甚大［1］，因此，不同的開挖順序使得圍巖的穩定程度存在差異，這就是工程開挖的動態力學特性。目前對軟弱圍巖大跨度鐵路隧道較常用的分步施工方法有臺階法、中隔壁法(CD 法)、交叉中隔壁法(CRD 法)［2-3］及雙側壁導坑法。為了比較各工法的不同開挖效果及施工的安全性，有必要研究開挖過程的動態特性，以尋求各工況條件下經濟有效的合理施工工法。

1 計算條件

時速200 km客貨共線雙線大跨度隧道襯砌斷面見圖1。Ⅳ級和Ⅴ級圍巖在淺埋偏壓情況下的初期支護參數見表1。

本文采用了臺階法、CD法、CRD法和雙側壁導坑法4種工法，其中臺階法為環形開挖預留核心土法，目的是為了在軟弱圍巖情況下提高開挖面的自穩能力。各工法開挖工序見圖2。

圖1 隧道襯砌斷面示意(單位:cm)

2 有限元模型及計算參數

2.1 有限元模型

為了比較不同施工方法的開挖效果，本文利用三維有限差分程序FLAC3D2.0建立9種有限元模型，并采用Mohr-Coulomb準則分別對12種工況下的隧道動態開挖力學特性進行了模擬。

表1 隧道初期支護參數 cm

圖2 各工法開挖步驟示意

在有限元計算中，邊界約束條件對計算結果影響較大，考慮到開挖隧道影響范圍為洞跨的3～5倍［4-5］，故模型范圍確定為:上部取至地表，左右各取50m，下部取至隧道仰拱以下45m，隧道長度取60m;隧道左右有水平約束，下部有垂直約束，前方和后方均有垂直其面的約束，地表為自由邊界。各工況下的埋深條件見表2。計算中，用8節點6面體實體單元模擬圍巖、初期支護及臨時支護，每開挖步每次進尺1 m。其中CD法計算模型網格劃分如圖3所示。

表2 各工況下的埋深條件

圖3 有限元網格劃分示意

2.2 計算參數

計算模型中，型鋼的作用采用等效剛度的方法將其折合成混凝土進行計算;對系統錨桿、超前小導管注漿的效果，按經驗采取提高其黏聚力C、內摩擦角φ值來加以仿真模擬［6-9］，圍巖及支護材料的力學參數見表3。

表3 不同級別圍巖及其支護體系力學參數

3 支護體系評價

3.1 初期支護安全系數

按破損階段法檢算隧道初期支護截面強度時，根據結構所受的不同荷載組合，在計算中應分別選用不同的安全系數。當按所采用的施工方法檢算施工階段強度時，根據《鐵路隧道設計規范》［10］，要求初期支護安全系數不低于表4所列的限值。臨時支護的安全系數不得小于1.0。

表4 混凝土初期支護不同荷載安全系數限值

3.2 初期支護位移

對隧道初期支護周邊控制點位移按隧道初期支護極限相對位移和穩定判別法，按照《鐵路隧道設計規范》的規定，經換算得初期支護極限位移判定標準如表5所示。

表5 初期支護極限位移判定標準

4 計算結果分析

12種工況的計算結果如表6所示。

表6 各工況計算結果

由表6可以看出:

1)Ⅳ級石質圍巖淺埋

拆撐前，CD法施工的初支安全系數大于臺階法。臺階法初支最小安全系數為4.3，CD法為4.6，發生在先行施工的左導坑邊墻頂部。拆除臨時支護后CD法初支安全系數降為3.6，因此，拆臨時支撐安全系數降低較多，是關鍵工序。CD法施工時，圍巖位移小于臺階法。采用CD法施工淺埋Ⅳ級石質圍巖，不管是從約束圍巖變形還是從支護受力，取得的效果均較臺階法好。

2)Ⅳ級石質圍巖偏壓

先行施工的左導坑初支安全系數較右導坑小，最小安全系數為1.8，發生在邊墻頂部。由于地形偏壓的影響，使得位移并不對稱，拱頂最終位移為13 mm，而最大位移出現在右導坑的拱肩處，為18 mm。最終的位移反映了地形偏壓的影響。因此，采用CD法施工偏壓Ⅳ級石質圍巖是可行的，支護安全系數能夠得到保證，圍巖變形也能得到有效約束。

3)Ⅳ級土質圍巖淺埋

與Ⅳ級石質圍巖淺埋的情況相似，無論是從約束圍巖變形還是從支護受力，采用CD法施工淺埋Ⅳ級土質圍巖，取得的效果均較臺階法好。

4)Ⅳ級土質圍巖偏壓

先行施工的左導坑初支安全系數較右導坑小，拆撐后最小安全系數為1.8，發生在邊墻頂部。拆除臨時支撐是關鍵工序，使得安全系數降低明顯。由于地形偏壓的影響，使得位移不對稱，最大位移出現在右導坑的拱肩處，為11 mm。所以，采取CRD法施工偏壓Ⅳ級土質圍巖是可行的，支護安全系數能夠得到保證，圍巖變形也能得到有效約束。

5)Ⅴ級圍巖淺埋

從初期支護的安全性看，臺階法、CD法、CRD法、雙側壁導坑法在拆撐前的最小安全系數分別為1.9，2.1，2.2，2.3，相差并不大，但是發生在不同的結構部位。從安全系數的分布情況看，CRD法施工的安全系數較CD法大，CD法施工的安全系數又較臺階法大;CRD法與雙側壁導坑法相差不大，但是雙側壁導坑法施工的結構安全系數分布更加均勻，因而效果稍好。從約束圍巖變形的效果來看，雙側壁導坑法＞CRD法＞CD法。

6)Ⅴ級圍巖偏壓

從初期支護的安全性看，CRD法、雙側壁導坑法在拆撐前的最小安全系數分別為2.3，1.8，均發生在邊墻頂部。從安全系數的分布情況看，CRD法施工的左導坑安全系數與雙側壁導坑法接近，相差較小，而右導坑安全系數則明顯較雙側壁導坑法大，也就是說更安全。但是，雙側壁導坑法施工的結構安全系數分布更加均勻。從約束圍巖變形的效果來看，雙側壁導坑法＞CRD法。

另外，在各種工況下，臨時支護的安全系數滿足規范要求，能夠保證施工的安全性。

通過以上分析，綜合對比了各圍巖條件下不同施工工法的初期支護安全系數與位移，最終推薦的各工況的合理施工工法見表7。

表7 各工況推薦施工工法

5 結論

1)對于CD法和CRD法兩種施工工法，安全系數的最小值均發生在先行施工一側，位置在邊墻頂部。

2)對于有臨時支護的施工工法，臨時支撐的拆除會使得安全系數明顯降低，是關鍵工序。

3)在各種工況下，臨時支護的安全系數均滿足規范要求，能夠保證施工的安全性。

4)偏壓工況下的最大位移均發生在拱肩處，反映出地形的影響。

5)通過對各圍巖條件下不同施工工法的初期支護安全系數與位移的對比分析，最終給出了各工況的合理施工工法:Ⅳ級石質圍巖(包括淺埋及偏壓)及土質圍巖淺埋情況可采用CD法施工，Ⅳ級土質圍巖偏壓及Ⅴ級圍巖淺埋情況采用CRD法施工較好，而Ⅴ級圍巖偏壓情況建議采用雙側壁導坑法施工。

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