淺埋偏壓軟弱圍巖高鐵隧道施工技術

張東輝

（中鐵十九局集團第一工程有限公司，河北承德 067300）

隧道工程

淺埋偏壓軟弱圍巖高鐵隧道施工技術

張東輝

（中鐵十九局集團第一工程有限公司，河北承德 067300）

淺埋偏壓軟弱圍巖隧道工程施工中，由于圍巖結構的穩定性較差，在隧道開挖施工過程中很容易出現塌方現象。需要對淺埋偏壓隧道工程施工工藝進行分析，以確保開挖施工安全和隧道結構的穩定性。主要以某工程實例為背景，建立隧道開挖施工有限元模型，介紹了隧道施工工藝對圍巖結構穩定性的影響。

淺埋偏壓；隧道工程；穩定性；有限元模型

1 淺埋偏壓軟弱圍巖高鐵隧道施工常見問題

1.1 地面斷裂、塌方問題

對于淺埋偏壓軟弱圍巖地質來說，其承載能力有限，較正常地質偏弱，若加固措施不當施工期間很容易發生地層斷裂、塌方等問題。而地面斷裂、塌方問題對于工程施工質量與進度都是致命影響，因采取有效措施進行規避。

1.2 淺埋偏壓問題

處于淺埋和偏壓段的軟弱圍巖在施工過程中發生偏壓的主要原因有地質條件原因和施工作業不對稱兩方面，其中又以前者為主。地質水平度較差或者軟弱巖層覆蓋厚度不均勻時易導致隧道圍巖偏壓問題。

1.3 施工作業困難

淺埋偏壓軟弱圍巖區作業環境差，在進行高鐵隧道施工時無論是挖掘、支護還是運輸都比較困難。

2 導致淺埋偏壓問題的原因分析

2.1 地質原因

軟弱圍巖是產生偏壓問題的常見不良地質，施工過程會對高鐵隧道四周圍巖、地層造成擾動，由于其狀態比較軟弱、疏松且自穩定能力極差，容易形成傾斜狀態，并在重力等作用下不斷發展，導致軟弱圍巖體順勢滑動，造成隧道偏壓問題。

2.2 地形原因

隧道工程多分布在山區，而山區地勢的傾斜度比平原地區大，從而圍巖的側向壓力較明顯，同時，由于地質結構中不同圍巖層中對隧道的作用，導致隧道分布深度越大，則隧道圍巖出現偏壓的現象越明顯。

2.3 施工技術原因

隧道施工工藝對圍巖結構的穩定性具有一定影響，若開挖施工工藝不當，可能會造成隧道開挖斷面出現塌方，或者圍巖變形，降低隧道圍巖結構的穩定性，出現局部受力較大現象，從而引起隧道偏壓現象。

3 工程概況

3.1 建立有限元模型

（1）模型網格劃分

根據隧道設計斷面尺寸，利用flac 3D有限元軟件建立有限元模型，隧道最大埋深為40 m，隧道坡度為1.75，模型邊界尺寸為上下130 m，左右170 m，進深設計為5 m，模型采用淺埋偏壓隧道CRD開挖，其有限元模型如圖1所示。

圖1 隧道有限元模型

圖2 隧道開挖順序

（2）隧道參數

根據隧道工程地質勘查資料顯示，圍巖等級Ⅴ，圍巖密度21 kN／m3，圍巖彈性模量為1.7 GPa，圍巖的剪切模量為0.64 GPa，內聚力為90 kPa，內摩擦角26°，圍巖的抗拉強度為50 kPa，圍巖受力狀況服從摩爾-庫倫基本原則，且圍巖自重形成初始地應力場。

隧道開挖施工中采用的錨桿彈性模量為40 GPa，錨桿長度設計為4.5 m，錨桿直徑為25 mm，錨桿注漿加固圍巖的范圍直徑為250 mm，圍巖加固范圍內法向剛度為15 MPa，粘聚力為2 MPa。隧道初期支護工藝中，臨時支撐厚度30 cm，混凝土彈性模量9 GPa，噴射混凝土厚度為25 cm，其混凝土彈性模量為9 GPa，密度為2 500 kg／m3。

（3）隧道開挖順序

隧道工程開挖及支護的順序如下：

工況1：開挖隧道1部分，同時開展2、3部分的初期支護和臨時支護；

工況2：開挖隧道2部分，同時開展4部分的初期支護和臨時支護；

工況3：開挖隧道3部分，同時開展4部分的初期支護和臨時支護；

工況4：開挖隧道4部分，同時開展初期支護圍巖及仰拱施工；

工況5：對臨時支撐進行拆除。

3.2 隧道分析結果

在隧道開挖施工過程中，各工況施工過程中，圍巖的塑性區的分布狀況如下圖所示，從圖中可以得出，拱腰和墻腳部位的圍巖呈塑性狀態，在工況2拱部開挖施工結束后，形成塑性區，在工況3施工過程中，塑性區未發生變化，而在工況4施工過程中，拱腰部分的塑性區與地表相互貫通，在工況5拆除臨時施工過程中，造成圍巖塑性區增大變化。

圖3 隧道各工況施工過程中圍巖塑性區狀態

由隧道開挖施工過程可知，隧道埋深較大的一側拱腰圍巖部位出現較大程度的剪切破壞，且圍巖塑性區域在隧道工況2和工況4施工過程中出現了較大程度的擴大，可以采用改善開挖施工順序，改善圍巖應力路徑的傳遞，從而較大程度上改善塑性區的分布范圍。

在隧道工況4施工中，拱腰圍巖塑性區向剪切破壞區開展，可以改善施工工藝，例如推遲拆除臨時支撐的時間，避免塑性區與坡面相互貫通，克服剪切破壞狀態向屈服破壞狀態的改變。

圖4 位移曲線

從圖4隧道圍巖位移曲線可以得出，在隧道工況1施工過程中對地表和拱頂部位造成的沉降最為明顯，且工況5施工過程也對拱頂沉降造成一定的影響，但是工況5施工對地表沉降值較小，可判斷出開挖過程中的臨時支撐對圍巖的穩定性具有一定的影響，可控制圍巖沉降。而工況施工過程對圍巖水平收斂產生一定影響，工況5對圍巖水平收斂的影響較弱，可得出隧道施工中的封閉成環比臨時支撐更對圍巖的水平收斂效果明顯。

4 結 論

通過對淺埋偏壓軟弱圍巖隧道CRD施工技術的分析，借助有限元分析模型，分析了隧道施工各階段中圍巖的受力特點，并得出如下結論：圍巖的豎向位移受臨時支撐的影響，為減小豎向位移，可推遲拆除臨時支撐的時間；封閉成環可控制水平收斂，需及時封閉成環，確保隧道開挖施工過程中圍巖結構的穩定性。

［1］ 吳文龍.復雜地質環境下隧道施工技術分析［J］.門窗，2016，（8）.

［2］ 田辰光.高原高寒地區隧道施工技術研究［J］.黑龍江交通科技，2016，（8）.

［3］ 張恩軍.論隧道施工技術［J］.黑龍江交通科技，2013，（7）.

Discussion on construction technology of high speed railway tunnelw ith shallow buried and unsymmetrical pressure

DONG Hui
（China Railway nineteen Bureau Group First Engineering Co.，Ltd.Chengde Hebei067300，China）

Due to the poor stability of surrounding rock structure，the collapse phenomenon is easily occurred during the construction of shallow buried and unsymmetrical pressure tunnelwith weak surrounding rock.In order to ensure the safety of excavation construction and the stability of tunnel structure，the construction technology of shallow buried and unsymmetrical pressure tunnel is analyzed.In this paper，based on the background ofa project，the construction of the finite elementmodel of the tunnelexcavation is established，and the influence of the tunnel construction technology on the stability of surrounding rock structure is introduced.

Shallow buried bias；tunnel engineering；stability；finite elementmodel

U455.4

C

1008-3383（2017）01-0122-02

2016-10-17

張東輝（1986-），男，助理工程師，從事技術管理工作。