高地應力條件下控制軟巖大變形隧道周邊位移的施工工法研究

馬德林, 趙啟超

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

高地應力條件下控制軟巖大變形隧道周邊位移的施工工法研究

馬德林, 趙啟超

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

文章基于新建蘭新第二雙線鐵路某隧道穿越高地應力條件下的軟巖地段的工程實際，采用有限差分軟件FLAC3D對該隧道施工擬采用的三臺階法、三臺階臨時仰拱法和三臺階七步法等三種工法進行了動態開挖模擬。通過對各工法下隧道拱頂沉降和水平位移變化情況對比分析，結果表明在高地應力下，三臺階臨時仰拱法能及時封閉成環，是最能控制軟巖大變形隧道周邊位移的施工工法。

高地應力； 軟巖大變形隧道； 三臺階法； 三臺階臨時仰拱法； 三臺階七步法

近年來，隨著我國基礎建設事業的高速發展和西部大開發的進一步推進，我國的公路隧道工程、鐵路隧道工程和地下工程迅猛發展，大量長大、深埋隧道工程紛紛上馬，對于圍巖大變形的合理預測和有效防治愈顯緊迫與重要[1-2]。而目前在圍巖大變形的預測及工程對策方面是研究的薄弱環節，其中，勘察設計便是非常重要的一環。因此，大斷面鐵路隧道穿越高地應力條件下的軟巖地段時，合理的施工工法對隧道洞周的變形控制起著十分關鍵的作用[3]。本文基于新建蘭新第二雙線鐵路某隧道穿越高地應力條件下的軟巖地段的工程實際，以控制軟巖大變形隧道周邊位移為目的，通過數值模擬的手段研究了不同的臺階法施工對隧道周邊變形的影響。

1 工程背景

該隧道地處中高山區，平均海拔3 600～4 200 m，最大埋深超過800 m，隧址區山高坡陡，基巖部分裸露，溝壑縱橫，進出口兩端低而洞身部位高。區域主要分布奧陶系中統砂巖、灰巖、板巖、二疊系砂巖等，斷層帶內分布有斷層碎裂巖及斷層泥礫，巖體較為破碎，圍巖分級屬于Ⅴ級。實際開挖掌子面揭示圍巖為博層狀黑色板巖，巖質較軟，節理很發育，呈薄片狀壓碎結構，巖層可見撓曲現象，巖體整體穩定性差，施工安全風險高。

2 工法選取和介紹

大斷面軟巖隧道施工中，傳統的施工方法有雙側壁導坑法、CD法、CRD法等，這些工法施工速度慢、功效低，存在一定的局限性，限制了大型施工機械的使用，基本靠人工開挖；臨時支撐反復拆裝，成本投入大；各分部開挖面循環銜接性差，相互干擾大，施工質量得不到保證等。而目前國內大斷面軟巖隧道施工中，往往會面臨以下問題：對工期緊迫性的要求，需組織快速施工；工程水文地質復雜，可變性大，須選擇一種能適應地質變化而迅速過渡的施工方法；能較大限度地發揮大型施工機械的優勢，以求最佳的施工進度；把長期施工實踐所積累的作業習慣融合于施工方法中，做到高效，易掌握，達到快速形成施工能力等要求。因此，能保證施工安全的同時又能加快施工進度的臺階法及其變式工法應運而生，并在隧道洞口段和軟弱圍巖段得到了廣泛的運用[4-9]。

三臺階法是將隧道分為三部分開挖，施工時先開挖上臺階，待開挖到一定長度后再開挖中臺階和下臺階，形成上、中、下三臺階同時并進的施工方法；三臺階臨時仰拱法是在三臺階開挖的基礎上，當上中臺階開挖完成后，施做洞周初支，并在臺階底部澆筑混凝土，形成臨時仰拱，使其及時封閉成環，一段時間后再拆除的施工工藝；而三臺階七步開挖法，是以弧形導坑開挖預留核心土為基本模式，分上、中、下三個臺階七個開挖面，各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開、平行推進的施工工法[10]。

3 數值模擬分析與對比

3.1 模型描述

采用三維地層結構模型，計算斷面開挖高度12.8 m，開挖跨度15.5 m，取模型豎向長度60 m，在模型頂面施加初始應力來模擬上覆圍巖壓力。計算中圍巖采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型，噴射混凝土、錨桿、型鋼支撐等支護結構按線彈性材料計算。計算模型取寬140 m，隧道縱向48 m，計算模型四個側面限制沿該面法線方向的水平位移，底部限制豎向方向的位移，頂部邊界為自由面。

模擬計算段為Ⅴ級圍巖，模擬計算時假設圍巖為單一、均質的連續介質，其物理力學性質根據工程地質資料并參考規范來取值。超前預支護的加固效果，根據經驗通過提高圍巖的物理力學參數來模擬，一般將圍巖級別提高一級。同樣，錨桿的作用效果也通過提高圍巖參數的方法進行等效模擬。鋼拱架的作用也采用等效方法予以考慮，即將鋼拱架彈性模量折算給初期支護及臨時支護：

(1)

式中：E為折算后的支護彈性模量；E0為支護噴射混凝土彈性模量；Eg為工字鋼彈性模量；Sg為鋼拱架橫截面積；Sc為支護噴射混凝土橫截面積。

計算不考慮鋼筋網的作用效果，以作為結構的安全儲備。本次計算圍巖及支護參數的物理力學參數見表1。

3.2 工法模擬

本文使用巖土工程領域常用的有限差分軟件FLAC3D進行建模分析，三種工法的計算模型施工示意圖分別見圖1～圖3。

3.3 計算結果分析

根據數值模擬計算結果，分析三種工法所引起的隧道拱頂沉降和水平位移大小隨施工步的變化，選取了一個目標斷面，將該斷面的隧道周邊變形隨施工步序的變化情況繪制于圖4中(以三臺階臨仰拱法為例)。

對三種工法模擬情況下的洞周位移結果進行匯總，其對比分析如表2所示。

4 結論

通過對比三種工法情況下隧道洞周位移收斂值可以得到以下結論：

(1)在控制高地應力條件下的隧道拱頂沉降方面，三臺階臨時仰拱法拱頂沉降值僅為三臺階法的46.68 %，為三臺階七步開挖法的53.70 %，而三臺階七步開挖法拱頂沉降值為三臺階法的86.92 %。即三臺階臨時仰拱法遠遠優于三臺階法和三臺階七步開挖法，同時，三臺階七步開挖法又優于三臺階法。

(2)在控制高地應力條件下的隧道邊墻水平收斂方面，三臺階臨時仰拱法邊墻水平收斂值僅為三臺階法的43.56 %， 為三臺階七步開挖法的43.22%，而三臺階法邊墻水平收斂值為三臺階七步開挖法的99.23%。即在控制邊墻水平收斂方面，三臺階臨時仰拱法遠遠優于三臺階法和三臺階七步開挖法，同時，三臺階法又優于三臺階七步開挖法。

(3)數值模擬計算結果表明，選擇三臺階臨時仰拱法是最能控制軟巖大變形隧道周邊位移的臺階工法，在設計類似工程的隧道時可以予以合理考慮。

[1] 劉文憲. 深入實施西部大開發戰略，進一步加強西部鐵路發展[J]. 鐵道經濟研究,2011(2):26-28.

[2] 霍潤科,劉漢東. 隧道與地下工程[M]. 北京： 中國建筑出版社,2011.

[3] 關寶樹,趙勇. 軟弱圍巖隧道施工技術[M]. 北京: 人民交通出版社,2011.

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[8] 李永林,馮學鋼，姜云,等. 隧道工程圍巖大變形及預測預報研究[J]. 現代隧道技術,2005,42(5): 46-51.

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馬德林(1990～)，男，碩士研究生，研究方向為山嶺隧道工程。

U456.3+3

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[定稿日期]2017-03-16