鄭萬高鐵隧道大型機械化配套全斷面法施工圍巖-支護結(jié)構(gòu)相互作用力學特性研究

于 麗， 蔡閩金, *

(1. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031；2. 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)

0 引言

全斷面施工工法借助新奧法原理，強調(diào)充分發(fā)揮巖體結(jié)構(gòu)的自承作用，盡量減少對圍巖的多次擾動和破壞，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級鐵路、公路隧道施工中，由于其施工組織和安全控制難度小、便于快速施工，因此得到廣泛的應用。對于軟弱圍巖，由于傳統(tǒng)的全斷面法施工一次開挖斷面大，一次性人工鉆爆、支護時間長，在Ⅳ、Ⅴ級圍巖中受圍巖自穩(wěn)能力的限制，為保證施工安全，通常選用臺階法作為軟弱圍巖施工工法。而臺階法施工存在施工作業(yè)空間小、施工組織不便等問題，且對掌子面開挖頻次大，對圍巖和支護結(jié)構(gòu)造成多次擾動，不利于圍巖的穩(wěn)定性。

隨著機械化水平的不斷提高，鄭萬高鐵首次引進三臂鑿巖臺車、錨桿鉆注漿一體機、立拱架臺車等一系列大型機械化配套設施，采用大型機械化配套全斷面法進行隧道施工，大大縮短了掌子面鉆孔、裝藥、打錨桿、立拱架的時間，使得掌子面能夠及時得到初期支護，盡早封閉成環(huán)。大型機械化配套施工工藝保證了全斷面施工工法在巖性較差隧道段施工的安全性和便捷性，取得了開挖快速、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟、有利于環(huán)境保護和降低勞動力強度等一系列成效，使得全斷面工法的圍巖適用范圍從Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級圍巖推廣到Ⅳ、Ⅴ級圍巖，并取得良好的社會經(jīng)濟效益。

目前，對于全斷面施工工法的研究已取得了一定進展： 王正松等[1]簡要介紹了全斷面開挖方法以控制工作面超前核心土變形為手段的主要理念、施工原則及施工方法； 梅志榮等[2]運用有限元方法，對隧道全斷面預加固進行了三維數(shù)值模擬，同時闡述了全斷面施工的基本應用原理； 何健等[3]根據(jù)新奧法原理并結(jié)合工程地質(zhì)條件，對隧道采用全斷面法開挖進行數(shù)值分析； 李利平等[4]通過大比尺模型試驗，得出全斷面法襯砌結(jié)構(gòu)破壞區(qū)主要集中在拱頂上方區(qū)域； 謝雄耀等[5]采用地面三維激光掃描技術(shù)測量隧道全斷面變形，解決了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理2大方面的問題； 何荷等[6]通過模擬在Ⅲ級圍巖下隧道全斷面開挖的使用條件，得出當隧道與變形體間距大于等于4D(D為隧道直徑)時，可采用全斷面法開挖； 趙明階等[7-8]采用模型試驗和數(shù)值分析的方法,對巖溶區(qū)全斷面開挖隧道圍巖的變形特性進行分析,提出了評價圍巖穩(wěn)定性的方法、超前支護和二次襯砌時間、巖溶處理的界限與標準； 徐前衛(wèi)等[9]通過現(xiàn)場試驗、室內(nèi)地質(zhì)力學模型試驗和數(shù)值模擬等手段，得出超大斷面軟弱隧道圍巖的破壞是始自拱腰以下的巖體，而后自拱腰向上繼續(xù)擴展成拱； 周亞宇[10]結(jié)合隧道全斷面施工現(xiàn)場開挖揭露出的圍巖情況，應用離散單元法(UDEC)對圍巖破碎帶全斷面施工開挖、支護方案參數(shù)進行數(shù)值模擬理論分析，以確定隧道圍巖及初期支護結(jié)構(gòu)是否處于完全穩(wěn)定狀態(tài)。上述研究主要是針對傳統(tǒng)全斷面法隧道施工展開的，并未對大型機械化配套全斷面工法隧道施工展開研究，同時大部分采用數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗的研究手段，并未基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行分析。

本文依托鄭萬高鐵湖北段隧道工程，對大型機械化配套全斷面法施工圍巖-支護結(jié)構(gòu)相互作用力學特性進行研究，同時對比臺階法施工，確定2種工法圍巖-支護結(jié)構(gòu)相互作用力學特性差異，以期為隧道設計施工提供一定的工程指導意見。

1 工程概況

新建鄭州至萬州高鐵湖北段，線路自豫鄂省界進入湖北省襄陽市境內(nèi)，在襄陽新設襄陽東津站，再跨越漢江，至南漳縣設站; 而后沿麻竹高速公路經(jīng)長坪至保康縣設站，線路翻越秦巴山脈，在神農(nóng)架林區(qū)新華鎮(zhèn)設神農(nóng)架站，至興山縣北斗坪設興山站，經(jīng)巴東縣平陽壩設巴東北站； 出站后，跨越神農(nóng)溪經(jīng)香樹灣隧道進入重慶境內(nèi)。起點里程為DK348+500，終點里程為DK635+420，正線長287.187 km，具有隧線比高、軟弱圍巖占比大、以深埋為主等特點。鄭萬高鐵隧道典型斷面如圖1所示。

2 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析

對于軟弱圍巖隧道，通常采用臺階法施工，臺階法一次開挖斷面小，支護時間快，有利于開挖斷面及時支護。為了對比大型機械化配套全斷面法和臺階法在施工過程中圍巖的穩(wěn)定性差異，選取賀家莊隧道(臺階法施工)圍巖現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)以及鄭萬高鐵高家坪隧道和新華隧道(大型機械化配套全斷面法施工)圍巖現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析。土壓力盒現(xiàn)場安裝及圍巖壓力現(xiàn)場監(jiān)測見圖2，監(jiān)測斷面地質(zhì)條件見表1。

(b) 現(xiàn)場監(jiān)測

監(jiān)測斷面地質(zhì)條件高家坪隧道 上覆坡積粗角礫土,下伏基巖為灰?guī)r,地層中局部有溶洞發(fā)育,泥質(zhì)充填新華隧道 上覆坡洪積粉質(zhì)黏土、碎石土、塊石土,下伏基巖為白云巖賀家莊隧道Q2黏質(zhì)黃土

2.1 臺階法施工圍巖壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

通過采集軟弱圍巖區(qū)段賀家莊隧道的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到圍巖壓力的分布形式如圖3所示，突變點圍巖壓力情況見表2。

由圖3和表2可知： 臺階法開挖隧道圍巖壓力分布形式上存在明顯的突變點，圍巖壓力突變形式表現(xiàn)為兩側(cè)向中間突然減小或單側(cè)圍巖壓力突然減小，突變部位主要集中在隧道拱頂及拱肩部位，減小比例最高達到97.4%，突變部位圍巖壓力數(shù)值極小，最小值僅為2.51 kPa。以上結(jié)果表明，支護結(jié)構(gòu)和圍巖之間可能存在間隙。

臺階法施工容易引起支護結(jié)構(gòu)和圍巖之間脫空現(xiàn)象的原因為： 1)臺階法施工一個斷面上的初期支護受多次開挖擾動，初期支護封閉不及時； 2)鎖腳錨桿受到多次擾動，使得其對支護結(jié)構(gòu)的錨固作用受擾動影響而減弱。

(a) 賀家莊隧道DK242+945斷面

(b) 賀家莊隧道DK242+960斷面

(c) 賀家莊隧道DK242+987斷面

Y1—Y11為監(jiān)測點。

圖3臺階法施工隧道圍巖壓力分布(單位： kPa)

Fig. 3 Distribution of surrounding rock pressure in bench method (unit: kPa)

表2臺階法隧道圍巖壓力突變點壓力情況統(tǒng)計

Table 2 Statistics of pressure of surrounding rock pressure break point in bench method

斷面里程突變點位置突變點圍巖壓力/kPa左監(jiān)測點圍巖壓力/kPa減小比例/%右監(jiān)測點圍巖壓力/kPa減小比例/%DK242+945Y52.5135.0992.8578.1896.79DK242+960Y132.03146.7778.1879.4159.67DK242+960Y426.81282.8490.52146.7781.73DK242+960Y513.1579.4183.44133.2490.13DK242+987Y23.95152.197.4096.8395.92

2.2 大型機械化配套全斷面法施工圍巖壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

通過采集鄭萬高鐵軟弱圍巖區(qū)段高家坪隧道和新華隧道的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到圍巖壓力的分布形式，如圖4所示。

(a) 高家坪隧道DK499+095斷面

(b) 高家坪隧道DK449+135斷面

(c) 新華隧道D1K556+946斷面

Fig. 4 Distribution of surrounding rock pressure in full-section method with large-scale machinery (unit: kPa)

由圖4可知： 采用大型機械化配套全斷面法施工，隧道周邊各個測點之間的圍巖壓力均能夠合理變化，相鄰測點之間圍巖壓力的相對變化比例基本在50%以內(nèi)，且無明顯突變點。說明大型機械化配套全斷面開挖工法避免了開挖過程中的多次施工擾動，使得支護結(jié)構(gòu)及時封閉，確保了施工中圍巖和支護結(jié)構(gòu)之間的良好接觸。

3 有限元分析

為了研究2種施工工法對支護結(jié)構(gòu)與圍巖之間發(fā)生脫空的影響，采用數(shù)值模擬的方法，建立支護結(jié)構(gòu)與圍巖之間有間隙和無間隙的2種有限元模型，并基于實測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，對臺階法和大型機械化配套全斷面施工工法圍巖和支護結(jié)構(gòu)受力特性進行研究。

3.1 有限元模型

模型左右邊界至隧道外側(cè)面的距離各取4倍洞徑，則模型橫向長度約為90 m； 模型上下邊界至隧道頂面和基底均取3倍洞高，則模型高度約為80 m； 模型的縱向長度取1 m，由此建立的模型尺寸為90 m×80 m×1 m，隧道埋深為36 m。計算模型的前后左右施加法向約束，底部施加豎向約束，上表面為自由表面。襯砌結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬，取Ⅳ級圍巖參數(shù)，支護參數(shù)按設計取值，圍巖參數(shù)及支護材料參數(shù)見表3—4。同時，拱頂位置布置1個監(jiān)測點，監(jiān)測拱頂沉降； 兩側(cè)的拱墻布置3個監(jiān)測點，監(jiān)測水平收斂情況，計算模型和監(jiān)測點布置見圖5。計算中只考慮初期支護的作用，二次襯砌作為安全儲備，模擬時不予考慮。本文采用減少荷載釋放步、加快初期支護時間的方式模擬大型機械化配套全斷面施工。初期支護圍巖脫空模型圖見圖6。

表3 圍巖參數(shù)

表4 支護材料參數(shù)

(a) 計算模型

(b) 測點布置

Fig. 5 Calculation model and layout of displacement monitoring points

(a) 拱頂脫空

(b) 拱肩脫空

Fig. 6 Model of void between primary support and surrounding rock

3.2 計算結(jié)果分析

3.2.1 圍巖壓力

根據(jù)2種施工工法有無脫空情況下的圍巖壓力和支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力，對比分析圍巖-支護結(jié)構(gòu)相互作用力學特性。2種工法的隧道圍巖壓力分布見圖7，圍巖壓力突變點情況見表5。

由圖7和表5可以得到以下結(jié)論：

1)當圍巖和支護結(jié)構(gòu)密貼時，采用大型機械化配套全斷面法和臺階法開挖，支護結(jié)構(gòu)受到的圍巖壓力并無明顯的壓力突變點，各個相鄰部位的圍巖壓力變化相對平緩； 當拱頂或拱肩與圍巖之間存在間隙時，2種開挖工法對應的圍巖壓力分布形式均表現(xiàn)為間隙部位的圍巖壓力突減； 臺階法開挖的圍巖壓力突減部位減小比例基本達到85%左右，與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)減小比例吻合較好，驗證了臺階法施工監(jiān)測斷面存在初期支護脫空的情況。

(a) 臺階法未脫空

(b) 臺階法拱頂脫空

(c) 臺階法拱肩脫空

(d) 全斷面法未脫空

(e) 全斷面法拱頂脫空

(f) 全斷面法拱肩脫空

Table 5 Statistics of pressure of surrounding rock pressure break point in bench method and full-section method

工法突變點位置突變點圍巖壓力/kPa左監(jiān)測點圍巖壓力/kPa減小比例/%右監(jiān)測點圍巖壓力/kPa減小比例/%臺階法拱頂6.852.487.0249.786.32拱肩17.4134.887.0938.154.33全斷面法拱頂13.768.179.8868.379.94拱肩20.8122.683.0340.949.14

2)脫空部位相同時，大型機械化配套全斷面法開挖的圍巖壓力突變部位的減小比例基本達到80%左右，比臺階法開挖的圍巖壓力突減程度低，一定程度上說明大型機械化配套全斷面法的快速施工減小了臺階法多次施工擾動對結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生的不利影響。而大型機械化配套全斷面法施工的現(xiàn)場監(jiān)測圍巖壓力的減小比例在50%左右，與脫空情況下的數(shù)值模擬結(jié)果差距較大，說明采用大型機械化配套全斷面法施工開挖擾動少，有利于初期支護和圍巖之間的協(xié)調(diào)變形，能一定程度上避免發(fā)生支護結(jié)構(gòu)與圍巖脫空的不利情況。

3.2.2 支護結(jié)構(gòu)

支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布見圖8—10，由圖8—10可以得到以下結(jié)論。

(a) 臺階法未脫空

(b) 臺階法拱頂脫空

(c) 臺階法拱肩脫空

(d) 全斷面法未脫空

(e) 全斷面法拱頂脫空

(f) 全斷面法拱肩脫空

圖8支護結(jié)構(gòu)彎矩圖(單位： N·m)

Fig. 8 Bending moment diagrams of supporting structure (unit: N·m)

(a) 臺階法未脫空

(b) 臺階法拱頂脫空

(c) 臺階法拱肩脫空

(d) 全斷面法未脫空

(e) 全斷面法拱頂脫空

(f) 全斷面法拱肩脫空

圖9支護結(jié)構(gòu)軸力圖(單位: N)

Fig. 9 Axial force diagrams of supporting structure (unit: N)

1)當圍巖未脫空時，臺階法施工在拱腰至拱腳之間表現(xiàn)出較大的彎矩和剪力，最大彎矩達35.8 kN·m，最大剪力達129 kN，均作用在拱腰部位; 而臺階法施工軸力在拱腰至拱腳之間較小，最大軸力為1 680 kN，說明在該段支護結(jié)構(gòu)中存在較大的偏心受壓情況。大型機械化配套全斷面法施工拱腳以上拱圈表現(xiàn)出較小的彎矩和剪力，最大彎矩為31.5 kN·m，最大剪力為 56 kN，而在拱腰至拱腳之間的軸力比臺階法大，最大達到3 060 kN，說明該段支護結(jié)構(gòu)更偏向于軸心受壓。以上結(jié)果表明： 大型機械化配套全斷面法減小了支護結(jié)構(gòu)的偏心受壓程度，使拱形隧道支護結(jié)構(gòu)能夠有效地發(fā)揮承載作用。

2)當圍巖和支護結(jié)構(gòu)在不同部位發(fā)生脫空時，臺階法和大型機械化配套全斷面法最大彎矩和剪力均向脫空部位轉(zhuǎn)移，并在脫空部位產(chǎn)生比未脫空時更大的彎矩和剪力。當拱頂發(fā)生脫空時，臺階法施工的最大彎矩、剪力轉(zhuǎn)移至拱頂，分別為57.5 kN·m、138 kN； 大型機械化配套全斷面法施工的最大彎矩、剪力轉(zhuǎn)移至拱頂，分別為62.1 kN·m、150 kN，而軸力均改變不大。當拱肩發(fā)生脫空時，臺階法最大彎矩、剪力轉(zhuǎn)移至拱肩，分別為68.8 kN·m、163 kN，大型機械化配套全斷面法施工的最大彎矩、剪力轉(zhuǎn)移至拱肩，分別為79.3 kN·m、195 kN，而軸力均改變不大。支護結(jié)構(gòu)與圍巖的脫空加重結(jié)構(gòu)偏心受壓程度的情況表明，施工時應該選取合適的工法，避免脫空的發(fā)生。臺階法多次開挖擾動不利于支護結(jié)構(gòu)和圍巖的密貼，而采用大型機械化配套全斷面開挖一次爆破、初期支護一次澆筑成環(huán)，能夠保證支護結(jié)構(gòu)和圍巖較好的貼合，更有利于隧道拱形結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

(a) 臺階法未脫空

(b) 臺階法拱頂脫空

(c) 臺階法拱肩脫空

(d) 全斷面法未脫空

(e) 全斷面法拱頂脫空

(f) 全斷面法拱肩脫空

3.2.3 結(jié)構(gòu)變形分析

進一步對比臺階法和大型機械化配套全斷面法在同等地質(zhì)條件下控制結(jié)構(gòu)變形沉降方面的特點，對比結(jié)果見表6。

表6 2種工法初期支護位移及增量比例

Table 6 Displacement and incremental proportion of primary support in two methods

施工工法拱頂沉降/mm拱肩水平收斂/mm拱腰水平收斂/mm拱腳水平收斂/mm全斷面法9.7927.31211.3137.904臺階法12.2467.73613.3869.704減小比例/%20.045.4815.4918.55

由表6可知： 大型機械化配套全斷面法施工的初期支護結(jié)構(gòu)各部位變形位移均有所減小，其中拱肩水平收斂的減小比例為5%左右，拱頂沉降、拱腰水平收斂、拱腳水平收斂減小更為明顯，減小比例達到臺階法施工的20%左右。結(jié)果表明： 采用大型機械化配套全斷面法一次爆破、支護一次封閉成環(huán)，在控制結(jié)構(gòu)變形方面與臺階法相比具有較大優(yōu)勢。

4 適用性對比

由于不同施工工法適用于不同的工程類型和地質(zhì)條件，為了確定新工法的適用性，對比了不同施工工法之間的適用情況，見表7。

表7 2種施工工法的適用性對比

Table 7 Comparison of applicability between two construction methods

施工工法施工速度環(huán)境影響施工組織難度地層適應性臺階法快一般 一般 適用于軟土、軟巖開挖 大型機械化配套全斷面法較快一般 易 適用于巖性較差的軟巖軟土開挖

由表7可知： 對于大型機械化配套全斷面法施工，其施工速度比臺階法快，且施工斷面大，施工組織較方便。結(jié)果表明： 大型機械化配套全斷面法適用于軟弱圍巖的隧道開挖，具有提高施工效率、保證施工安全的綜合優(yōu)勢。

5 結(jié)論與建議

1)臺階法由于施工時產(chǎn)生多次擾動，極易引起初期支護與圍巖之間發(fā)生脫空現(xiàn)象，大型機械化配套全段面法一次爆破、支護一次封閉成環(huán)，開挖擾動少，能更加有效地保證支護結(jié)構(gòu)和圍巖之間的密貼性。

2)在軟弱圍巖中，采用大型機械化配套全斷面法施工有利于改善結(jié)構(gòu)受力，減緩結(jié)構(gòu)內(nèi)部偏心受壓的程度，能有效發(fā)揮拱形隧道的結(jié)構(gòu)承載力。無論是臺階法還是大型機械化配套全斷面法施工，支護結(jié)構(gòu)與圍巖脫空均會導致支護結(jié)構(gòu)在脫空部位產(chǎn)生較大的彎矩、剪力，加重支護結(jié)構(gòu)在該部位的偏心受壓程度，不利于發(fā)揮拱形隧道的承載作用，而采用大型機械化配套全斷面法能一定程度上避免支護結(jié)構(gòu)脫空情況的發(fā)生。

3)大型機械化配套全斷面法在軟弱圍巖快速施工、控制支護結(jié)構(gòu)變形、保證支護結(jié)構(gòu)受力安全方面具有綜合優(yōu)勢。

4)本文基于現(xiàn)場實測圍巖壓力數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬結(jié)果，對圍巖-支護結(jié)構(gòu)之間相互作用力學特性進行研究，但未對圍巖更深層次的擾動機制進行分析。下一步建議對深部圍巖展開監(jiān)測和理論分析，確定深部圍巖擾動的力學特性，以更好地指導隧道設計施工。