京張高鐵八達嶺長城站超大跨隧道變形控制標準研究

呂 剛,劉建友,張民慶,岳 嶺

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055；2.中國國家鐵路集團有限公司,北京 100844)

引言

京張高鐵新八達嶺隧道全長12.01 km，為單洞雙線隧道，標準段開挖跨度13.52～13.82 m，大跨過渡段開挖跨度達32.7 m，是目前國內開挖跨度最大的暗挖鐵路隧道，安全風險高，施工難度大。大跨過渡段一共分為11步開挖，每一步開挖都將引起拱頂變形及整體變形，將變形控制在設計允許的安全范圍內則是整個隧道施工的關鍵與難點。

國內外學者對大跨隧道、變形控制進行了相關研究。易小明等[1]通過對廈門市梧村山隧道施工現場全方位的變形監控量測，建立相應的建筑物變形控制標準。劉招偉等[2]對某雙連拱隧道施工過程進行現場監測與結果分析，提出了抑制變形的工程措施。瞿萬波等[3]根據監測數據，對洞樁法隧道導洞開挖的沉降變形規律進行了分析研究。鄭熙熙等[4]以重慶市兩江橋渝中連接隧道與解放東路接口工程為依托，分析了隧道施工引起的地表變形規律、影響因素，提出了針對性的設計方案與控制措施。唐曉杰等[5]針對大跨地鐵隧道穿越斷層的圍巖變形與控制問題，采用FLAC3D數值模擬，分析雙側壁導坑工法與CD工法不同組合穿越斷層的圍巖變形規律與注漿控制效果。鄭廣順等[6]基于FLAC3D數值模擬軟件，對比分析上下臺階法和CD法施工引起的隧道變形及受力特點，提出了有效的變形控制措施。廖雄[7]以成蘭鐵路楊家坪隧道分合修過渡段為工程依托，通過理論分析和數值模擬研究該隧道施工變形機理和變形規律，提出了適合該工程的變形控制措施。HOU Fujin等[8]以某城市濱海大跨度隧道為依托，優化分析了巖體的本構計算模型，對隧道施工過程進行了全時空分析，研究表明施工時應控制開挖面前方變形。LI Shuchen等[9]對長城嶺大跨超淺埋隧道進行物理模型試驗和數值模擬，研究分析了大跨淺埋雙連拱隧道的變形規律。毛金龍[10]采用工程類比法和數值模擬分析法，對蘭州新區至蘭州段大跨新黃土隧道進行研究分析，針對施工過程中出現的隧道沉降變形提出控制措施。何昌國[11]結合現場實測數據并采取數值模擬分析，對成貴鐵路四川段大跨隧道的變形特性及變形量進行研究分析，并對隧道預留變形量進行優化。董德智[12]研究了周山隧道的施工工法，提出了軟弱圍巖大斷面隧道的變形控制技術。杜洪新等[13]以全國跨度最大、長度最長的樂疃高速公路隧道為工程背景，采用數值模擬計算，分析了不同初期支護強度下拱頂位移的變化規律。周磊生等[14]采用數值模擬計算，研究分析了CD及CRD開挖工法下超大斷面隧道圍巖變形控制機制。現行規范QCR9218—2015《鐵路隧道監控量測技術規程》制定了隧道斷面變形控制的標準，但其針對的是跨度B≤7 m的單向隧道、跨度7 m

以京張高鐵八達嶺長城站超大跨隧道為研究對象，分析了不同跨度下隧道拱頂沉降與圍巖應變的關系，基于開挖過程隧道斷面的變形開展了數值模擬與現場監測研究分析，提出了超大跨隧道施工的變形控制標準。本文的研究將對類似超大跨隧道施工變形控制提供參考與借鑒。

1 工程概況

京張高速鐵路新八達嶺隧道全長12.01 km，八達嶺長城站位于新八達嶺隧道內，車站中心里程距離隧道進口8.79 km，距離隧道出口3.22 km。車站兩端的站隧過渡段，是一個由兩線鐵路過渡到四線鐵路的單跨隧道，最大開挖跨度32.7 m，拱頂埋深62.7～120.0 m。

大跨過渡段洞身主要穿越強-弱風化花崗巖，塊狀構造，巖體總體上較完整～較破碎，巖質較堅硬，巖塊單軸飽和抗壓強度為40～60 MPa。大跨段DK68+260～DK68+300出露F2斷層，與線路相交角度35°，斷層帶寬約2 m，帶內夾泥，巖體破壞，強風化，為Ⅴ級圍巖。大跨段地下水類型為基巖裂隙水，受前期周邊輔助洞室開挖的影響，地下水已疏干。

2 超大跨隧道總變形控制標準

制定隧道總變形量控制標準，首先可計算巖體極限應變，其次根據隧道斷面和變形關系確定巖體臨界變形量，最終提出隧道總變形量控制基準值。

2.1 巖體的極限應變

巖體的極限應變取決于巖石的極限應變和巖體中節理裂隙的分布[15]。當隧道圍巖為整體塊狀結構，巖體中的節理裂隙很少，巖體的極限應變可近似采用巖石的極限應變。根據對大跨段巖石取芯的實驗結果，八達嶺長城站巖石的極限應變為1.4‰～3.1‰，如圖1所示。

八達嶺長城站大跨段受F2斷層的影響，巖體較破碎，局部巖體夾泥，全～強風化，因此，圍巖變形必須考慮節理裂隙的影響。

巖體極限應變計算公式如下

(1)

式中，σmc為巖體的應力，Em為巖體的彈性模量。

巖體強度由E.Hoek提出的廣義H-B強度準則計算

圖1 八達嶺長城站大跨段花崗巖樣品應力應變曲線

(2)

式中：mb、s、a為反映巖體特征的經驗參數，其中，mb、a為針對不同巖體的量綱為1的經驗參數，反映巖體破碎程度，取值范圍為0.0～1.0，對于完整的巖體(即巖石)，s=1.0。

巖體彈性模量采用W.S.Gardner提出的經驗公式計算巖體的彈性模量

αE=Em/Er=0.023 1RQD-1.32

(3)

式中，折減系數αE為巖體與巖塊的彈性模量比Em/Er，為巖體質量指標。根據上式計算得到八達嶺長城站巖體的極限應變如表1所示。

表1 八達嶺長城站巖體極限應變

2.2 隧道極限變形

為了確定拱頂沉降與隧道開挖跨度的關系，簡化隧道計算模型如圖2所示。

圖2 圍巖拱頂臨界變形計算模型

(4)

式中，γ為角度∠AHE

(5)

針對八達嶺長城站不同斷面跨度，選取跨度為20.02，24.39，26.22，29.95，32.7 m的斷面開展研究，各斷面跨度下的拱頂沉降和圍巖應變關系曲線見圖3。

圖3 不同跨度隧道拱頂沉降與圍巖應變關系曲線

由圖3所示，當隧道跨度一定時，拱頂沉降和圍巖應變呈線性關系，拱頂沉降隨著圍巖應變的增大而增大；而當圍巖應變一定時，隨著隧道跨度的增大，拱頂沉降隨之增大。

2.3 總變形控制標準

根據巖體的極限應變計算和不同跨度隧道的極限變形，提出針對八達嶺長城站大跨隧道的總變形控制標準，如表2所示。

表2 大跨隧道總變形控制標準

3 超大斷面隧道分步變形量控制標準

超大斷面隧道開挖步序多、周期長[16]，為確保施工安全，必須對每個分步開挖都進行變形量控制。因此，需要對總變形量進行分解，即

S=S1+S2+S3+…+S11

(6)

式中，S為總變形量控制基準值；S1、S2、S3…分別為每分步變形量控制基準值。

八達嶺地下車站大跨段隧道共分為11步開挖，如圖4所示。因此，將總變形量控制基準值分解為11個步序子變形量控制基準值，從而實現對隧道施工過程的安全控制。

為了確定大跨段隧道各個分步開挖變形量的占比關系，采用數值模擬[17-19]的方法計算大跨段隧道分步開挖引起的變形量，從而得到每個分步開挖引起的變形量與總變形量之比。計算結果如圖5所示。

圖4 大跨段隧道施工步序

圖5 各開挖步序沉降變形占比

根據圖5，可將大跨斷面11步開挖過程分為成跨階段、成墻階段、落底階段三個階段，其變形規律如下。

(1)成跨階段。成跨階段為大跨段隧道開挖的第1步至第5步，即上層中、左、右洞開挖，中層左、右側洞開挖。成跨階段隧道跨度在不斷增大，因此開挖引起的沉降變形占比較大，Ⅲ級圍巖成跨階段變形占比達到了總變形量的97%，Ⅳ級圍巖達到了95%，Ⅴ級圍巖達到了79%。

(2)成墻階段。成墻階段為大跨段隧道開挖的第6步和第7步，即下層左、右側洞開挖。成墻階段隧道跨度沒有增大，但隧道高度逐漸增大。與成跨階段相比，成墻階段拱下沉占比明顯變小。Ⅲ級圍巖成墻階段變形占比為總變形量的5%，Ⅳ級圍巖為7%，Ⅴ級圍巖為21%。

(3)落底階段。落底階段為大跨段隧道開挖的第8步至第11步，即中、下層核心土，左、右側仰拱開挖。落底階段隧道跨度和高度基本不變，因此本階段沉降變形占比趨近于0，甚至由于開挖卸載作用，隧道會出現向上的隆起變形。

根據以上變形規律，大跨段隧道各分步拱頂下沉占比可采用下列公式計算

(7)

式中，Pi為各分步拱頂下沉變形占比；n1為成跨階段開挖分步的總步數；n2為成墻階段開挖分步的總步數。

根據數值模擬計算結果，并充分考慮預應力錨桿、預應力錨索對圍巖的加固作用，最終確定八達嶺地下車站大跨段隧道拱頂下沉各步序占比控制標準，見表3。

表3 八達嶺地下車站大跨段隧道拱頂下沉各步序占比

根據各步序占比，結合總變形控制標準，可制定八達嶺地下車站大跨段隧道各步序拱頂下沉控制標準，如表4所示。

表4 大跨段隧道各施工步序變形控制標準

4 變形控制標準的分級管理方法

為了加強過程控制，建立變形控制標準分級管理機制[20-21]。將每一步開挖下的隧道變形分為Ⅱ級預警、Ⅰ級預警與臨界值3個階段。Ⅱ級預警下可正常施工，需加強監測；Ⅰ級預警下需停止開挖，對支護進行補償張拉；變形達到臨界值時應停止開挖，增加支護措施。大跨過渡段拱頂變形控制標準的分級管理方法見表5。

表5 變形控制標準分級管理

5 現場監測與支護優化

大跨過渡段現場監測點的布置如圖6所示。大跨過渡段每5 m設置1個監測斷面，選取DK68+280～DK68+460段10個斷面進行監測，各個監測斷面的最大沉降值見圖7。

圖6 變形監測點的位置

圖7 各監測斷面最大沉降值

監測結果表明，大跨過渡段監測到的最大變形為19mm，各個施工步序的變形均小于變形控制標準，表明大跨過渡段支護措施有較大承載冗余，可進行支護措施的降載優化。對大跨過渡段的錨索進行優化如下：取消20 m和26 m跨度的Ⅲ級圍巖段錨索，Ⅳ級圍巖縱向間距由2.4 m調整到3.6m；32m跨度Ⅲ級圍巖錨索縱向間距由4.8 m調整到7.2 m，Ⅳ級圍巖縱向間距由2.4 m調整到3.6 m。

6 結論

以京張高鐵八達嶺長城站超大跨隧道工程為研究對象，采用理論分析、數值模擬及現場實測統計分析等方法，研究了超大跨隧道變形控制標準的制定方法，提出了超大跨隧道變形分步控制和分級管理方法。得到如下結論。

(1)建立了隧道變形與圍巖應變的相互關系計算模型，提出了基于圍巖極限應變的隧道總變形控制標準。

(2)探明了超大跨隧道施工過程圍巖的變形規律，即隧道在成跨階段的變形約占總變形的95%，成墻階段的變形約占總變形的5%。并制定了超大跨隧道各施工開挖步序的分步控制標準。

(3)建立變形控制標準分級管理機制。將每一步開挖下的隧道變形分為Ⅱ級預警、Ⅰ級預警與臨界值3個階段，并制定了各級預警的應對措施。

(4)變形監測結果表明，大跨段隧道最大變形為19.0 mm，各個施工步序的變形值均小于變形控制標準，這充分證明了大跨段隧道支護結構措施是安全可靠的，完全能夠滿足隧道穩定性要求。