高鐵隧道穿越不同巖性接觸帶施工方法研究

于 介，谷笑旭，尚應超，蔣雅君，楊文波

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043； 2.西南交通大學土木工程學院，成都 610031)

引言

在隧道修建過程中，經常遇到穿越多種地層的情況。由于巖性、風化程度不同等原因，地層上下軟硬不同，圍巖在開挖過程中變形、受力不均勻，嚴重時可導致掌子面塌方、支護開裂影響施工安全。在已有隧道施工實例中不難看到隧道穿越不同巖性接觸帶時出現了不同程度的災害：甘芳隧道在施工過程中，由于隧道穿越砂頁巖與黃土接觸帶，且上半斷面圍巖自穩能力差，發生了塌方[1]。在土家灣隧道修建過程中，同樣出現了塌方問題，主要是由于隧道穿越新老黃土接觸帶上下地層條件不同、支護不合理等方面原因[2]；為保證施工安全，對于不同巖性接觸帶隧道施工期間的關鍵技術問題的研究尤為重要，但目前國內外在這方面的研究較少；張會等研究了當隧道穿越不同巖性接觸帶時，紅黏土土層厚度對隧道施工變形的影響[3]；袁矯等研究了隧道跨度對隧道施工的影響[4]；黃彬等闡述了黃土地區穿越不同巖性帶大斷面隧道的施工技術要點[5]；徐禮華等研究了開挖順序、掌子面間隔距離和開挖深度不同的CRD法對隧道施工的影響[6]；楊凱等研究了隧道穿越既有隧道時工法和支護措施對圍巖和支護結構的影響[7]；李明等研究了考慮流固耦合效應采用不同工法施工時初支受力及圍巖變形規律[8]；嚴松宏等依托蘭州地鐵研究了雙側壁導坑法施工時圍巖及初期支護的力學特征[9]；王新東依托寶蘭客專提出黃土隧道依據不同的含水率采取不同的施工工法及支護措施[10]；汪冬兵等依托忻州隧道采用數值模擬的方式，分析了臺階法施工時圍巖、初期支護及二次襯砌的變化規律[11]；劉俊平等分析紅黏土與砂巖夾泥巖分界面位于隧道不同位置時支護結構的位移及應力變化規律[12]；梁佳佳研究了穿越不同巖性接觸帶地下水封洞庫工程的空間布置優化設計[13]；孫文君等以某淺埋公路隧道為工程背景，分析了土石界面傾角對隧道開挖反應的影響[14]；劉洋等基于黑山隧道，運用FLAC3D對土石交界段爆破開挖時爆破振動對隧道穩定情況的影響進行了數值分析[15]；何金峰利用有限元軟件ABAQUS模擬分析不同類型的土石交界地層隧道圍巖，并對支護穩定性進行分析[16]；謝壯等采用現場測試和數值模擬手段，對土石交界過渡段隧道支護結構受力及圍巖變形情況進行了現場測試與數值分析[17]；徐海延等為了保證海底隧道順利通過風化深槽(囊)，在服務隧道土石交界不良地質段，進行了全斷面超前預注漿試驗[18]；方俊波等采用ANSYS軟件，對廈門東通道五通端、位于陸海域土石交界段的行車洞初支結構進行了變形及承載數值模擬，通過對不同初支結構的受力及變形進行分析、對比，正確選擇了合理的初支結構，確保了后續隧道施工安全及結構穩定[19]；劉曉云等構建了礦巖接觸帶巷道物理相似模擬試驗模型，分析了接觸帶巷道頂板沉降變形規律[20]。

以銀西高鐵賈塬隧道為工程依托，探究大斷面隧道穿越紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶時合理的施工工法，并結合現場監測數據與數值計算結果進行比對驗證，分析各工法適宜的條件，以便選取合理的施工工法保證施工的安全。

1 工程概況

賈塬隧道位于銀西高鐵甘肅段，雙線單洞隧道最大埋深約為260 m，最小埋深約為14 m，總長約為11 860 m。隧道設計為雙線單洞，跨度約為14 m，凈高約為12 m，凈空面積約為100 m2，隧道斷面尺寸如圖1所示。

圖1 賈塬隧道內輪廓(單位：m)

根據設計資料，賈塬隧道3次穿越長段落不同巖性接觸帶，選取其中紅黏土和砂巖夾泥巖的接觸帶作為研究對象，該接觸帶全長282 m，選取該區間中間位置為研究斷面，研究斷面施工現場接觸帶情況如圖2所示。從圖2掌子面情況可以看出兩地層為整合接觸，隧道上部穿越地層為紅黏土，成分以黏粒為主，結構緊密，土體較致密，屬于Ⅳ級圍巖。下部穿越地層為砂巖夾泥巖，層狀結構，強風化，屬于Ⅳ級圍巖。

圖2 研究斷面現場

2 數值模擬方法

本文采用FLAC3D[7]有限差分軟件進行數值仿真模擬計算，應用ANSYS和CAD輔助建模。

2.1 隧道模型

根據隧道實際地質條件和設計要求構建數值模型，為減少模型邊界效應的影響，模型尺寸為：橫向寬度120 m，長度為40 m，隧道頂部距模型的上邊界51 m，底部距下邊界50 m。其中X為水平方向，Y為掘進方向，Z為豎直方向[8]。并在模型的底部邊界采用豎向約束；前后左右邊界均采用水平約束。并在模型的頂面加均布荷載來模擬實際隧道埋深，且僅考慮自重應力場。根據現場監測斷面的實際情況，將接觸帶位置設在拱腰處，如圖3所示。拱頂處設置深度為4 m的加固區，來模擬超前支護對隧道施工的影響，圍巖和初期支護采用三維實體單元，初期支護和臨時支護采用彈性模型，用shell單元進行模擬。圍巖特性按均質彈塑性材料，采用摩爾-庫倫屈服準則進行計算[9]。

圖3 紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶計算模型

2.2 模型參數

依據現場土工試驗所測得的物理參數并結合實際施工斷面，選取巖土體力學參數時，襯砌與支護構建的參數依據規范中的指標，如表1所示。

表1 模型計算參數

2.3 監測位置

為消除邊界條件對數值計算結果的影響，取縱向中間位置為監測斷面，監測斷面測點布置如圖4所示。為便于描述，1號監測點為拱頂，2、3號監測點為拱肩，4、5號監測點為拱腰，6、7號監測點為拱腳，8號監測點為仰拱[10]。

圖4 監測斷面測點布置

2.4 各工法開挖過程數值模擬

根據已有黃土地區大斷面隧道的施工實例，為保證施工安全，減少對掌子面的擾動，選取臺階法進行施工[11]。結合現場實際施工情況，現選取三臺階法、三臺階預留核心土法、三臺階七步開挖法、三臺階臨時仰拱法4種工法，進行數值模擬。各工法間臺階位置與臺階錯距相同，上中臺階錯距4.8 m，中下臺階錯距6.4 m，核心土面積不少于臺階面積的一半。其中，三臺階臨時仰拱法在各臺階開挖完成后，在底部噴射10 cm厚混凝土作為臨時支護；三臺階七步開挖法的施工順序如圖5所示。

圖5 三臺階七步開挖法施工順序

3 計算結果分析

在研究不同施工工法時，選取相同開挖步數下的監測斷面進行分析，并考慮模型的對稱性，只對隧道一側進行對比分析。

3.1 圍巖變形

圍巖監測點位置如圖4所示，并根據拱頂、拱肩、拱腳、仰拱繪制豎向位移；根據拱肩、拱腰、拱腳繪制水平收斂時程曲線。其中圖6中各臺階開挖是指監測斷面各臺階開挖，第28步開挖為監測斷面上臺階開挖，36步為監測斷面中臺階開挖，44步為監測斷面下臺階開挖，這樣處理是為便于與施工現場的監測數據進行對比。通過對比各工法位移時程曲線發現，各工法位移變化規律相近，隨開挖步數的增加逐漸收斂，現以三臺階法位移時程曲線為例對穿越接觸帶地層洞周位移變化規律進行說明。

圖6 接觸帶地層下三臺階法位移時程曲線

(1)分析三臺階法豎向位移，發現拱頂、拱肩處沉降明顯，而拱腳、仰拱略微隆起，拱腰無明顯變化。分析水平收斂時程曲線，發現拱肩處的水平收斂相比于拱腰和拱腳很大，如圖6所示。通過對比可知，穿越接觸帶地層的隧道與一般隧道開挖位移規律不同，為便于對比分析，另計算了均質地層條件下的圍巖位移，地層條件為泥巖夾砂巖，模型建立與前述相同，均質地層下圍巖位移時程曲線如圖7所示。由地層可知，拱肩處于紅黏土地層，拱腳處于砂巖夾泥巖地層，接觸帶地層條件下拱肩與拱腳豎向位移絕對值之差為30.06 mm，水平收斂絕對值之差為13.16 mm，而均質地層條件下，拱肩與拱腳兩種位移絕對值之差分別為12.57 mm和0.85 mm。這說明，對于穿越不同巖性接觸帶的隧道而言，不同位置圍巖位移不均勻，土層處的位移變形要遠大于巖層處部的變形。

(2)對于穿越不同巖性接觸帶隧道而言，由于掌子面上方地層為紅黏土，受開挖擾動較大，拱頂豎向位移、拱肩水平位移的變形主要發生在上臺階開挖，占總體位移變形的60%～70%。

(3)通過上述分析發現隧道位于紅黏土地層區域的位移明顯，則重點分析各工法之間拱頂、拱肩處的位移。各工法拱頂處的豎向位移變化規律相同，隨著隧道開挖不斷增大，并逐漸收斂，其中三臺階法位移最大為51.88 mm，然后依次為三臺階預留核心土法、三臺階臨時仰拱法、三臺階七步法最小為36.21 mm，如圖8所示。

圖8 各工法拱頂位移時程曲線對比

(4)分析拱肩位移，不同工法拱肩豎向位移與拱頂變化規律相同，不再贅述。而拱肩處水平收斂變化規律則有所不同，拱肩水平收斂最小的工法并不是三臺階七步法而是臨時仰拱法。通過水平位移與豎向位移平方和開根號后，可以計算拱肩總體位移。拱肩總體位移最小的工法依舊是三臺階七步法,為15.64 mm，位移最大的工法為三臺階法,為34.19 mm，如圖9所示。

(5)所以對洞周位移控制能力由強到弱的工法依次為，三臺階七步法、三臺階臨時仰拱法、三臺階預留核心土法、三臺階法，幾種工法的主要區別在于對掌子面的擾動和支護封閉兩方面。相比于三臺階法，預留核心土法和三臺階七步法對掌子面的擾動較小，所以對位移的控制更好；而臨時仰拱法能夠做到支護的及時封閉，對洞周整體的位移控制較好，且其水平收斂的控制要優于三臺階七步法。

圖9 各工法拱肩位移時程曲線對比

3.2 圍巖應力與圍巖塑性區

圍巖應力能夠反應隧道開挖過程中土體的受力情況，通過應力云圖容易發現圍巖受力最差、最容易出現破壞的部位，而為圍巖塑性區則能反應土體塑性變形區域。

(1)各工法在開挖過程中，位于下臺階與拱腰相交處均出現較為明顯的壓應力集中現象，圖10(a)為三臺階法監測斷面下臺階開挖過程中圍巖受力，黑色圓圈為應力集中位置，與三臺階預留核心土法、三臺階七步法應力集中位置相同，最大值在15～16 MPa。而三臺階臨時仰拱法開挖過程中的壓應力集中現象不太明顯，如圖10(b)所示，且最大值降至13 MPa，且應力集中帶范圍較大，說明利用噴射混凝土形成的臨時封閉對于改善施工過程中圍巖壓應力分布有著較好的效果。

圖10 開挖過程中圍巖應力

(2)通過各工法開挖后圍巖應力對比(圖11)，不難發現以接觸帶分界面為界限，各工法隧道上部的壓應力普遍小于1 MPa，而隧道下部的壓應力可達到13 MPa。這是因為上部土體通過位移釋放了大部分應力。

圖11 各工法開挖后圍巖應力對比

(3)在開挖完成后，拱腰處有明顯的壓應力集中帶，三臺階法、三臺階預留核心土法、三臺階臨時仰拱法最大應力值均可達到13 MPa且應力集中影響范圍依次增大，而三臺階七步法的最大應力值僅為11 MPa，且壓應力值突變現象不再明顯。

(4)觀察對比各工法塑性區范圍，發現塑性區范圍主要分布在隧道上層，這與圍巖應力分布相吻合，進一步說明了不同巖性接觸帶的特點。且幾種工法間塑性區范圍相近，均未超過加固區范圍。僅三臺階七步法塑性區右側略大，這是由于三臺階七步法開挖工序不對稱導致的。圖12為三臺階法大塑性區與三臺階七步法塑性區對比。

3.3 支護應力

通過對圍巖變形和圍巖應力的分析，可以推斷出接觸帶上下地層條件的不同會使支護受力不均勻，現對比4種不同工法在開挖完成后監測斷面支護的受力情況。由于開挖過程中，支護結構的最小主應力對支護的安全性影響較大[10]，更能反映支護受力情況，故僅對最小主應力進行對比分析，根據數值計算中支護壓應力云圖得到監測斷面各測點壓應力，最終繪制的初期支護壓應力分布如圖13所示。

(1)各工法下結構支護隨著隧道開挖壓應力數值逐漸增大，在開挖完成后達到最大值。壓應力最大值從大到小的排序依次為：三臺階臨時仰拱法、三臺階法、三臺階預留核心土法、三臺階七步法。

圖12 各工法開挖后塑性區對比

圖13 各工法開挖后監測斷面支護壓應力對比(單位：MPa)

(2)各工法中，結構支護的最大壓應力值均出現在拱肩處，因此在施工過程中應當注意拱肩處支護結構受力。

(3)根據支護結構最大壓應力不難發現，三臺階預留核心土法、三臺階七步法壓應力分布更加均勻。從相鄰位置壓應力差值即可看出這一點，按照圖中排序各工法拱肩與拱腰處壓應力差值依次為：6.56，5.39，6.66，5.23 MPa，拱腳與仰拱處壓應力差值依次為：11.24，8.58，12.28，4.52 MPa。所以采用三臺階法和三臺階臨時仰拱法時更易出現支護結構受力不均勻的情況。

4 現場監控量測分析

為研究現場施工過程中圍巖實際變化情況與數值計算之間的差異，現選取監測里程DK278+410處為監測斷面，根據現場施工人員對該斷面的監控量測日報進行對比。該斷面接觸帶位置與數值分析繪制的接觸帶位置相近，且現場采用三臺階預留核心土法。

雖然模型中的測點選取與現場一致，但由于現場監控量測日報是根據開挖天數進行記錄而不是根據開挖步數進行記錄，則需對數值計算結果進行處理。現場施工循環進尺約為1.6 m，模型縱向每單元格為0.8 m，則每兩步為一天。處理后現場監測數據與數值計算數據對比結果如圖14所示。由于拱腰位移變化不明顯，故不進行對比分析，且現場監控量測受開挖條件限制，無法在下臺階開挖前測量拱腳處位移值，在圖14(c)中，數值計算位移記錄時間較實測時間提前。

圖14 現場監測與數值計算位移對比

通過對比，可以看出：現場監測數據與數值模擬計算得到的數據變化規律一致，數值接近，所以計算結果可靠性較高；數值模擬計算在下臺階開挖前便能對拱腳處的位移值進行監控量測，但施工現場在開挖前不能進行量測，所以數值模擬計算對位移監測更為全面；數值模擬計算得到的位移值要略大于實測位移值，結果偏于保守。

5 結論

以賈塬隧道工程為依托，通過數值模擬和現場監測，分析了不同施工工法的圍巖應力、圍巖位移和支護應力，得出以下結論。

(1)隧道穿越不同巖性接觸帶與均質地層時圍巖變形規律有明顯差異，接觸帶兩種地層的圍巖變形值相差較大。說明隧道穿越接觸帶時圍巖位移受地層條件影響大，圍巖變形不均勻。

(2)隧道采用不同的施工工法通過不同巖性接觸帶時，施工過程中圍巖會出現不同程度的應力集中現象。其中，三臺階法施工應力集中現象最為明顯；三臺階七步法無明顯應力集中現象。

(3)不同巖性接觸帶地層，采用不同的工法施工，隧道初期支護最大壓應力均出現在拱肩處，但初期支護的整體應力分布有所不同。采用三臺階七步法與三臺階預留核心土法施工，初期支護壓應力圖呈云狀分布，各位置處支護壓應力差別較小。采用三臺階法與三臺階臨時仰拱法施工時，初期支護壓應力圖呈蝴蝶狀分布。

(4)隧道穿越不同巖性接觸帶時，建議采用三臺階七步法進行施工，圍巖變形及初期支護受力均較為合理。