雙線鐵路隧道軟弱圍巖施工方法分析

劉宗族

(中鐵二十四局集團(tuán)安徽工程有限公司 安徽合肥 230001)

1 引言

隨著高鐵的大規(guī)模修建，鐵路線路標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，使得鐵路線路中隧道數(shù)量越來(lái)越多，單隧長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)，要求隧道施工在保證安全性的情況下盡可能地提高施工進(jìn)度，降低施工成本。雙線鐵路隧道在圍巖軟弱時(shí)常采用的施工方法有四步CD法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法及三臺(tái)階七步法(短臺(tái)階留核心土法)，每種工法的施工速度、成本及對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響各不相同。為了在保證圍巖穩(wěn)定的情況下，盡可能地提高隧道開(kāi)挖速度，降低開(kāi)挖成本，本文針對(duì)雙線鐵路隧道特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)四步CD法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法及三臺(tái)階七步法進(jìn)行比較分析。

2 圍巖穩(wěn)定性比較

2.1 FLAC3D模型建立及實(shí)例分析

上界首隧道出口為淺埋偏壓段，設(shè)計(jì)進(jìn)洞施工方案為四步CD法，自進(jìn)洞開(kāi)始，對(duì)地表沉降、拱頂下沉和水平收斂進(jìn)行了觀測(cè)[1]。以上界首隧道出口觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)反演的方法對(duì)數(shù)值模擬各巖層的彈性模量和抗拉強(qiáng)度進(jìn)行選取，得到表1的力學(xué)參數(shù)結(jié)果[2-3]。

表1 力學(xué)參數(shù)取值

根據(jù)隧道勘察設(shè)計(jì)資料及隧道開(kāi)挖影響范圍建立三維直角坐標(biāo)模型，x軸為隧道垂直方向，長(zhǎng)100 m；y軸為隧道走向方向，長(zhǎng)45 m；z軸為重力方向，長(zhǎng)80 m。計(jì)算模型單元數(shù)為24 768，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為10 163。拱頂部超前長(zhǎng)管棚采用Beam單元模擬，系統(tǒng)錨桿和鎖腳鋼管采用Cable單元模擬，初期支護(hù)采用Shell單元模擬，巖體屈服準(zhǔn)則選取Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則[4-5]，并且不考慮塑性流動(dòng)及剪脹[6-8]。模型上邊界無(wú)約束，下邊界垂直位移約束，水平方向邊界靠山一側(cè)水平位移約束，自由面無(wú)約束。邊界條件設(shè)置見(jiàn)圖1。

圖1 模型邊界條件

按照上界首隧道出口觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置對(duì)模型拱頂下沉、水平收斂及地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。建立三維FLAC3D數(shù)值模型，參照現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度建立開(kāi)挖方案進(jìn)行計(jì)算。開(kāi)挖方案見(jiàn)表2。

采取表1的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較見(jiàn)圖2?？梢?jiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果能較好地吻合。

表2 模擬開(kāi)挖方案

圖2 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較

2.2 不同工法模擬結(jié)果比較

根據(jù)不同施工工法開(kāi)挖工序，將后25 m分別采用四步CD法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法及三臺(tái)階七步法進(jìn)行模擬。各施工工法開(kāi)挖工序見(jiàn)圖3，數(shù)值模擬得到圍巖變形情況見(jiàn)圖4。

圖3 各工法開(kāi)挖工序圖

圖4 不同工法下沉比較

從圖4可以看出，四步CD法變形最小，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法與四步CD法相差不大，而三臺(tái)階七步法變形較大。三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法和三臺(tái)階七步法在上臺(tái)階開(kāi)挖后即有明顯拱頂下沉，而四步CD法則在第二部開(kāi)挖后見(jiàn)到較大變形。總體下沉量三臺(tái)階七步法較四步CD法相差近一倍，而三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法只比四步CD法多20%左右。針對(duì)三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法上臺(tái)階開(kāi)挖下沉速度快的特點(diǎn)，對(duì)于極軟弱圍巖可以采取在上臺(tái)階增加臨時(shí)中支撐的方法控制拱頂下沉。

3 圍巖變形實(shí)測(cè)分析

3.1 實(shí)測(cè)與模擬比較

根據(jù)前15 m監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，圍巖變形量不大，而數(shù)值模擬結(jié)果表明三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法和四步CD法變形量相差不大，因此將后面25 m原設(shè)計(jì)的四步CD法變更為三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工。

對(duì)后25 m進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較見(jiàn)圖5。可見(jiàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)擁有相同的變形規(guī)律，但比模擬數(shù)據(jù)小20%左右，這是由于模擬采用的是前15 m四步CD法的施工速度，而三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法實(shí)際施工速度要快很多。

圖5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較

3.2 施工速度的影響

對(duì)標(biāo)段內(nèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)較全面的35個(gè)圍巖軟弱段(均為Ⅴ級(jí)圍巖Vc型襯砌)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，四步CD法最大變形值為42 mm，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法最大變形值為48.5 mm，三臺(tái)階七步法最大變形值為72 mm；四步CD法平均變形值為28.1 mm，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法平均變形值為38.8 mm，三臺(tái)階七步法平均變形值為53.4 mm。各軟弱段最大地表下沉值與初支閉合時(shí)間關(guān)系見(jiàn)圖6。

由圖6可以看出，初支閉合時(shí)間越長(zhǎng)，地表下沉越大，四步CD法雖然進(jìn)度慢，但初支閉合處離掌子面較近，變形相對(duì)較小。平均下沉速度(最大下沉值與初支閉合時(shí)間之比)與初支閉合時(shí)間關(guān)系見(jiàn)圖7。

圖6 初支閉合時(shí)間與最大地表下沉值統(tǒng)計(jì)

圖7 平均下沉速度與初支閉合時(shí)間關(guān)系

由圖7可見(jiàn)各工法隨著初支閉合時(shí)間的增大，下沉速度逐漸減小。在相同初支閉合情況下，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法和四步CD法下沉速度較小，三臺(tái)階七步法下沉速度較大。

4 施工比較

九景衢鐵路浙江段站前I標(biāo)位于開(kāi)化縣境內(nèi)，穿越低山區(qū)，隧道占標(biāo)段總長(zhǎng)的80%。其中18處隧道口進(jìn)洞設(shè)計(jì)方案為四步CD法，5處隧道口進(jìn)洞設(shè)計(jì)方案為三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法。以上界首隧道出口為例對(duì)四步CD法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法及三臺(tái)階七步法進(jìn)行對(duì)比。

4.1 成本比較

各工法主要成本差別在臨時(shí)支護(hù)，其中三臺(tái)階七步法沒(méi)有臨時(shí)支護(hù)。四步CD法與三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法臨時(shí)支護(hù)成本計(jì)算見(jiàn)表3。

表3 每延米臨時(shí)支護(hù)成本

由表3可以看出，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱臨時(shí)支護(hù)成本僅為四步CD法的47%，每延米可節(jié)省成本4 791元。而三臺(tái)階七步法沒(méi)有臨時(shí)支護(hù)成本。

4.2 施工速度

上界首隧道出口巖層為強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化巖層，需采用爆破配合機(jī)械開(kāi)挖。四步CD法分導(dǎo)洞開(kāi)挖，由于臨時(shí)支護(hù)不能拆除，若上下臺(tái)階同時(shí)開(kāi)挖，則上臺(tái)階無(wú)法使用大型機(jī)械施工，在上界首出口選擇了上臺(tái)階先施工到15 m，再施工下臺(tái)階，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。下臺(tái)階受臨時(shí)支護(hù)影響，機(jī)械施展困難。四步CD法進(jìn)洞15 m共使用24 d，若采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法需13 d，三臺(tái)階七步法需11 d。后面22.5 m采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱，使用19 d，若使用四步CD法需36 d，三臺(tái)階七步法需16 d[9-10]，見(jiàn)表4。

表4 施工速度對(duì)比

三臺(tái)階臨時(shí)仰拱節(jié)省了近一半的時(shí)間，三臺(tái)階七步法所用時(shí)間不到四步CD法的一半，對(duì)于作為控制性工程的隧道工程，工期的影響非常重大。

4.3 施工難度

雙線鐵路隧道開(kāi)挖斷面高寬比接近于1，開(kāi)挖高度非常大，而四步CD法分上下臺(tái)階開(kāi)挖，上臺(tái)階一次開(kāi)挖高度達(dá)6 m左右，而且斷面形狀不規(guī)則，作業(yè)臺(tái)車不便放置，初支鋼架架立非常困難，特別是第二部開(kāi)挖拱頂與第一步交接處，作業(yè)人員很難夠得到，且拱部掉塊對(duì)作業(yè)人員的威脅很大[11-12]。

下臺(tái)階一次開(kāi)挖到底，仰拱初支施作后需回填后機(jī)械才能進(jìn)入下一循環(huán)施作，增加施工作業(yè)量，影響進(jìn)度。爆破開(kāi)挖會(huì)影響到臨時(shí)支護(hù)，甚至?xí)沟门R時(shí)支護(hù)鋼架產(chǎn)生大變形，影響支護(hù)受力。

三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法各臺(tái)階高度在4 m左右，臨時(shí)支護(hù)在施作下一臺(tái)階時(shí)可以拆除，因此不存在以上難點(diǎn)，且能快速轉(zhuǎn)換為三臺(tái)階七步法或臺(tái)階法，便于施工。

三臺(tái)階七步法各臺(tái)階高度在4 m左右，沒(méi)有臨時(shí)支護(hù)，各工序容易協(xié)調(diào)，是最簡(jiǎn)單的施工方法。

5 結(jié)束語(yǔ)

四步CD法施工進(jìn)度較其他兩種工法慢，但是能及早封閉成環(huán)，圍巖變形較小；三臺(tái)階七步法的施工成本最低，施工速度快，掌子面也比較穩(wěn)定，但是圍巖變形較大；三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法變形較小，施工速度和三臺(tái)階七步法相差不大，在圍巖情況較差時(shí)還可以采取上臺(tái)階加中支撐或上臺(tái)階留3～5 m核心土的方式保證圍巖穩(wěn)定性，是綜合性最好的施工方法。

根據(jù)以上分析，建議在圍巖軟弱段采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工，并根據(jù)監(jiān)控量測(cè)情況不斷調(diào)整工法。圍巖變形速度或變形量較大時(shí)在上臺(tái)階加中支撐，并減小仰拱與掌子面距離，加快初支閉合速度；掌子面不穩(wěn)定時(shí)可預(yù)留3～5 m核心土以穩(wěn)定掌子面。圍巖較穩(wěn)定時(shí)，可適當(dāng)減少臨時(shí)支護(hù)數(shù)量，兩榀或多榀鋼架支護(hù)一榀臨時(shí)鋼架。