深埋隧道穿越圍巖破碎帶變形控制技術研究

2020-08-03 08:16:58胡細根

石家莊鐵路職業技術學院學報 2020年2期

胡細根

(中鐵十八局集團第五工程有限公司天津 100855)

1 引言

隨著我國經濟的快速發展，國家對西部地區的開發力度逐漸增大，在鐵路網的規劃中，為了穿越崇山峻嶺，避免不了建設深埋長大隧道。深埋隧道地質條件復雜，由于構造應力的存在，隧道開挖圍巖易發生大變形、底鼓等現象。因此，研究深埋隧道的支護措施對于減小隧道變形具有重要的現實意義。關于深埋高地應力條件下隧道支護技術，國內外學者做了大量研究工作。江權，馮夏庭等[1]從認識論的角度提出數值仿真技術服務于地下工程實踐的PFP 分析方法，為洞室開挖與圍巖支護改進提供了科學依據；朱維申等[2]對高地應力條件下地下洞室開挖過程中的力學及變形規律進行了模型試驗和數值模擬分析；劉招偉等[3]針對烏鞘嶺隧道高地應力段出現的初期支護大變形問題，通過模型試驗對不同支護條件下的隧道變形和支護結構內力進行了監測、分析；張志強和關寶樹[4]以及陶波等[5]使用FLAC 對高地應力條件下軟弱圍巖隧道的變形規律進行了數值模擬分析；徐干成(2001)認為，圍巖變形引起的壓力必須通過支護結構與圍巖共同作用來求得，圍巖的特征曲線和支護特性曲線是圍巖—支護相互作用研究的重要內容[6]。蔡景獻[7]就控制高地應力千枚巖隧道大變形問題提出了支護結構宜“先柔后剛、先放后抗”原則。夏松林等[8]結合某地下工程施工軟巖實際情況，采用專業巖土分析軟件FLAC3D 建立相應的數值模型，對支護設計參數的圍巖控制效果進行了分析，并與現場實際觀測效果進行了比較，認為格柵鋼架+噴混凝土初期支護來控制軟巖的流變是科學有效性的支護措施。

本文以天河山隧道為工程背景，利用FLAC3D 有限差分軟件研究了不同支護措施（超前小導管注漿、管棚注漿、掌子面超前注漿）對隧道變形的控制效果，確定了深埋隧道穿越圍巖破碎帶采用洞身管棚、超前小導管注漿、掌子面超前注漿和兩臺階臨時橫撐法的施工方法，可為類似工程提供參考。

2 工程概況

天河山隧道呈東西走向，位于山西省左權縣和河北省邢臺市交界處，穿越太行山山脈，太行山脈總體為南北走向，地勢北高南低，中間高兩邊低。線路基本為東西走向，于D2K43+090 前后穿越太行山山脊，山脊小里程側為山西省，大里程側為河北省。

天河山隧道起訖里程D2K33+710～D2K45+405，長度11695 m，為單線隧道，隧道一般埋深100～300 m，最大埋深615 m，均為V 級和VI 級圍巖。隧道為單斜構造，總體上位于以太古界地層為核部、兩翼分別向西北和東南延伸的大背斜的西北側翼部，受太行大斷裂的影響較強烈，隧道洞身較發育一系列北西向、近南北和北東向斷裂和節理密集帶，對隧道影響較大。

本隧道地質構造帶包括21 條斷層、6 條節理密集帶及1 處裂隙帶。施工中堅持“短進尺、弱爆破、強支護、早封閉、勤量測”的施工原則。地質預報超前，監控量測緊跟。超前支護措施主要包括大管棚超前支護、小導管超前支護、徑向注漿、超前帷幕注漿、超前周邊注漿、圍巖徑向注漿等。

3 隧道變形控制措施分析

為了確定隧道穿越深埋圍巖破碎帶的超前支護措施，利用FLAC3D 有限差分軟件分析不同支護措施對隧道變形的控制效果。

3.1 分析模型

借助FLAC3D 有限差分軟件對隧道施工過程采用超前支護的力學效果進行數值模擬計算分析。模型左、右及下邊界圍巖范圍取3 倍洞徑，上邊界取40m，隧道埋深300m，通過施加初始地應力來模擬隧道深埋效果。上邊界采用自由邊界，其余邊界約束法向位移。計算模型如圖1 所示。

圖1 計算模型圖

模型僅考慮自重應力場，圍巖視為連續、均質、各向同性介質。采取實體單元來模擬圍巖和支護，圍巖和支護結構均采用摩爾—庫倫力學本構模型。數值模擬時對超前管棚、超前小導管和掌子面加固采取提高加固范圍內圍巖參數的方法，根據現場施工方案確定管棚加固范圍按管棚周邊60 cm、超前小導管加固范圍按小導管周邊40 cm、管棚和小導管加固范圍自初期支護頂部向上100 cm 考慮。

隧道開挖采用兩臺階法，施工步序如圖2 所示。

圖2 施工步序圖

3.2 計算參數

初期支護噴混凝土強度為C25，二次襯砌采用C30 模筑混凝土，圍巖物理力學參數根據勘察資料選取，根據《鐵路隧道設計規范》選取支護結構物理力學參數，管棚、小導管及掌子面加固區力學參數通過參考相關文獻及施工經驗確定，圍巖及支護結構物理力學參數見表1 所示。

表1 圍巖及支護結構物理力學參數

3.3 計算工況

本隧道穿越圍巖破碎帶采用臺階法開挖，將隧道施工中采取的超前支護措施分為3 種工況進行數值模擬計算分析，3 種工況對應的超前支護措施見表2。

臺階法施工的隧道斷面變形控制內容包括：左右水平收斂、拱頂下沉和仰拱隆起。考察斷面取為模型中心橫斷面，在斷面的拱頂、仰拱底和左右邊墻相應位置布置測點，如圖3 所示。

表2 三種工況對應超前支護措施

3.4 結果分析

3.4.1 隧道斷面位移分析

隧道開挖采用正臺階法，開挖步長為1.1 m，臺階長度2.2 m，量測點距離掌子面3.3 m 時隧道初支完全封閉。隧道拱頂沉降時程曲線如圖4 所示，穩定后拱頂沉降量如表3 所示；隧道拱頂沉降時程曲線如圖5 所示，穩定后仰拱隆起量如表3 所示；由于隧道模型為對稱的，故只對左側邊墻收斂情況研究。隧道左側邊墻位移時程曲線如圖6 所示，穩定后左側邊墻位移量如表3 所示。