下穿河谷軟弱圍巖高鐵隧道支護結構穩定性分析

王曉輝

(中鐵十八局集團第四工程有限公司，天津 300350)

截至2019年，中國已系統掌握各種復雜地質及氣候條件下高鐵建造成套技術，隨著我國高速鐵路修建技術的提高和成熟，許多高速鐵路不可避免地需要穿越城市河流，相當一部分需要采用下穿隧道方式通過。譬如武廣高速鐵路瀏陽河隧道采用礦山法施工，有多篇文獻對該高速鐵路隧道穿越河流區的設計及穩定性進行了相關研究[1-4]。類似采用礦山法施工的具有代表性的水下隧道有廈門翔安海底隧道，若干文獻對其設計施工中的重難點問題進行了分析[5-8]。對于下穿河谷區隧道施工的研究，楊金歌提出了洞口段穿越河谷開挖的方案及相應支護參數[9]；胖濤與方錢寶依據貴廣鐵路重點工程提出了淺埋隧道下穿季節性河谷區的門式結構解決方案[10]；王玉鎖等則通過數值模擬的方法分析了下穿河谷區隧道襯砌結構受力規律[11]。雖然已有相關文獻對大斷面隧道下穿河谷區進行了研究，但對于軟弱地質環境中高鐵隧道設計的研究卻較少。

杭紹臺客專東茗隧道下穿東大灣主河槽DK775+040～DK775+200段落為160 m，河槽與線路平面夾角44°，洞身位于弱風化泥巖地層，緊鄰東大灣主河槽，拱頂埋深36 m，均為Ⅴ級圍巖。通過試驗手段探索軟弱圍巖的工程特性，利用數值模擬計算分析隧道的穩定性，并確定隧道下穿河谷區結構設計參數，并依據現場監測結果驗證設計的可靠性。

1 圍巖室內試驗

東茗隧道全長18 226.15 m，隧道最大埋深約262 m，最大跨度為15.2 m，開挖斷面面積最大為158 m2，內縱坡呈人字型。東茗隧道先后下穿東大灣河谷區及兩岸紅土覆蓋的低山區，隧址區不僅有滑坡、膨脹泥巖、松軟土等不良地質，而且隧道大部分位于新昌縣城區地下，下穿東大灣河、村莊、東大源灣河谷，通過液化氣站及液化氣管道等多種高風險，是中國鐵路總公司“掛牌”監控的 Ⅰ 級高風險隧道。

為了獲得圍巖工程特性，進行了室內試驗研究，對泥巖的抗壓強度、單軸壓縮變形、膨脹性與滲透性以綜合評價。在隧道DK774+650～DK775+400里程段總計取樣15次。根據《鐵路工程巖石試驗規程》(TB 10115-2014)，采用切石機將試件制成標準試樣，尺寸為長50 mm×寬50 mm×高100 mm，制備標準試樣如圖1所示。

圖1 標準試樣

1.1 單軸抗壓強度

通過強度試驗測試得：泥巖天然單軸抗壓平均強度1.43 ～2.44 MPa，平均強度均在5 MPa以內，所取試樣為極軟巖。

1.2 單軸壓縮模量

在進行單軸壓縮變形試驗時，每組試樣須有兩個試件同步測量，取其平均值作為測試值。測試得到試樣的變形模量為0.69～1.77 Pa，彈性模量為0.71 ～1.86 GPa，泊松比0.26～0.35，屬V級圍巖。

1.3 泥巖膨脹性

根據《鐵路工程特殊巖土勘察規程》(TB 10038-2012)提出的評判指標：不易崩解巖石的自由膨脹率大于30；膨脹力大于100 kPa；飽和吸水率≥10。

1.3.1 X射線衍射試驗

根據X射線衍射試驗得到圍巖組成的相對含量，結果如圖2所示。

圖2 圍巖組成相對含量

由圖2試驗結果可知，東茗隧道圍巖試樣中主要礦物為黏土和碎屑礦物，其中黏土主要由白云母和石英組成；碎屑礦物主要由二氧化硅組成并含有少量方解石、鈉長石、鎂綠泥石。從礦物成分的角度看圍巖不具有膨脹性。

1.3.2 膨脹力和膨脹率

膨脹試驗采用直接法，使用儀器為巖石膨脹應力測定儀和WZ-2型膨脹儀，膨脹率試驗結果如圖3所示。

由圖3試驗結果顯示，每個斷面最大膨脹力30～95 kPa，小于100 kPa；圍巖試樣最終膨脹率為7.88 %～12.1 %，圍巖試樣無膨脹性。

1.4 泥巖滲透性

對5組圍巖試樣的滲透系數進行了測試，圍巖試樣的滲透系數2.89×10-6～7.41×10-6cm/s。根據《鐵路工程特殊巖土勘察規程》(TB10038-2012)，當圍巖的滲透系數10-6≤K<10-5cm/s時，巖土體的滲透性等級為微透水。因此，圍巖試樣微透水，滲透性較低。

圖3 圍巖膨脹力與膨脹率

從上述試驗結果可知，該巖層天然抗壓強度有高有低，軟硬不均，但均屬于極軟質巖，且成巖作用不一，整體工程性質較差；不具有膨脹性，但具有一定的崩解性，屬微透水地層。

2 數值計算與分析

根據圍巖工程特性，利用三維數值模擬計算分析下穿河谷區隧道結構設計方案的可行性。隧道下穿段采用雙側壁導坑法開挖掘進。初期支護采用C25濕噴混凝土，厚度35 cm；二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，厚度80 cm。

2.1 計算模型和參數

數值計算的模型范圍：隧道左右邊界為5倍洞徑(寬度150 m)，下邊界為3倍洞徑(45 m)，下邊界取至地表(36 m)。前、后、左、右邊界為約束法向位移邊界，下邊界為法向與切向固定邊界，頂部為自由邊界。計算模型單元數為311 748個，相應節點數為32 265個，圍巖、初期支護與二次襯砌采用實體單元模擬，圍巖采用摩爾庫侖本構，支護結構賦予彈性本構準則，錨桿與超前支護則采用桿單元模擬。地下水位位于距離隧道拱頂之下40 m。滲透系數取試驗最大數值7.407×10-5cm/s。計算模型如圖4所示。

由現場圍巖實測可知，圍巖滲水性較小，河谷內的水壓力可視為均布荷載加在河床上。根據地質勘查報告得到圍巖與支護計算參數如表1所示。

圖4 計算模型

表1 圍巖與支護參數

2.2 計算結果

2.2.1 位移結果

選取模型中間斷面DK775+120為分析斷面，計算得到有超前支護與無超前支護分析斷面二次襯砌拱頂沉降如圖5所示。

圖5 分析斷面拱頂沉降(單位：m)

由圖5計算結果對比分析可知，有超前支護情況下的最終拱頂沉降值較無超前支護情況的要小，此時拱頂最終沉降值減少了36.4%，說明超前支護能夠一定程度上控制圍巖變形。

2.2.2 內力結果

以分析斷面為對象，分析在有超前支護和無超前支護情況下初期支護的內力變化，得到超前支護對隧道結構受力的影響。需要說明的是FLAC3D中實體單元計算內力根據FISH語言對單元應力積分得到，計算結果如圖6～圖7所示。

施作超前支護地段初期支護關鍵部位的軸力比未施作超前支護的軸力普遍大，其中變化較大的是左墻腳的位置，軸力增大了389.6 kN，增幅為27.6%；有超前支護時左墻腳處的彎矩較無超前支護情況下的彎矩值減小8.2 kN·m，彎矩值較無超前支護減少15.3%。施作超前支護后，初期支護軸力值變大，彎矩值減小，更有利于初期支護結構的受力。可見，施作超前支護對于隧道結構受力是有利的。

圖6 有超前支護時初期支護內力

圖7 無超前支護時初期支護內力

3 現場監測

為了更進一步了解隧道下穿河谷區施工過程中二次襯砌結構承受的水壓力和圍巖壓力，選取DK775+041斷面為監測斷面，布置了8個監測點，分別位于拱頂、左右拱腰、左右邊墻、左右仰拱腰、仰拱底，水壓力計和圍巖壓力盒安裝于初期支護與防水板之間，如圖8所示。監測結果如圖9所示。

圖8 現場監測儀器安裝

由圖8可知，二次襯砌承受的圍巖壓力最大位于左側拱腰、仰拱部位，最大達到0.35 MPa，總體二次襯砌承擔圍巖壓力相對較小，因此二次襯砌內力也較小。由圖9可知，水壓力最大值小于0.01 MPa，基本上不承受水壓力，分析與弱風化泥巖的低滲透性相關，在隧道開挖過程中基本無滲水。作者認為水壓力較小的原因與水位、圍巖滲透性和排水系統有關。在本隧道中，水位線在隧道拱頂下40 m，圍巖滲透性較好，且排水系統為全封堵，因此二襯承受水壓力較小。

圖9 DK775+041斷面監測結果

除了對圍巖壓力與水壓力進行了監測外，監測了DK775+120斷面拱頂沉降時程曲線，如圖10所示。

圖10 拱頂沉降時程曲線

由圖10可知，最大拱頂位移小于3 cm，數值計算結果與現場監測結果在數量級上一致，數值計算結果大于現場監測結果，數值模擬較保守，可對設計給予指導。

4 結論

(1)根據室內試驗獲得了研究區段隧道圍巖天然抗壓強度有高有低，軟硬不均，但均屬于極軟質巖，且成巖作用不一，整體工程性質較差；不具有膨脹性，但具有一定的崩解性，屬微透水地層。

(2)根據數值計算結果可知：超前支護能夠一定程度上控制圍巖變形；施作超前支護后，初期支護軸力值變大，彎矩值減小，更有利于初期支護結構的受力。

(3)根據現場監測結果可知：二次襯砌承受的圍巖壓力最大位于左側拱腰、仰拱部位，最大達到0.35 MPa，總體二次襯砌承擔圍巖壓力相對較小；水壓力最大值小于0.01 MPa，基本上不承受水壓力，這與弱風化泥巖的低滲透性相關，在隧道開挖過程中基本無滲水。

(4)拱頂最大位移小于3 cm，數值計算結果大于現場監測結果，二者在數量級上一致，數值模擬較保守，但可為設計提供一定指導。