軟弱圍巖鐵路隧道三臺階帶仰拱一次開挖工法臺階高度優化研究

李鵬宇 崔光耀 王慶建

(1. 北方工業大學， 北京 100144；2. 中鐵隧道集團四處有限公司， 南寧 530000)

隨著我國西南地區鐵路交通的持續發展，在鐵路隧道建設過程中不可避免需要穿越軟弱圍巖。因此，在選定開挖工法情況下，臺階高度的選擇對隧道施工的安全性和穩定性有著重要的影響。

目前，國內外專家、學者對軟弱圍巖條件下隧道施工的安全性及穩定性開展了研究，主要有：軟弱圍巖隧道不同施工方法力學行為分析[1-2]；依托實際工程利用數值模擬對下臺階含仰拱一次開挖的工法受力特性進行研究[3-4]；利用數值模擬軟件對軟弱圍巖隧道變形及其控制技術進行研究[5-6]；依靠實際工程探究軟巖隧道臺階法帶仰拱開挖技術的應用[7]；采用實驗方法分析復雜圍巖隧道變形特征[8-10]。以上研究僅針對軟弱圍巖隧道帶仰拱開挖工法的力學行為與圍巖變形及其控制技術，對軟弱圍巖鐵路隧道特定開挖工法的優化研究鮮有報道。因此，本文依托玉磨鐵路新平隧道工程，利用有限差分數值模擬軟件，對軟弱圍巖鐵路隧道三臺階帶仰拱一次開挖工法的臺階高度進行優化研究，研究成果可為類似工程施工提供參考。

1 新平隧道工程概況

1.1 地質條件

玉磨鐵路新平隧道(D1K 46+290～D1K 60+780)起于大開門河雙線大橋，穿越魯奎山、寫莫村、揚武西，止于揚武中橋，全長 14 835 m。地形左高右低，山間溝壑縱橫，地面高程為 1 150～1 782 m，相對高差約為632 m，最大埋深約為578 m。隧道地質條件復雜，不良地質段落幾乎涵蓋了整座隧道，管段內基本以軟巖為主。

1.2 隧道結構

隧道為馬蹄形斷面，初支厚25 cm，采用噴射C25混凝土支護；二襯厚50 cm，采用C25模筑混凝土。隧道高11.7 m，跨度為14.2 m。

圖1 計算模型圖

2 研究情況

2.1 計算模型

以新平隧道為研究背景，建立計算模型，如圖1所示。計算模型模擬地層的范圍為：隧道底部與上部取3～5倍洞高，約60 m，總高度為120 m；橫向兩端取3～5倍洞徑，約60 m，總寬度為120 m。模型的邊界條件為：上邊界無約束，下邊界為垂直約束，四周為水平約束。

2.2 施工方案

該段隧道采用三臺階帶仰拱一次開挖法，施工順序為：①開挖上臺階；②施作拱部初期支護；③開挖中臺階；④施作左右邊墻支護；⑤開挖下臺階及仰拱；⑥同時施作左右墻角支護及仰拱，根據圍巖變形及現場情況施作二次襯砌。施工方法示意如圖2所示。

圖2 施工方法示意圖

2.3 計算工況

為研究臺階高度對施工安全性及穩定性的影響，建立5組計算工況，如表1所示。

表1 計算工況表

2.4 計算參數

計算模型的材料物理力學參數如表2所示。

表2 2材料物理力學參數表

2.5 測點布置

為了解開挖過程中圍巖的動態信息，并據此判斷施工的安全性和合理性，在二襯結構的拱頂、右拱肩、右邊墻、右拱腳等共8個位置設立監測點，采集各測點位置的應力信息，測點布置如圖3所示。

圖3 測點布置圖

3 計算結果分析

3.1 位移分析

提取各工況隧道及圍巖位移云圖如圖4～5所示。

圖4 隧道及圍巖豎向位移圖

圖5 隧道及圍巖水平位移圖

由圖4、圖5提取各監測點數據，并計算拱頂沉降、拱肩收斂和邊墻收斂，如表3所示。

表3 初期支護位移值表

由表2可知，工況4的拱頂沉降值、拱肩收斂值和邊墻收斂值均為5種工況中最小，分別為22.30 mm、3.17 mm、11.9 mm，明顯小于其他4種工況。

3.2 內力分析

將提取出的隧道初支結構各監測點計算量測數據代入式(1)～式(4)，計算結構的軸力、彎矩和安全系數[11]。

(1)

(2)

KN≤φαRabh

(3)

(4)

式中：ε內、ε外——結構內外側應變；

b——截面寬度，取1 m；

M——彎矩；

N——軸力；

E——彈性模量；

h——截面厚度；

α——軸向力偏心影響系數；

φ——構件縱向彎曲系數；

Rl——混凝土抗拉極限強度；

Ra——混凝土抗壓極限強度；

K——安全系數。

3.2.1軸力

處理計算所得數據并繪制監測斷面軸力分布圖，如圖6所示。

由圖6可以看出，5種工況軸力分布規律相似，均處于壓應力狀態。軸力絕對值峰值均出現在拱頂位置，分別為 4 579 kN、4 490 kN、4 781 kN、3 974 kN、5 003 kN。工況4軸力絕對值峰值最小且基本小于其他4種工況相應位置的軸力絕對值。

圖6 監測斷面軸力圖(kN)

3.2.2彎矩

處理計算所得數據，繪制監測斷面的彎矩分布圖，如圖7所示。

圖7 監測斷面彎矩圖(kN·m)

由圖7可以看出，5種工況彎矩分布規律相似。彎矩絕對值峰值均出現在拱頂位置，其峰值分別為24.6 kN·Wm、25.5 kN·m、23.8 kN·m、19.1 kN·m、28.1 kN·m。工況4邊墻為負彎矩，其彎矩絕對值峰值最小且小于其他4種工況相應位置的軸力絕對值。

3.2.3安全系數

提取數據，計算得到各監測斷面安全系數，繪制監測段面安全系數分布圖，如圖8所示。提取各工況的最小安全系數并與工況1進行對比，同時計算安全系數增大百分比，如表4所示。

圖8 監測段面安全系數分布圖

表4 最小安全系數表

由圖8、表3可知，5種工況的安全系數分布規律相似，最小安全系數出現在拱頂部位。5種工況的最小安全系數分別為2.46、2.51、2.35、2.83、2.25。其中，工況4的最小安全系數最大，相對于工況1提高了15.03%，滿足規范要求。

4 結論

本文依靠玉磨鐵路新平隧道工程，利用有限差分數值模擬軟件flac3D，對軟弱圍巖鐵路隧道三臺階帶仰拱一次開挖工法的臺階高度進行優化研究，得出以下主要結論：

(1)在5種計算工況中，工況4(上臺階高度4 m、中臺階高度3.2 m、下臺階高度5 m)的拱頂沉降值、拱肩收斂值、邊墻收斂值均為最小，分別為22.30 mm、3.17 mm、11.9 mm。

(2)在5種計算工況中，工況4的結構安全性最高，最小安全系數最大，為2.83。

(3)綜合結構位移及內力分析，新平隧道軟弱圍巖段建議采用工況4的臺階高度進行施工。