長大隧道I V級圍巖段全環(huán)開挖工法優(yōu)化研究

袁金波

（河南理工大學(xué)，河南 焦作454000）

1 引言

目前，國內(nèi)Ⅳ級軟弱圍巖大多采用臺階法的開挖方式。國內(nèi)鐵路隧道建設(shè)水平的不斷提高和大型機(jī)械化設(shè)施的日漸完善，都為Ⅳ級軟弱圍巖全環(huán)開挖法提供了一定的建設(shè)條件。全環(huán)開挖法相較于臺階法的優(yōu)點(diǎn)有：（1）開挖空間大，大型機(jī)械有充足的作業(yè)空間；（2）對圍巖的擾動次數(shù)少，連同仰拱一次開挖成型；（3）節(jié)省施工成本；（4）工序少，施工速度較快。采用大型機(jī)械的目的是為了提高施工效率，避免不必要的費(fèi)用，但由于Ⅳ級圍巖多為軟弱圍巖，考慮其自穩(wěn)性和安全性，采用大型機(jī)械化全環(huán)開挖法不符合相關(guān)鐵路規(guī)范要求，故軟弱圍巖在全環(huán)開挖法下的穩(wěn)定性研究具有一定的重要意義。

田佳，李金鵬[1]通過將成套的隧道大型機(jī)械化設(shè)備應(yīng)用于大斷面隧道的施工。結(jié)果表明，此工法具有提高安全性、提升施工質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。劉希亮，孫飛躍[2]采用FLAC 3D 數(shù)值模擬軟件研究了臺階法、CD 法、CRD 法的施工，并根據(jù)圍巖位移、應(yīng)力、應(yīng)變和地表沉降的云圖分析3 種方法的圍巖變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，相同情況下，與臺階法和CRD 法相比，CD 法不僅在圍巖位移、圍巖應(yīng)力、地表沉降量具有優(yōu)勢，而且施工效率高[3～5]。

2 工程概況及數(shù)值模型

選取國內(nèi)某隧道進(jìn)行現(xiàn)場研究，該隧道設(shè)計為350 km/h的單洞雙線隧道，共設(shè)輔助坑道3 座，采用的是CRTSI 型雙塊式無砟軌道，隧道內(nèi)軌頂面以上設(shè)計為凈空有效面積100 m2，隧道襯砌類型為復(fù)合式襯砌。所選段埋深為103～328 m，長度為60 m，為-5‰的下坡，巖體較為完整。

隧道斷面高12 m，寬15 m，因隧道開挖將會對周圍3 倍左右隧道尺寸有一定影響，故整個模型X，Y，Z3 個方向取200 m，60 m，200 m。隧道圍巖采用摩爾-庫倫彈塑性模型（Mohr-Coulomb Elastic-Plastic Model）。初期支護(hù)的噴射混凝土為Elastic 各向同性彈性模型。在初期支護(hù)和圍巖接觸面上施加虛擬支撐力，模擬相關(guān)條件[6～8]。因?yàn)橐芯? 種不同開挖方式，故設(shè)置同等條件，臺階法和全環(huán)法模擬進(jìn)尺均設(shè)置2.4 m。隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理參數(shù)由現(xiàn)場數(shù)據(jù)得出，見表1。隧道數(shù)值模擬模型如圖1 所示。

表1 隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理參數(shù)

圖1 隧道數(shù)值模擬模型

3 數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，將圍巖位移、應(yīng)力、應(yīng)變計算結(jié)果統(tǒng)計在表2 中，由于水平變形量差別不大，故統(tǒng)計豎向變形。

表2 模擬結(jié)果統(tǒng)計

3.1 圍巖位移分析

通過分析位移模擬結(jié)果可知，2 種開挖方式模擬的豎向變形最大的地方發(fā)生在隧道拱頂和拱底，這一點(diǎn)與實(shí)際情況相同。全環(huán)法、臺階法拱頂最大位移從表2 中可知分別為19.44 mm 和20.4 mm，在拱頂位移方面臺階法比全環(huán)法多0.96 mm，這是因?yàn)棰艏壾浫鯂鷰r一般采用兩臺階的開挖方式，也就是在開挖過程中對掌子面進(jìn)行上下分部開挖，而全環(huán)法則不同，全環(huán)法是對掌子面進(jìn)行一次全部開挖（含仰拱），所以臺階法比全環(huán)法增加了對土體的擾動次數(shù)，造成拱頂位移臺階法比全環(huán)法大。2 種開挖方式模擬的水平位移值左右基本對稱，從總體上來說，2 種開挖方法的圍巖變形雖然有差別，但是差別不是很大。

當(dāng)隧道開挖后，由于圍巖的自穩(wěn)性，巖體進(jìn)行應(yīng)力重分布，部分巖體形成類似于壓力拱效應(yīng)，這就造成處在壓力拱中的巖體不僅要承受自身的荷載，還要承受其周圍巖體的荷載，就會形成拱頂處的位移是向下的，而也因壓力拱效應(yīng)，會使上部形成的壓力往兩邊巖體向拱外作用[9,10]。

3.2 圍巖應(yīng)力分析

通過分析應(yīng)力模擬結(jié)果可知，正負(fù)代表拉壓應(yīng)力，頂部和底部顯示均出現(xiàn)拉應(yīng)力，而最大壓應(yīng)力分布在隧道兩側(cè)，而且此處應(yīng)力最為集中，容易發(fā)生破壞，在施工過程中應(yīng)注意加固。全環(huán)法的應(yīng)力集中現(xiàn)象比臺階法的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為嚴(yán)重，全環(huán)法和臺階法開挖支護(hù)后的最大壓應(yīng)力分別為28.01 MPa、25.47 MPa，最大壓應(yīng)力方面，數(shù)值上全環(huán)法比臺階法大2.54 MPa，當(dāng)采用全環(huán)法開挖時應(yīng)注意超前加固。拱頂?shù)乃綉?yīng)力最大，兩腰處水平應(yīng)力較小，而且全環(huán)法的最大水平應(yīng)力比臺階法的小0.48 MPa。

3.3 圍巖應(yīng)變分析

通過分析應(yīng)變模擬結(jié)果可知，主應(yīng)變增量大部分處均在拱頂、拱底和兩腰處，且全環(huán)法在拱頂和拱底處的主應(yīng)變增量比臺階法的要大一些，剪切應(yīng)變增量主要分布在拱底處，在施工中應(yīng)該注意此處可能會發(fā)生剪切破壞，而且全環(huán)法的剪切應(yīng)變增量比臺階法產(chǎn)生的剪切應(yīng)變增量小。

4 隧道監(jiān)控量測分析

為了保證隧道安全順利施工，監(jiān)控量測是不可缺少的一環(huán)。本文設(shè)置一個拱頂測點(diǎn)和2 條水平收斂測點(diǎn)如圖2 所示。收集30 d 的量測數(shù)據(jù)，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)整，如圖3 所示。分析可知，隨著時間的增加，拱頂沉降量和水平收斂趨勢逐漸增大，隧道拱頂和收斂均在30 d 左右趨于穩(wěn)定。

圖2 監(jiān)控點(diǎn)布置圖

圖3 拱頂沉降和水平收斂變形曲線圖

5 結(jié)論

通過以上數(shù)值模擬對圍巖的變形、應(yīng)力、應(yīng)變的計算結(jié)果和監(jiān)控量測，可以得出以下結(jié)論：

1）通過本文圍巖位移、圍巖應(yīng)力、圍巖應(yīng)變的數(shù)值模擬分析可知，臺階開挖法和全環(huán)開挖法的各項數(shù)據(jù)均正常，隧道處于安全范圍內(nèi)；

2）現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)比數(shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)略大，這是由于現(xiàn)場不確定因素較多，例如，二次開挖，機(jī)械震動，測量誤差等都會影響量測數(shù)據(jù)；

3）本文僅研究了初支條件下的全環(huán)開挖，未對進(jìn)尺、步距、二次襯砌等方面做仔細(xì)研究，所以僅能對在初支條件下提供參考依據(jù)。