淺埋偏壓富水膨脹性泥巖地段隧道施工工法研究

夏 小 勇， 王 東 東

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610031)

1 概 述

高速鐵路隧道多為山嶺隧道，穿越地層復(fù)雜多變, 印尼雅萬高鐵項(xiàng)目尤其如此，其泥巖段具有高孔隙率、高孔隙比、高透水率、高壓縮比、高膨脹性，因此，隧道開挖方法的合理選擇將直接影響到隧道施工安全。一般而言，根據(jù)地質(zhì)情況、開挖斷面、施工條件等因素,隧道常用的開挖方法有全斷面法、臺階法(兩臺階和三臺階)、CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法等。CD法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法主要是將大斷面分割成小塊,具有施工工序轉(zhuǎn)換復(fù)雜,作業(yè)空間較小,不便于施工機(jī)械作業(yè),施工效率較低,且臨時支護(hù)拆除時應(yīng)力需重新分布，仰拱封閉成環(huán)施工周期長等特點(diǎn)，存在一定的安全隱患，因此，上述方法僅在控制軟弱圍巖變形情況下選取。而臺階法能夠提供較為寬敞的作業(yè)空間，便于施工機(jī)械發(fā)揮而在絕大部分隧道施工中普遍使用[2]。

以印尼雅萬高鐵2號隧道工程為依托,根據(jù)現(xiàn)場圍巖情況及施工技術(shù)條件,提出了一種改進(jìn)的三臺階工法(即三臺階四步快速開挖快速封閉的工法),結(jié)合現(xiàn)場工程實(shí)踐情況對其施工工效進(jìn)行了評價。所取得研究成果可為大斷面高速鐵路隧道工程快速施工提供參考。

2號隧道位于丘陵區(qū)，地勢起伏較大。隧道進(jìn)口里程為DK74+020，出口里程為DK75+050，中心里程為DK75+535，全長1 030 m，隧道最大埋深約53.6 m。隧道進(jìn)口至DK74+200范圍內(nèi)縱坡為17‰的上坡，隧道出口至DK75+050范圍內(nèi)縱坡為30‰的上坡。地表自然坡度約為10°～30°，植被發(fā)育。

隧道洞身穿越第三系中新統(tǒng)subang組W4(全風(fēng)化)泥巖，泥巖為薄～中厚層狀，具有中等膨脹性，自由膨脹率為68%～80%，局部可見構(gòu)造擦痕面，掌子面泥巖照片見圖1。開挖后因膨脹導(dǎo)致泥巖開裂，加之滲水影響，巖體在暴露一段時間后逐漸破碎，自穩(wěn)能力變差，易塌方掉塊。該隧道設(shè)計(jì)為V級圍巖、部分段落變更為Ⅵ級圍巖。其隧道襯砌斷面見圖2，初期支護(hù)參數(shù)見表1。

圖2 隧道襯砌斷面圖

表1 初期支護(hù)參數(shù)表

2 施工工法比選

2.1 工法選擇

項(xiàng)目部技術(shù)人員在研究時選取2號隧道Ⅴ級軟弱圍巖段采用Midas GTSNX建立大斷面軟巖隧道三維模型，網(wǎng)格劃分情況見圖3。為方便計(jì)算，對實(shí)際工程條件進(jìn)行了適當(dāng)簡化，將圍巖視為理想彈塑性介質(zhì)，僅考慮巖體自重而不考慮地下水及構(gòu)造應(yīng)力等因素的影響，巖體力學(xué)特性遵循摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則。

在綜合考慮《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003—2016)與工程地質(zhì)勘探報(bào)告及設(shè)計(jì)資料、同時對比其他相似工程資料后確定的飽水狀態(tài)下土體物理力學(xué)參數(shù)見表2，支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表2 飽水狀態(tài)下土體物理力學(xué)參數(shù)表

圖3 大斷面隧道三維模型圖

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)表

鑒于隧道開挖工法的選擇直接關(guān)系到工程安全及能否順利施工等問題，因此，研究不同的開挖工法對隧道圍巖變形空間效應(yīng)及其穩(wěn)定性影響具有重要意義[3]。技術(shù)人員選取了5 種常見的開挖工法、輔以注漿加固措施對大斷面軟巖隧道進(jìn)行了開挖模擬：三臺階臨時仰拱法見圖4，三臺階臨時仰拱加地表袖閥管注漿加固法見圖5，三臺階臨時仰拱加超前注漿加固法見圖6，CRD法見圖7，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法見圖8。5種施工方法下模擬隧道監(jiān)測斷面豎向位移絕對值見圖9，初期支護(hù)噴混凝土應(yīng)力最大值見圖10。

圖4 三臺階臨時仰拱法圖

圖5 三臺階臨時仰拱加地表袖閥管注漿加固法示意圖

圖6 三臺階臨時仰拱加超前注漿加固法示意圖

圖7 CRD法示意圖

圖8 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法示意圖

圖9 模擬隧道監(jiān)測斷面豎向位移絕對值示意圖

隨著掌子面的推進(jìn)，不同工法下監(jiān)測斷面處拱頂沉降各有差異(圖9)。由圖9 可知：不同開挖工法對圍巖的變形影響很明顯：三臺階臨時仰拱法開挖擾動范圍最大，拱頂沉降變形在開挖后拱頂豎向位移絕對值最大達(dá)到98.9 mm，而三臺階臨時仰拱+地表注漿及三臺階臨時仰拱+超前注漿2 種工況下拱頂豎向位移絕對值分別為46.2 mmm 和22.2 mm；5種工況下初期支護(hù)噴混凝土應(yīng)力最小值為三臺階臨時仰拱+地表注漿以及三臺階臨時仰拱+超前注漿，分別為11.36 MPa和9.94 MPa，這與注漿對地層泥巖加固改良有很大關(guān)系,與實(shí)測結(jié)果規(guī)律基本一致。從以上變形情況及初期支護(hù)噴混凝土應(yīng)力情況分析，在考慮工期影響的情況下，最終決定采用三臺階臨時仰拱+地表注漿加固的方式進(jìn)行2號隧道軟弱泥巖段的施工。

圖10 初期支護(hù)噴混凝土應(yīng)力最大值示意圖

2.2 臺階高度的比選

為了研究隧道臺階高度對圍巖變形空間效應(yīng)的影響[4]，選取了3 種上臺階高度進(jìn)行分析，臺階高度分別為3 m、3.5 m、4 m，隧道埋深、圍巖及襯砌支護(hù)參數(shù)和開挖工法等條件均相同，圖11為隧道拱頂圍巖豎向位移絕對值，圖12為圍巖應(yīng)變值；臺階高度對拱頂位移及圍巖應(yīng)變對比情況見表4(不同臺階位移計(jì)及圍巖應(yīng)變分析表)。

表4 不同臺階位移計(jì)及圍巖應(yīng)變分析表

由表4對比分析可知：隨著臺階高度的增加，拱頂位移亦隨之增加，但整體差距不大，拱頂應(yīng)力與圍巖應(yīng)變在臺階高度為3.5 m時最小。因此，建議優(yōu)先選擇的臺階高度為3.5 m。

2.3 臺階長度的比選

為了研究隧道臺階長度對隧道變形空間效應(yīng)的影響[5]，技術(shù)人員選取上、中臺階3種臺階長度且仰拱步距為30 m的工況條件下進(jìn)行了對比分析，分別為上臺階長度3 m、5 m、5 m以及中臺階長度6 m、9 m、12 m的條件下，其他隧道埋深、圍巖及襯砌支護(hù)參數(shù)和開挖工法等條件均相同，各臺階長度組合及位移統(tǒng)計(jì)情況見表5。

表5 各臺階長度組合及位移統(tǒng)計(jì)情況表

圖11 隧道拱頂圍巖豎向位移絕對值示意圖

圖12 圍巖應(yīng)變值示意圖

對比分析(表5)可知：上臺階設(shè)置的長度對隧道位移影響最大，其次是中臺階，下臺階的施工長度對隧道位移影響最小；上臺階長度3 m、中臺階長度6 m、下臺階長度21 m為控制隧道位移的最優(yōu)布置方式。最終建議軟弱圍巖隧道按此步距實(shí)施控制。

3 結(jié) 語

以雅萬高鐵2號隧道為研究背景，通過數(shù)值模擬的方法分析了隧道開挖過程中圍巖的變形及應(yīng)力情況，結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗(yàn)證，最后利用數(shù)值模擬的方法分析了隧道工法、臺階高度、臺階長度對隧道施工的影響，結(jié)論如下:

軟弱泥巖段隧道施工采用三臺階臨時仰拱+掌子面超前注漿加固的方式控制隧道變形為最有效的方式。在工期緊張的情況下，可以采取三臺階臨時仰拱+地表袖閥管注漿預(yù)加固的方式；對比分析上臺階施工高度后最終將高度設(shè)置為3.5 m時位移及應(yīng)力值最小；臺階長度的設(shè)置對隧道變形影響較大，在對比了9種臺階長度組合模擬隧道變形情況，得出了上臺階長度3 m、中臺階長度6 m、下臺階長度21 m時隧道沉降變形情況最小的結(jié)論。該結(jié)論可為大斷面軟巖隧道施工方案的制定提供一定的參考。