高鐵隧道穿越斷層破碎帶施工工法研究

摘要：為了分析穿越斷層破碎帶隧道在不同施工工法下襯砌的力學特征，選擇對圍巖變形控制比較好的三臺階分步法和CD法施工進行數值模擬，分析比較兩種工法開挖引起的拱頂沉降、邊墻收斂位移以及圍巖應力變化規律。經計算分析可知，采用三臺階分步法施工時襯砌受力明顯低于CD法施工，而對于控制圍巖變形方面而言，CD工相比與三臺階分步法來說則有明顯的優勢。

關鍵詞：應力；斷層破碎帶；施工控制；圍巖

0 引言

在山區進行高鐵建設時受各種條件的限制，隧道難免會穿越斷層破碎帶。斷層本身作為一種地質構造，會對隧道工程的安全性產生影響，鑒于此，相關規范如《公路隧道設計細則》《鐵路隧道設計規范》《巖土工程勘察規范》中，都對線路穿越斷層做了相關的規定。斷層對隧道結構安全性的影響主要表現為錯斷以及地震破壞。崔光耀[1-2]等在汶川地震后，對川內百余所隧道開展了震害調查。

從調查結果可以看出，除了隧道洞門會產生破壞之外，隧道洞身穿越斷層破碎帶段也會產生襯砌開裂、崩落甚至塌方等。以上斷層運動對隧道產生的破壞主要是在隧道運營階段。而對于施工階段來講，斷層破碎帶圍巖成分復雜，工程地質性質特殊，如果處理不當，隧道施工時可能會引起大變形甚至產生塌方事故，造成生命財產損失[3-4]。

本文基于學者對隧道穿越斷層破碎帶的相關研究，總結了現有常用施工工法，并以貴南高鐵永興一號隧道為工程依托，選擇對圍巖位移控制效果較好的CD法和三臺階分步法進行施工模擬，對比二者工法對本工程的適用性。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

永興一號隧道位于廣西境內環江至河池區間，入口位于廣西河池市環江縣思恩鎮，出口位于廣西河池市金城江區東江鎮，設計時速350km，為單洞雙線隧道，隧道全長10130m，最大埋深480m，屬特長隧道。

隧址區屬中低山溶蝕峰叢洼地地貌，洞身地段多為峰叢、洼地和槽谷，地形起伏較大，坡陡溝深，絕對高程195～800m，相對高差最大達605m，自然坡度一般20～60°，山頂孤峰多為陡崖。洞身山體坡面覆土一般較薄，植被發育，多喬木、灌木林。

1.2 工程地質狀況

隧道進、出口山體地形險峻陡峭，危巖為弱風化的灰巖、白云巖，石質堅硬，節理裂隙、裂縫較發育。隧區發育2條區域性斷層帶，龍友正斷層為區域性扭性斷裂，隧區范圍斷層軸向為N10°W，傾向SW，傾角為40°，位于隧道DK277+680～DK278+900段右側溝槽內，距線路約180～330m。斷層兩盤地層均為石炭系中統灰巖、白云巖，斷層帶具角礫巖化、硅化及方解石化特征。

東江正斷層為區域性張扭性斷裂，斷層軸向為N40°E，傾向SE，傾角為75°，在線路附近斷層上下盤地層均為二疊系下統棲霞組灰巖夾白云質灰巖，斷層NW盤產狀主要為N80°E/27°S，SE盤產狀主要為N30°W/18°S。斷層帶具有角礫巖化、硅化及方解石化特征，斷層破碎帶寬度約20～50m。

2 穿越斷層破碎帶常用施工工法

目前常用的隧道施工工法主要有臺階法、臺階分部開挖法、中隔壁法（CD法及CRD法）、單側壁導坑法以及雙側壁導坑法等。

2.1 各工法特點

2.1.1 臺階法

臺階法的優點是靈活多變，適應性強，并且能夠快速轉變為其他工法，因此臺階法施工漸成為國內外軟弱地層隧道施工的趨勢。臺階法也有它的缺點，如上下部作業互相干擾、各臺階開挖對圍巖的擾動大、掌子面穩定性不足、拱頂沉降較大等，但是可通過一些措施，如控制臺階長度、采用超前支護、施作臨時仰拱、增設鎖腳錨桿等，來彌補這些不足之處。臺階法相對比中隔壁法、導坑法來說，造價低、施工速度快，在遇到不良地質的時候，還可快速轉為其他施工工法施工，如木寨嶺隧道開始時采用三臺階分步法，后改為雙側壁導坑法。

2.1.2 中隔壁法

中隔壁法（CD法或者CRD法）適用于軟弱地層。這是由于各部封閉成環的時間短，再加上支護結構剛度大，有效抑制了圍巖的變形。中隔壁法也是軟弱地層大斷面隧道施工常用的工法。例如，分水關隧道、鄭州地鐵１號線農業東路站、集乎商速公路旗下營雙向六車道隧道和云陽山隧道都采用了中隔壁法施工。

2.2 工法選擇

斷層破碎帶地層隧道施工工法與支護結構、輔助手段應當是相匹配的。在斷層破碎帶隧道施工中只有支護及時，支護強度、輔助措施與工法匹配得當，臺階長度適當，才能更好保證圍巖的穩定。本文根據實際施工設計資料，擬選用CD法和三臺階分步開挖法作為兩種比選施工方案，進行施工控制技術研究。

3 不同施工效果對比

3.1 計算參數選擇

本文計算旨在比較CD法和三臺階分步開挖法作為兩種施工方案時，從拱頂沉降、邊墻收斂、支護受力以及位移情況等幾個方面，來分析不同施工方法對隧道開挖圍巖穩定性的影響。選取穿越斷層破碎帶的橫斷面進行計算，襯砌跨度14.38m，高度11.17m，二襯厚度為0.6m，鋼筋混凝土標號為C30。圍巖的力學參數，按照地勘報告中的所提供的參數進行計算。支護結構初支為C25混凝土，二襯為C30混凝土。計算模型的左、右、下邊界均取為隧道跨3倍（45m），上邊界取至地表（埋深103m）。建立的數值模型如圖1所示。

3.2 開挖模擬

CD法施工流程如下：將隧道斷面從中間分成6個部分，使上、下臺階左右各分成3個部分，每一部分開挖并支護后形成獨立的閉合單元。按照此順序進行開挖模擬，先進行自重平衡，然后提取每一步計算得到的圍巖應力云圖及支護結構的受力情況。CD法分部開挖應力云圖如圖2所示。

三臺階分步開挖法施工流程如下：在三臺階法的基礎上將每一臺階分為2～3個部分，先進行上部圓弧形導坑開挖，然后開挖中臺階的左右兩側導坑，接著開挖下臺階的左右側導坑，最后進行上下中臺階中心預留核心土的開挖。按照此順序進行開挖模擬，先進行自重平衡，然后提取每一步計算得到的圍巖應力云圖及支護結構的受力情況。三臺階分部法開挖應力云圖如圖3所示。

3.3 施工效果分析

隧道變形受力控制指標統計如表1所示。距離掌子面不同距離所引起的拱頂沉降值如圖4所示。分析比較兩種工法開挖引起的拱頂沉降、邊墻收斂位移以及圍巖應力，可得出以下結論：

3.3.1 圍巖變形分析

在隧道開挖中，控制隧道開挖引起的圍巖變形是評判工程質量好壞的標準之一。CD工法開挖斷面小，將大跨化為小跨，每次開挖引起的土體擾動小，同時中隔壁的支撐作用，加大了結構剛度，有效地抑制了結構變形。

由計算結果得出，CD工法開挖引起的拱頂沉降、邊墻收斂位移和地表沉降比三臺階分步工法開挖引起的小。因此，對于控制圍巖變形方面而言，CD工法相比與三臺階分步工法來說具有明顯的優勢。

3.3.2 應力分析

CD工法開挖引起的圍巖最大、最小主應力極值，比三臺階分步工法開挖引起的圍巖最大、最小主應力極值小，分別減少了27%、18%。CD工法開挖引起的圍巖最大豎向應力，比三臺階分步工法開挖的圍巖最大豎向應力小，與后者相比減小了12.8%。兩種工法開挖引起的圍巖最大豎向應力都發生在仰拱處。

CD工法開挖引起的圍巖最大水平應力，比三臺階分步工法開挖的圍巖最大水平應力小，與后者相比減小了46.6%，兩種工法開挖引起的圍巖最大水平應力都發生在拱腰處。

在該地質條件下，兩種工法開挖都會在拱頂、拱肩、拱腰圍巖處出現拉應力，圍巖不能承受拉應力，所在隧道開挖時，要采用超前支護確保隧道的安全性。

3.3.3 彎矩、軸力與剪力值分析

三臺階分步法施工圍巖位移明顯大于CD法施工，在一定程度上發揮了圍巖的自承載能力，因此在三臺階分步法施工時圍巖的應力水平高于CD法。從支護結構受力情況來看，三臺階分步法施工時初支的彎矩、軸力、剪力值分別為854kN·m、613kN、509kN。而CD法施工時初支的彎矩、軸力、剪力值分別為1210kN·m、1170kN、524kN。后者比前者分別增加41.7%、90.9%、2.9%。為此采用三臺階分步法施工時襯砌受力明顯較好。

4 結束語

本文以永興一號隧道隧道為工程依托，選用CD法和三臺階分步開挖法作為兩種比選施工方案，通過建立考慮斷層破碎帶的三維模型，從拱頂沉降、邊墻收斂、支護受力以及位移情況等幾個方面來分析不同施工方法對隧道開挖圍巖穩定性的影響，進行施工控制技術研究。得到了以下結論：

CD工法開挖引起的圍巖最大、最小主應力極值，比三臺階分步工法開挖引起的圍巖最大、最小主應力極值小，分別減少了27%、18%。CD工法開挖引起的圍巖最大豎向應力比三臺階分步工法開挖的圍巖最大豎向應力小，與后者相比減小12.8%，兩種工法開挖引起的圍巖最大豎向應力都發生在仰拱處。

CD工法開挖引起的圍巖最大水平應力比三臺階分步工法開挖的圍巖最大水平應力小，與后者相比減小了46.6%，對于控制圍巖變形方面而言，CD法相比與三臺階分步法來說有明顯的優勢。

從支護結構受力情況來看，三臺階分步法施工時初支的彎矩、軸力、剪力值分別為854kN·m、613kN、509kN；而CD法施工時初支的彎矩、軸力、剪力值分別為1210kN·m、1170kN、524kN；后者比前者分別增加41.7%、90.9%、2.9%。為此采用三臺階分步法施工襯砌受力明顯較好。

參考文獻

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