包西铁路洞子崖隧道断层破碎带浅埋偏压段施工数值模拟分析

林 裕

(中铁隧道勘测设计院有限公司厦门分公司,福建厦门 361003)

1 工程概况

包西铁路洞子崖隧道位于澄城县洞子崖村东南侧,西延铁路洞子崖车站左前方。隧道在洞子崖村附近DK683+062穿越一基岩山包后进入宽约130 m杜康沟断层,然后再穿越砂岩夹页岩层,最后在DK684+385出洞。隧道全长1323 m,为双线隧道。地貌上属黄土梁峁区,地形起伏较大,最大埋深104 m,在DK683+955处埋深仅为18 m,属浅埋偏压段。隧道最大开挖高度为12.1 m,最大宽度为14.7 m,最大开挖面积为143.65 m2,属于大断面浅埋偏压隧道。通过使用Flac5.0数值分析软件,针对不良地质条件下,浅埋偏压、大断面客运专线隧道的具体特点,模拟实际开挖情况,开展大断面隧道施工方法研究,将计算模拟结果用于指导大断面铁路隧道的开挖施工。

1.1 工程地质

洞子崖隧道所处地层主要为第四系全新统风积黏质黄土和碎石土、第四系上更新统风积黏质黄土、二叠系中统/下统砂岩夹页岩。碎裂岩分布于DK683+940～DK684+070(杜康沟断层)段,未见出露,紫红色、浅灰色,岩体多为碎块状,裂隙发育,裂隙间有少量泥质充填。杜康沟断层为隐伏逆断层,断层产状N60°E/84°S,断层走向与线路近正交。岩层的断裂破碎程度由北向南而递增,小的断裂构造较为发育,致使下部煤层纵横错断呈不连续状。

1.2 水文地质

洞子崖隧道在DK683+938～DK684+004段水文条件如下：

(1)本段地表水主要为雨季地表漫流及沟内流水,沟内属间歇性流水,水量随季节变化较大,冬季多干涸,水质对圬工无侵蚀性；

(2)地下水主要为基岩裂隙水及层间水,由于砂岩为弱透水层,页岩为相对隔水层,地下水多沿页岩层流动、渗出,在杜康沟断层段较丰富,水质良好,对圬工无侵蚀性。断层带中含水量不大,但不排除局部变大的可能性,洞子崖隧道地质平面见图1。

图1 洞子崖隧道地质平面

2 浅埋、偏压断层破碎段各施工方法效应比选数值模拟

2.1 模型的建立

数值模拟计算采用flac5.0有限差分数值计算软件,模型大小为水平方向90 m、垂直方向为坡脚以下36 m,地面坡度为1∶5,地应力场为自重应力场。边界条件为左右边界水平约束、下边界垂直方向约束、地表为自由面。隧道开挖过程中的初期支护采用锚喷支护技术,数值模拟为liner单元模拟喷混和cable单元模拟锚杆单元,原设计的开挖方式为三台阶预留核心土法,在实际施工中该浅埋偏压破碎段采用双侧壁导坑法。施工方案比选数值模拟为：

(1)三台阶预留核心土法、CRD法、双侧壁导坑法3种工法比选。

(2)双侧壁导坑法施工顺序的比选：先开挖埋深较浅导坑和先开挖埋深较大导坑2种情况。

隧道计算模型拟采用的3种开挖法简图见图2,计算模型网格划分如图3所示。

图2 3种开挖工法简图

图3 模型网格划分

2.2 参数的选取

平面数值模拟计算所采用的计算参数见表1,初期支护采用C25喷射混凝土、钢筋网、锚杆、钢架采用型钢拱架,其具体的材料及设置位置见表2。超前加固采用双层小导管注浆加固,计算中将超前注浆加固措施简化为加固圈进行数值计算模拟。

表1 围岩物理力学参数

表2 隧道初期支护参数

2.3 计算结果及分析

2.3.1 双侧壁导坑法与其他工法比选数值模拟

针对本工程特点,在断层破碎带围岩下对台阶环形开挖预留核心土法、CRD法、双侧壁导坑法3种可能的开挖方法进行数值模拟,比选一种最优工法。

数值模拟计算结果对比见表3,3种工法竖向位移云图、水平位移云图和地表沉降曲线如图4、图5、图6所示。

表3 双侧壁导坑法不同开挖顺序计算结果对比分析

图4 3种开挖工法竖向位移云图

图5 3种开挖工法水平位移云图

图6 3种开挖方法的地表沉降曲线

由表3和图6可得：

(1)拱顶位移：三台阶预留核心土(291.8 mm)>CRD法(112.5 mm)>双侧壁导坑法(104.1 mm)。

(2)最大地表沉降值比较：三台阶预留核心土(236.9 mm)>CRD法(72.7 mm)>双侧壁导坑法(64.91 mm),

(3)最大水平位移：左边墙为三台阶预留核心土(191.1 mm)>双侧壁导坑法(132.4 mm)>CRD法(76 mm)；右边墙：为三台阶预留核心土(153.2 mm)>双侧壁导坑法(85.2 mm)>CRD法(67.4 mm)

(4)塑性区分布：三台阶预留核心土法开挖的塑性区达到地表,整个塑性区最大,其次是CRD法,在两拱脚处有很深的塑性区,相比双侧壁导坑法塑性区最小,分布较均匀,在隧道周边一定范围内。

综上所述,在浅埋、偏压破碎带采用双侧壁导坑法在控制地表和拱顶沉降方面,优于三台阶预留核心土和CRD法,而且其初支轴力、弯矩均能小于混凝土的要求。故在浅埋、偏压破碎带采用双侧壁导坑法施工是有效的施工方案。

针对本隧道工程的特点,并根据模拟计算结果和以往工程经验,台阶法、CRD法和双侧壁导坑法的综合比较结果详见表4。

表4 浅埋偏压段3种工法综合对比

从3种工法的对比结果可以看出,对于本工程浅埋偏压段采用双侧壁导坑法施工较为合理。对原设计的三台阶法无法保障开挖的安全性,根据双侧壁导坑法的适用条件,在Ⅴ级软弱围岩中采用双侧壁导坑法施工时,需根据实际情况选择系列配套辅助措施加强,如超前小导管注浆、加长锚杆、加强支护等,并严格遵循“短进尺、弱爆破、早封闭、勤量测”的施工原则,及时根据量测信息高速设计施工参数，保证浅埋偏压段的安全施工。

2.3.2 双侧壁导坑法开挖顺序模拟计算结果分析

双侧壁导坑法开挖顺序计算分两种开挖顺序分别计算。

(1)先左导洞后右导洞实施顺序: ①→②→③→④→⑤→⑥→⑦→⑧→⑨。

(2)先右导洞后左导洞实施顺序: ③→④→①→②→⑥→⑤→⑦→⑧→⑨。

2种情况的计算沉降结果比较见表5,竖向位移云图、水平位移云图和地表沉降曲线分别见图7、图8、图9所示。

表5 双侧壁导坑法不同开挖顺序计算结果对比分析

图7 两种开挖顺序竖向位移云图

图8 两种开挖顺序水平位移云图

图9 2种开挖顺序地表沉降曲线

由表5和图7～图9可得：

(1)拱顶位移相差不大,但先开挖左导洞拱顶附近沉降向左侧偏移较先开挖右导洞明显；

(2)地表沉降相差不大,都是在浅埋侧沉降大于深埋侧,最大沉降在65 mm左右；

(3) 先左洞后右洞开挖最大水平位移在右洞边墙,最大位移为110.5 mm；先右洞后左洞开挖最大水平位移在左洞边墙,最大位移为132.4 mm；

(4)2种开挖顺序对轴力的影响不是很大,都小于混凝土抗拉要求。

综上可见,双侧壁导坑法先开挖浅埋侧,优于先开挖深埋侧,本工程为先开挖右导洞优于先开挖左导洞。

3 结论

通过对浅埋偏压大断面隧道的各种施工方法的数值模拟,计算他们的开挖效应,综合比选浅埋偏压段的最佳施工方法,得到如下结论。

(1)对于浅埋偏压大断面隧道,当地质条件较差,本工程为断层破碎带,采用三台阶预留核心土法、CRD法和双侧壁导坑法3种工法比选得到：在控制沉降方面,双侧壁导坑法明显优于其他两者,初支受力均满足混凝土要求,由于采用沉降控制指标是本工程的关键,故采用双侧壁导坑法较为合理。

(2)双侧壁导坑法不同开挖顺序模拟可见,双侧壁导坑法先开挖浅埋侧,优于先开挖深埋侧,本工程为先开挖右导洞优于先开挖左导洞。

综上所述比较可见,在隧道浅埋、偏压破碎带,采用双侧壁导坑法在控制地表和拱顶沉降方面,优于三台阶预留核心土(236.9 mm)和CRD法,而且其初支轴力、弯矩均能满足混凝土的要求。洞子崖隧道DK683+938～DK684+004段施工过程中采用双侧壁导坑法有效地控制了地表沉降及拱顶下沉,并顺利完成了该段隧道的施工。

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