郑西客运专线张茅隧道施工技术

陈佩寒,王 宁,赵华锋

(1.石家庄铁道大学,石家庄 050043；2.中铁十二局集团有限公司,太原 030024)

随着国内铁路客运专线的日益增建以及隧道净空要求的不断提高,大断面隧道工程也越来越多。由于开挖断面大、施工难度大、安全风险突出、工期影响等特点,大断面隧道施工已成为国内外专家瞩目的焦点[1-5]。隧道工程中一般将断面面积超过100 m2以上的隧道称为大断面隧道,而近年来实际工程中很多隧道断面达到120～160 m2,有些三、四车道公路隧道甚至达到或超过200 m2[6，7]。隧道断面的增大常造成拱顶不稳定,围岩产生较大的松弛地压,在埋深作用不能发挥时产生很大的松弛压力导致支护受载骤增,尤其对土质不良、跨度大且扁平形状的拱形支护结构支护条件不利[8-10]。郑西铁路客运专线位于黄土地区,隧道断面大、地层富水饱和、黄土遇水成泥、沉降变形大、易塌方、工程地质复杂、工期要求紧,通过对三台阶七步开挖在张茅隧道施工中的力学分析和施工工艺研究,实现了大跨隧道的快速施工,施工进度达到70～75 m/月,而且降低了施工成本。

1 工程概况

1.1 工程背景

张茅隧道全长8 483 m,是郑西铁路客运专线最长的隧道,也是重点控制性工程。隧道区主要岩性为Q2黏质黄土,粗圆砾土,具弱～中膨胀性,属Ⅳ级围岩,含较丰富的孔隙潜水,隧道最大涌水量为18 990 m3/d。隧道按350 km/h客运专线双线隧道设计,洞身衬砌为曲墙式复合衬砌,双块式无砟轨道结构,轨面至道床底面高度为57 cm。隧道最大开挖跨度16 m、高14 m,最大开挖面积达164 m2,属于超大断面隧道。

1.2 张茅隧道的工程特性

张茅隧道富水黄土段3 190 m,洞身位于地下水位线以下,黄土中含有丰富的孔隙水,渗透系数0.009～0.014 m/d,工程特点如下：(1)基底极易软化,涌水量大；(2)洞身开挖后自稳能力较差；(3)隧道结构易发生开裂现象；(4)开挖面积与跨度大；(5)围岩强度比较低。

2 张茅隧道三台阶七步法的施工力学分析

隧道上部覆土厚度30 m,为浅埋,模型约束条件：上表面自由,两侧为水平约束,纵向两端为纵向水平约束,底面为垂直约束。力学计算采用有限差分岩土工程软件Flac3D,将岩体进行三维离散化,且按常应力模式进行计算,模型纵向长为32 m,两侧离隧道开挖边界为75 m,底部边界离隧道轨面75 m,共有88 080个单元,共有节点数92 127个。地层及支护物理力学参数见表1。模型网格、开挖台阶布置及支护效果图如图1所示。

表1 围岩及支护材料物理力学参数

图1 模型网格及开挖台阶布置与支护

郑西客运专线张茅隧道三台阶七步法开挖大断面富水黄土隧道在国内尚属尝试,之前缺乏成功经验。为了掌握隧道施工过程围岩和支护结构的力学动态,对三台阶七步开挖在张茅隧道的施工过程进行力学模拟,以初期支护的主应力、围岩位移场、塑性区和掌子面位移数据分析施工的安全性和可靠性。

2.1 初期支护应力分析

选取距离初始开挖断面8 m处作为研究断面。计算主要以评价三台阶七步法施工条件下初期支护的工作情况,模拟集中在二次衬砌施工以前的过程。共分为9种工况,具体见表2。

表2 9种工况的描述

注：以下凡未经说明,出现工况皆以表中描述为准；D为开挖跨度。

限于篇幅,施工中重要关键步序的初支应力图如图2所示。

图2 初期支护主应力分布云图

由图2可以看出：

(1)初期支护在施工过程中出现了应力集中,拉应力集中主要发生在拱脚和拱顶；压应力集中主要发生在拱顶和边墙、墙脚。因此,这些地方为支护结构的薄弱环节,可能出现破坏截面。(2)随着施工的推进,应力一直在积累增加,同时发生最大(小)主应力的位置在改变。最大主应力集中由发生在拱脚变化为拱顶,即由下往上变化；最小主应力集中发生的地方由拱顶到边墙再到墙脚,即由上往下变化。(3)施工过程中,按等效方法考虑初支中钢架作用,最大主应力为4.92 MPa,最小主应力为-24.04 MPa。

2.2 断面位移场分布规律分析

隧道开挖断面位移场分布见图3。

图3 隧道开挖断面位移分布

由图3可知：隧道周边位移主要发生在拱顶和仰拱,最大值发生在仰拱中央。

2.3 围岩塑性区分布规律

隧道开挖断面位移场分布见图4。

图4 围岩塑性区分布

由图4分析可以看出：

(1)洞周围岩塑性区在起始开挖断面呈现出蝶形,在拱脚和墙脚处的发展深度可达2 m左右,掌子面前方塑性区发展深度也在2 m左右。由于超前支护以及锚杆加固的作用,塑性区的发展深度不大,充分说明超前支护以及锚杆加固起到很好的加固围岩的作用。

(2)塑性区呈从上到下增大的趋势,拱部围岩几乎没有塑性区,仰拱处塑性区较深,这是由于没有锚杆加固的原因造成的。

(3)随着施工推进,研究断面塑性区不断扩大。在隧道贯通时,塑性区主要发生在研究断面的仰拱处,最大4 m左右,边墙以上几乎没有塑性区分布。

2.4 掌子面位移

掌子面水平位移大小反应施工中围岩的稳定性和施工安全性。计算结果见图5。

图5 三台阶七步开挖法朝前推进不同深度时的掌子面位移

从图5可以看出：(1)掌子面位移最大值发生在正面上台阶核心土处；(2)在掌子面推进不同深度时,掌子面最大位移变化不大,都在6 cm左右,平均掌子面位移为6.4 cm。

综上对初支、围岩塑性区和变形评价可知：张茅隧道开挖采用三台阶七步法能有效地控制沉降变形,隧道施工中可以保证安全作业,实现快速施工。

3 施工工艺研究及要点

3.1 张茅隧道三台阶七步开挖法特点

大断面隧道三台阶七步开挖法是以弧形导坑开挖留核心土为基本模式,分上、中、下3个台阶7个开挖面,适用于开挖断面为100～180 m2,具备一定自稳条件的Ⅳ、Ⅴ级围岩地段隧道的施工。三台阶七步开挖法具有下列特点：(1)施工空间大,方便机械化施工,工效较高；(2)在地质条件发生变化时,便于灵活、及时地转换施工工序,调整施工方法；(3)适应不同跨度和多种断面形式,初期支护工序操作便捷；(4)预留核心土,左右错开开挖,利于开挖工作面稳定；(5)可尽快调整闭合时间。

三台阶七步开挖法施工步骤见图6。

注：第1步,上部弧形导坑开挖；第2、3步,左、右侧中台阶开挖；第4、5步,左、右侧下台阶开挖；第6步,上、中、下台阶预留核心土；第7步,隧底开挖[2]。

3.2 施工工法注意事项

(1)应将超前地质预报纳入施工工序,及时调整各步台阶长度或施工方法,采取相应的技术措施,及早封闭成环,保证施工安全；

(2)应根据工程水文地质条件,按设计要求做好超前支护,防止围岩松弛,保证隧道开挖安全。在断层、破碎带、浅埋段等自稳性较差或富水地层中,超前支护应按设计要求进行加强。

(3)必须规范施工工艺、规范施工管理。台阶长度：上台阶3～5 m,中、下台阶4～6 m；台阶高度：上台阶不小于宽度的0.3倍,中、下台阶平均分配；台阶错台：2～3 m。

(4)上台阶进尺不宜大于0.8～1.0 m；中、下层台阶进尺不宜大于上台阶进尺的2倍,即1.5 m左右；仰拱一次开挖施做初支护的长度不宜大于上台阶一次进尺的3倍,即2～3 m。

(5)通过留核心土、开挖面初喷3～5 cm混凝土、设置超前小导管技术有效控制掌子面的稳定；通过设置大拱脚、锁脚锚杆技术控制整体沉降。

(6)施工中仰拱必须及时封闭,封闭距离为30～35 m,封闭时间宜控制在15d左右。

(7)完善洞内洞外施工防排水系统,防止洞内水漫流。

4 结论

结合超大断面黄土隧道的围岩地质条件及富水黄土的工程特性,通过对三台阶七步开挖在张茅隧道施工中施工过程力学分析和施工工艺的研究,提出了黄土隧道施工的新方法,并掌握了施工中的力学行为特点,实现了大断面黄土隧道快速施工,施工进度达到70～75 m/月,降低了施工成本,在保障工期和安全施工上具备显著的效益。

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