三台阶七步法穿越软硬互层施工措施研究

2012-09-04蒙国往周佳媚

铁道标准设计 2012年1期

蒙国往，周佳媚，李波

(1.西南交通大学土木工程学院，成都 610031;2.中铁四局集团第二工程有限公司，江苏苏州 215100)

目前，我国客运专线建设进入了新的施工高峰期，到2020年全国铁路营业里程达到12万km以上，其中高速铁路和客运专线达到1.6万km以上［1］。为了克服高速列车在隧道内运行所引起的空气动力学问题，新建的高速铁路隧道基本采用双线铁路隧道通过，线路中特大长隧道、特大断面的隧道在山岭地区相继出现。［2］在修建过程中，传统的工法逐渐暴露出很多不足［3，4］，特别是对软硬交互地层来说，大断面铁路隧道的施工难度很大。因此，探索如何在软硬交互地层快速安全修建大断面隧道，具有重大意义。

1 工程简介

1.1 工程概况

八苏木隧道位于内蒙古高原南缘之大青山低中山区，隧道洞身海拔超过1 500 m，隧道起讫里程DK525+046～DK533+230，全长8184 m(其中Ⅱ级围岩长1 385 m，Ⅲ级围岩长4 090 m，Ⅳ级围岩长2 425 m，Ⅴ级围岩长284 m)，为单洞双线隧道，开挖断面在117～130 m2，属特大断面隧道［5］，隧道埋深在40～130 m。

1.2 工程地质及水文条件

隧道穿越印河与大黑河的分水岭，隧道洞身通过区地层岩性复杂，主要有第四系全新统洪积层及坡积层，上第三系上新统玄武岩、泥岩夹砾岩、华力西中晚期花岗岩等。隧道沿线断裂褶皱构造不发育，但新生代火山活动频发，以基性喷发为特点，形成了大面积的玄武岩覆盖层，具有典型的桌状地貌形态，并伴有角度不整合，花岗岩节理较发育，张开-微张。

2 施工方法的数值模拟

2.1 研究断面

隧道出口施工中，DK532+500～531+550段上台为泥岩，中-强风化、呈土状，整体性差，易坍塌掉块，下部为玄武岩，弱风化，整体性好。在里程 K532+250处，主要地质情况为掌子面上部为胶结状的泥岩，下台为掌子面上部为玄武岩，地质纵断面如图1所示。隧道出口施工至DK531+500止，围岩出现明显变化，分层明显，掌子面上部为玄武岩，上台2.0 m为泥岩，泥岩为胶结状，具有一定自稳性，但遇水易崩解，稳定性差，泥岩分层沿小里程反向逐渐降低。

图1 地质纵断面

2.2 施工方法简介

如图2所示，三台阶七步法施工时，对拱部120°范围内出现泥岩的位置采用φ42 mm小导管进行超前支护，以弧形导洞开挖预留核心土为基本模式，分上、中、下3个台阶7个开挖面，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开，平行推进［6］。它一般包括超前支护、开挖、初期支护、监控量测、仰拱施工等工序［7-8］。

图2 三台阶七步开挖法透视图(单位:cm)

2.3 建立有限元模型

根据工程勘察报告，结合《铁路隧道设计规范》和《隧道工程岩体分级》［9-11］，计算采用地层和初期支护的物理参数如表1所示。

表1 材料物理力学参数

隧道净高12.3 m，最大跨度处宽14.46 m，根据圣维南原理及实际需要［12］，隧道模型拱顶距地面49.77 m，拱底距模型底部34.92 m，隧道纵向取1 m。整个模型计算范围为80 m×97 m×1 m(x×z×y)，围岩采用M-C模型模拟。计算模型网格划分如图3所示。

图3 隧道网格划分

3 计算结果分析

3.1 软弱岩层分布于隧道上方

如图4所示，地层二为稳定性较差的泥岩，泥岩分层沿小里程反向逐渐降低，其厚度为c，位于隧道上方b处。分析隧道纵向不同断面泥岩层厚c及其位置(距隧道拱顶b)对围岩变形及初期支护内力的影响。

图4 计算截面地层分布示意

3.1.1 围岩位移分析

典型断面关键部位的位移计算结果如图5、图6所示。分析可知:当b＜2 m时，地层二对洞周围岩位移影响显著，并且有随该软弱岩层厚度的增加而变大的趋势;当b＞2 m时，拱顶竖向位移为7 mm左右，最大水平洞径处位移为2 mm左右，地层二的位置和厚度对洞周围岩位移影响基本一致且很小。

图5 隧道拱顶竖向位移随c变化柱状图

图6 隧道最大水平洞径处收敛位移随c变化柱状图

3.1.2 围岩塑性区分析

围岩塑性区的大小随隧道上方软弱围岩距隧道拱顶的距离b及其厚度c的关系变化如表2所示。

表2 围岩塑性区的大小随b、c值大小的变化

分析以上不同b、c值条件下的塑性区，可以看出:施工时，隧道拱顶上方软弱岩层均发生塑性应变;洞周其他围岩正处于塑性流动状态的区域并不随b、c值的增大而增大，并且该区域主要分布在右侧拱腰、拱墙及左侧拱脚部位，横向影响范围在0.5D(D为洞径)左右。

3.1.3 初期支护内力分析

软弱岩层分布于隧道上方，不同研究断面软弱地层的厚度c及其到隧道拱顶的距离b所计算出来的隧道关键部位初期支护喷混凝土最大、最小主应力分别如表3和表4所示。表中以拉应力为正，压应力为负。

表3 关键部位初期支护喷混凝土最大主应力MPa

表4 关键部位初期支护喷混凝土最小主应力表 MPa

由表3和表4可以看出:

(1)当b＜2 m时，地层二对隧道拱脚及以上部位初期支护内力影响较大，其中最大主应力发生在右拱腰部位，达到3.709 MPa。拱顶初期支护均受到压应力，最大压应力为1.172 MPa;

(2)当b＞2 m时，拱顶、拱腰、侧墙和拱脚部位初期支护的内力并没有随地层二的厚度变化产生显著的变化。拱顶初期支护同时受到拉、压应力，而拱脚范围均承受压应力;左拱腰和左侧墙部位的初期支护同时承受拉应力和压应力，最大值均小于0.45 MPa;右拱腰和右侧墙部位承受拉应力为主，其中右侧墙部位产生的拉应力均未超过0.5 MPa，右拱腰部位拉应力对应不同b和c组合值在1～3.709 MPa之间变化;

(3)当c一定时，拱顶最大主应力随b值的增大由负值(-0.036 MPa)逐渐过渡到正值(0.048 MPa)，并且数值的绝对值有由大变小再逐渐变大的趋势，其他关键部位应力没有太大改变。

3.1.4 小结

(1)当b＜2 m时，隧道拱顶及最大水平洞径处的位移、围岩塑性区及初期支护应力均随隧道上方软弱围岩厚度的增加而变大;

(2)当b＞2 m时，隧道上方软弱围岩厚度及所在位置对隧道初期支护内力变化整体影响较小。

3.2 隧道断面穿越软硬交互地层

如图7所示，地层二为稳定性较差的泥岩，泥岩分层沿小里程反向逐渐降低，其厚度为c，沿隧道最大水平洞径线上下对称分布，其余地层为玄武岩。分析隧道纵向不同断面泥岩层厚c对围岩变形及隧道初期支护内力的影响。

图7 计算截面地层分布示意

3.2.1 围岩位移分析

典型断面关键部位的位移计算结果如图8和图9所示。由位移柱状图可知:当c＜10 m时，拱顶竖向位移及隧道最大水平洞径处的收敛位移随隧道所穿越软弱岩层厚度的增加而波动增大，其中当隧道所穿越软弱围岩的面积占隧道断面积的比例v=1/5(c=2 m)时，拱顶竖向位移为6 mm左右，当v=2/5(c=4 m)时，拱顶竖向位移为10 mm左右;当隧道断面完全穿越软弱地层(c＞10 m)时，隧道拱顶竖向位移将超过20 mm，最大水平洞径处的收敛位移超过18 mm。

图8 隧道拱顶竖向位移随c变化柱状图

图9 隧道最大水平洞径处收敛位移随c变化柱状图

3.2.2 围岩塑性区分析

围岩塑性区的大小随地层二厚度变化如图10所示。

图10 围岩塑性区的大小随c值大小的变化

分析以上不同c值条件下的塑性区，可以看出:正处于塑性流动状态的区域随隧道所穿越软弱围岩的面积占隧道断面积的比例v的增大而增大，当v＜1(c＜10 m)时，塑性区主要分布在侧墙部位，沿隧道径向往外延伸;当v＞1(c＞14 m)时，隧道周边围岩塑性区开始贯通，并且贯通区域随c的增大而增大，塑性区沿隧道径向水平方向影响较大，竖向较小。

3.2.3 初期支护内力分析

隧道断面穿越软弱地层时，不同软弱地层厚度c所计算出来的隧道关键部位初期支护喷混凝土最大、最小主应力分别如11和图12所示。图中以拉应力为正，压应力为负。

由图11和图12可以看出:

(1)隧道关键部位初期支护最大主应力在c≤8 m时变化幅度最大，右拱腰部位应力最大值达1.45 MPa左右，右拱脚部位应力在-0.3～0.5 MPa范围波动;其中当c=6 m时，各关键部位最大主应力最小，且都介于-0.1～0.1 MPa之间;当c＞8 m时，各关键部位最大主应力变化趋于稳定、平缓;