千枚岩软岩隧道施工工法优化分析

2013-02-02陆传波

铁道建筑 2013年6期

关键词：土法工法拱顶

陆传波

(中铁十七局集团第六工程有限公司，福建福州 350014)

千枚岩软岩隧道施工工法优化分析

陆传波

(中铁十七局集团第六工程有限公司，福建福州 350014)

以西部某千枚岩软岩隧道为工程背景，采用三维有限元数值模拟研究施工工法对隧道围岩稳定性的影响，针对不同施工工法的围岩应力、洞周位移、初期支护受力状况进行对比，进而提出了合理的施工工法。研究结果表明：CD法施工较上下台阶预留核心土和上下台阶法对围岩的稳定更为有利，但其初衬和临时竖撑的连接质量是施工能否顺利进行的关键，应予以重点关注;上下台阶法和上下台阶预留核心土法差别不大。建议围岩施工以上下台阶法为主，当遇到特殊地质情况需要加强衬砌，此时建议采用CD法或预留核心土法施工。

隧道工程有限元数值模拟软岩隧道施工工法优化分析

随着我国基础设施建设的持续发展，隧道工程的规模、数量及其复杂性均显著增加。在我国西部山区，以千枚岩地层为代表的典型软岩隧道大量修建，由于该类岩体具有强度低、变形大、遇水易软化的工程特性，在隧道修建的过程中易出现大变形、塌方等灾害。因此在隧道设计施工时应有意识地选择利于围岩稳定的施工工法，以保障施工期间的安全。

自20世纪初首例严重的交通隧道软弱围岩大变形发生以来，国内外隧道工程软弱围岩发生大变形灾害的事例屡见不鲜。不少学者及工程研究人员［1-5］针对施工工法进行了研究，取得了一定的研究成果。但总体而言，截至目前国内外对软岩条件下的隧道施工工法仍然存在争议，特别是针对穿越富水、软岩等特殊复杂水文地质、工程地质条件下的隧道开挖过程中的施工工法。

本文采用三维有限元数值模拟手段对施工工法影响隧道围岩的稳定性进行了分析，针对不同施工工法的围岩应力、洞周位移、初期支护受力状况进行了对比分析，进而提出了合理的施工工法，以供工程设计和施工参考。

1 有限元模型及数值模拟过程

1.1 工程概况

我国西部某隧道全长约1 835m，隧道最大埋深约276 m，属越岭型长隧道。隧道进口桩号为K4+610，设计高程为2 947.99 m;出口桩号为K6+445，设计高程为2 919.61 m。隧道洞身贯穿大湾山，隧道线型呈直线型，走向259°。设计为单洞双向行驶车道，建筑限界按40 km/h三级公路标准设计，内轮廓净宽10.0 m，净高7.5 m。

据现场详细调查及工程地质勘察成果，拟建隧道主要围岩为三叠系上统西康群侏倭组、新都桥组千枚岩、炭质板岩、砂质板岩、变质砂岩互层及断层破碎带，洞口地貌如图1所示。地下水发育，地表多处地下水出露，尤其是断层破碎带，地下水富集程度可能更高，进一步降低了围岩稳定性。

图1 隧道洞门地貌

总体而言，隧道地质条件复杂，围岩级别较差。初步的围岩分级统计结果显示，该隧道围岩级别主要为Ⅳ，Ⅴ级。其中Ⅴ级围岩段占隧道全长47.7%，主要是进出口段以及洞身段的弱风化千枚岩夹砂质板岩、变质砂岩;而Ⅳ级围岩主要是出口侧洞段的弱风化炭质板岩及断层破碎带，且岩体由于受构造作用影响，次级层间破碎带极发育，属弱Ⅳ级围岩。

鉴于千枚岩岩体具有强度低且遇水就软化分解的性能，而施工工艺，尤其是施工工法的确定，对于防治隧道产生大变形、塌方等灾害，保障施工期的安全起到至关重要的作用。因此，有必要采用有限元数值方法，对典型V级围岩段的施工动态过程进行三维有限元数值模拟分析，对设计中采用的施工方法以及需要进一步论证的施工工法进行必要的对比分析，从而提出合理的施工方法以及施工中应重点关注的环节等问题，以供工程设计人员和施工人员参考。

1.2 原设计方案

原设计隧道暗挖段采用锚喷构筑法及复合式衬砌结构进行施工，紧急停车带衬砌段采用CD法开挖，拱部设超前砂浆锚杆辅助施工。复合式衬砌段采用短台阶法施工，拱部设超前砂浆锚杆辅助施工。断层破碎带和地质预报及施工监测反馈出的围岩破碎及地下水发育段，采用全断面深孔预注浆加固止水。二次衬砌从仰拱开始顺筑法施工，具体施工工法见图2。

1.3 有限元模型及材料参数

图2 原设计施工工法

依据以往的隧道力学经验，为消除“边界效应”［6-8］的影响，建模时宽度方向(即x方向)由隧道中线位置向两侧各延伸50 m，高度方向(即y方向)取拱顶以下50 m，拱顶以上取实际埋深。

在三维建模的过程中，考虑到隧道的特点，隧道围岩材料特性按均质弹塑性考虑，采用Druck-Prager屈服准则［9］。在三维数值计算模型中，喷射混凝土采用SHELL 63单元模拟，锚杆采用LINK 8单元模拟，钢架采用BEAM 3单元模拟，二衬及岩土体采用SOLID 45单元模拟。其中，在三维空间模拟隧道开挖时，根据有限元程序提供的“生”与“死”及材料参数变换功能进行处理。通过分次杀死单元和分次激活单元和变换不同位置的材料参数来模拟隧道的超前加固、分步开挖以及初期支护、二衬的施作过程。

为了确保施工安全，保证施工进度，进一步验证原设计方案的合理性，在综合考虑原设计采用施工工法的基础上，以K4+845作为计算断面，采用上下台阶法、上下台阶预留核心土法和三台阶法对围岩进行数值模拟对比分析计算，如图3所示。依据施工图设计阶段工程地质勘查报告中地层参数确定材料的相关参数，如表1所示。

图3 围岩数值计算工法

表1 材料参数选取

1.4 数值模拟实现过程

在三维计算模型中设定纵向的中间面为研究面，即目标面。根据开挖对隧道结构影响大小的施工经验、计算经验和实际开挖步长，将模型分为8段开挖，第1，8段长12 m，如图4所示。

2 围岩数值模拟结果及分析

2.1 围岩应力

图4 开挖步骤的模拟(单位：m)

围岩应力的大小对围岩的稳定性起到至关重要的作用，限于篇幅，此处仅列举了不同施工工法的最大主应力和最小主应力，由此可知：

1)应力分布形态相似。拉应力集中区位于拱顶和仰拱底附近，压应力集中区位于边墙至墙脚附近，剪应力集中区位于拱腰以及拱底靠近墙脚附近。

2)三种工法的围岩应力量值不同。上下台阶法施工时围岩最大拉应力为0.60 MPa，最大压应力为9.88 MPa;上下台阶预留核心土法施工时，最大拉应力为0.41 MPa，最大压应力为9.47 MPa;CD法施工时，最大拉应力为0.20 MPa，最大压应力为8.33 MPa左右。

3)CD法围岩最大拉应力最小，上下台阶预留核心土法最大拉应力其次，上下台阶法的最大拉应力最大，三者的比值为1∶2∶3;CD法围岩的最大压应力最小，上下台阶预留核心土法的最大压应力其次，上下台阶法最大应力最大，三者的比值为1∶1.14∶1.19。

因此从应力分布来看，采用CD法施工较上下台阶预留核心土法和上下台阶法对围岩的稳定更为有利。

2.2 洞周位移

1)上下台阶法施工对拱顶下沉产生主要影响的施工步为上台阶的施工(即2，3步)，下台阶施工对拱顶下沉影响不大，拱顶沉降最终值为12.6 mm。上下台阶预留核心土法施工时，对拱顶下沉产生主要影响的施工步也为上台阶的施工(即2，3步)，下台阶施工对拱顶下沉影响不大，拱顶沉降最终值为12.1 mm。

CD法施工时，对拱顶沉降产生主要影响的施工步为两侧导坑的上台阶施工(即1，3步)，而右侧导坑上台阶施工(即3步)对拱顶下沉影响最大，位移从4 mm左右增加到11.88 mm，该施工步产生的沉降占到了总位移量的67%。

2)就水平位移而言，上下台阶法，上下台阶预留核心土法和CD法的水平收敛值分别为11.8 mm，8.8 mm，7.9 mm，三者的比值为 1∶0.75∶0.67。

究其原因在于，相对上下台阶法，上下台阶预留核心土法使工作面前方土体处于三向应力状态，可有效降低工作面土体的松弛范围，抑制隧道掌子面的纵向变形，从而显著改善隧道工作面的稳定性。同时留设核心土能显著地减小地层的水平位移，也有抑制工作面前方地层的垂直位移的作用。而CD法由于采取了临时支撑措施，对拱顶产生了一定的支撑作用，限制了拱顶围岩的沉降。且CD法最大沉降发生在拱顶偏右位置处，而其他两种工法的最大沉降均位于拱顶正中。另外由于CD法每次的开挖跨度较小，左右侧导洞施工时，能及时施加边墙初衬，对水平收敛也起到一定的控制作用。

因此从围岩位移来看，采用CD法施工较上下台阶预留核心土法和上下台阶法对围岩的稳定更为有利。

2.3 初期支护受力

上下台阶法施工过程中，上台阶施工后初期支护最大轴力为3 480 kN，最大弯矩为20 kN·m;而下台阶施工后，初期支护最大轴力变化不大，而弯矩增加较大，最大弯矩为79 kN·m，见图5。

图5 上下台阶法初支最终内力

上下台阶预留核心土法施工过程中，上台阶施工后初期支护最大轴力为3 420 kN，最大弯矩为16.4 kN·m;上台阶核心土开挖后，初期支护最大轴力为3 420 kN，最大弯矩为17.2 kN·m;下台阶施工后，初期支护最大轴力变化不大，为3 350 kN，而弯矩增加较大，最大弯矩为65.6 kN·m。

CD法施工过程中，初期支护内力变化较大。整个施工过程中，初衬的最大轴力出现在施工完成后，为4 380 kN，而初衬的弯矩最大值出现在右侧导坑下台阶施工后，为465 kN·m，施工完成后降为229 kN·m。临时竖撑受力在右侧导坑上台阶施工后最为不利，最大轴力达到了4 710 kN，并在与初衬的连接位置出现了692 kN的拉力，此时，临时竖撑的弯矩为455 kN·m。从初衬最终受力的分布情况看，其在与临时竖撑连接的位置受力最不利，弯矩值是其他位置的4倍左右。因此，对CD法而言，施工过程中连接位置出现了较大的拉力，初衬和临时竖撑的连接质量是施工能否顺利进行的关键，应予以重点关注。

2.4 围岩施工工法的选择

由以上计算结果的比较分析可知，CD法施工较上下台阶法和上下台阶预留核心土法对围岩稳定性更为有利。采用分块开挖加临时竖撑的方式能更好地控制围岩变形，减少围岩应力集中，抑制围岩恶化。但从初期支护受力上看，CD法初衬受力较上下台阶法和上下台阶预留核心土法大很多，同时对施工质量的要求也较高，工序繁琐，施工进度慢。虽然台阶法施工的洞周位移比CD法大，但也在可接受的范围之内，是可以保证施工安全的。另外，就上下台阶法和上下台阶预留核心土法而言，两种工法对围岩的应力、围岩的位移，以及初期支护的受力均差别不大。

因此，围岩施工工法建议以上下台阶法为主，当遇到特殊地质情况需要加强衬砌，如埋深较浅段，或遇见设计断面扩大段，如紧急停车带等，此时建议采用CD法或预留核心土法施工。