哈大客运专线笔架山隧道交叉中隔壁法施工方案改进分析
2013-09-05罗承平张丛峰赵敏聪
罗承平，宋 林，2，张丛峰，赵敏聪
(1．中铁一局集团有限公司，陕西 西安 710054;2．西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055;3．中国中铁航空港建设集团有限公司，北京 100093)
哈大客运专线笔架山隧道交叉中隔壁法施工方案改进分析
罗承平1，宋 林1，2，张丛峰1，赵敏聪3
(1．中铁一局集团有限公司，陕西 西安 710054;2．西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055;3．中国中铁航空港建设集团有限公司，北京 100093)
哈大客运专线笔架山浅埋大断面隧道原定采用交叉中隔壁法(CRD法)施工，进度较慢，影响工期，为此提出改进措施，将中隔壁改为竖撑，临时仰拱改为水平支撑，不喷射混凝土。对改进施工方案动态施工过程进行了有限元分析，考虑围岩与结构的相互作用和围岩的弹塑性，分析了围岩和支护结构的变形和力学性能随施工开挖过程的变化规律，并对围岩、初支和二衬的状态进行预测，进而指导施工。分析结果表明：笔架山隧道采用改进的CRD法施工方案安全合理，施工过程中围岩基本稳定，支护结构安全。
隧道支护 改进CRD法 围岩—结构相互作用 数值仿真
1 工程概况
哈大客运专线笔架山隧道全长345 m(DK67+255—DK67+600)，开挖断面面积达209 m2，最大埋深为31 m，穿越岩层为石英砂岩、泥页岩，其中Ⅲ级围岩159 m，Ⅳ级围岩186 m，隧道按Ⅳ级围岩防护。
隧道开挖原方案采用交叉中隔壁法(CRD)施工，如图1(a)所示，采用该方案施工进度较慢，主要原因是该隧道属于山岭隧道，开挖需要爆破作业，使得整个施工环节属于单工序作业，由此造成大量的人员、机械、设备处于闲置状态，平均每月最多进尺30 m，严重影响施工进度。因此，对原方案进行了优化，提出了改进的CRD施工方案，如图1(b)所示，具体改进措施为:
1)中隔壁改为竖撑，初支工字钢型号不变，取消喷射混凝土施工环节。
2)临时仰拱改为水平支撑，不喷射混凝土，支撑钢材由原设计的I20a改为I25a，并作好纵向连接。
施工工序如图2所示。
图1 隧道施工方案(单位:mm)
2 改进CRD法有限元分析
2.1 有限元模型
隧道开挖后对围岩应力和应变的影响范围一般在距隧道中心3～5倍开挖宽度内。有限元模型范围:横向宽度为102 m，高度为80 m，数值模拟时隧道最大埋深取31 m。
图2 隧道开挖工序
数值仿真计算时，围岩用平面Plane42单元模拟，围岩采用弹塑性本构关系和Drucker-Prager(D-P模型);锚杆采用Link1单元模拟;初期支护混凝土和二衬混凝土均采用Plane42单元模拟;格栅钢构架采用Beam3梁单元模拟。边界条件:模型两侧边界施加水平方向(x方向)约束，模型底边界施加竖直方向(y方向)约束。
2.2 材料参数
围岩按Ⅳ级围岩参数选取，支护设计参数依据设计文件选取，依据《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2001)，围岩及支护结构参数见表1。
表1 围岩及支护结构参数
2.3 时空效应
围岩开挖后，岩体应力重新分布，为体现围岩变形的时空效应，将围岩地应力按照施工过程分为几步逐步释放。一般围岩较好时，初期支护后应力释放比例可大些，而二次衬砌后应力释放比例可小些。根据本工程实际的围岩情况，数值计算时，毛洞开挖释放应力:初期支护后释放应力:二次衬砌后释放应力取为0.50∶0.25∶0.25。
3 计算结果分析
3.1 初始应力场模拟
笔架山隧道为浅埋隧道，开挖前的应力场仅考虑重力荷载。在y方向施加重力，仅产生竖向的变形和压应力，经计算地层最大竖向压应力为1.7 MPa，变形整体趋势向下，最大位移为22.5 mm。
3.2 围岩和初支混凝土应力分析
计算结果表明，最大拉应力随着开挖步的进行分别位于右拱墙(0.11 MPa)→拱顶(0.57 MPa)→拱顶(0.53 MPa)→拱底(1.21 MPa)。最大压应力随着开挖步的进行分别出现在右拱墙(－3.94 MPa)→右拱墙(－6.77 MPa)→左拱墙(－5.02 MPa)→拱底(－3.55 MPa)。应力以拉为正值，压为负值。开挖过程中，隧道围岩的最大拉应力主要出现在拱顶和拱底位置，最大压应力主要出现在拱墙位置。压应力最大值出现在第2步，拉应力最大值出现在第4步开挖过程中。右拱腰一直处于较大的压应力区。
3.3 初支钢拱架和锚杆内力、变形分析
1)应力分析
上部开挖面(开挖面1和3)的锚杆均处于受拉状态，锚杆最大拉应力出现在拱墙处，约8 kN。其次拱顶锚杆的拉应力区较大，值也较大。而下部开挖面处的锚杆大多处于受压状态。
中部钢拱架的轴力最大，约360 kN;最大正弯矩在中部钢拱架的下半部，最大值约21.68 kN·m;最大负弯矩在中部钢拱架底端，最小值约 －42.36 kN·m;最大剪力在中部钢拱架底端，最大值约147 kN。
初支在开挖过程中均处在安全工作状态。下部开挖面的锚杆主要受压，性能没有得到很好的发挥。中部钢拱架内力较大，开挖过程中应预防中部钢拱架失稳，尤其是下半段钢拱架。
2)变形分析
初支钢拱架变形见表2，可见:初支最大变形发生在第4步底部钢拱架处，变形约8.10 mm。随着开挖步进行，初支变形最大位置分别位于右拱腰→拱顶→右拱脚→拱底。
表2 初支钢拱架变形
3.4 二衬应力和变形分析
二衬大部分处于受压状态，局部出现拉应力，最大拉应力出现在拱底，约为1.5 MPa。最大压应力出现在拱脚，为 －2.4 MPa。最大变形在拱顶，为1.3 mm。
4 结论
本文对哈大客运专线笔架山隧道考虑围岩—结构的相互作用和围岩的弹塑性建立有限元模型，对改进CRD开挖方案进行了动态数值仿真模拟，结论如下:
1)开挖过程中，隧道围岩的最大拉应力主要出现在拱顶和拱底，最大压应力主要出现在拱墙。压应力最大值出现在第2步开挖过程中，拉应力最大值出现在第4步开挖过程中。右拱腰一直处于较大的压应力区。
2)初支在开挖过程中受力和变形均处在安全工作状态。下部开挖面的锚杆主要受压，性能没有得到很好的发挥。中部钢拱架内力较大，开挖过程中应预防中部钢拱架的失稳，尤其是下半段钢拱架。
3)二衬局部出现拉应力，最大拉应力出现在拱底，最大压应力出现在拱脚，但均不大，可以作为隧道力学性能的安全储备。
4)改进的CRD方案安全合理，施工开挖过程中围岩稳定，支护处于安全工作状态。
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U455．41+1
A
10．3969/j．issn．1003-1995．2013．09．16
1003-1995(2013)09-0052-03
2013-05-21;
2013-07-06
铁道部科技研究开发计划项目(2012G002-2)
罗承平(1963— )，男，湖南安乡人，高级工程师。
(责任审编 李付军)
