高速铁路隧道洞口浅埋偏压段开挖方法优选

2014-07-30朱小鹏

铁道建筑 2014年7期

朱小鹏

(中铁二十五局集团有限公司第二工程公司，湖南衡阳 421000)

隧道洞口浅埋偏压段开挖、支护过程中围岩松弛和坡体形变是一个动态变化的过程，影响因素多且作用机理非常复杂。采用纯理论方法或模型试验方法对该过程进行定性和定量描述非常困难，而数值模拟分析方法可以动态模拟隧道洞口浅埋偏压段周边围岩和坡体在不同开挖方法下的变形并进行分析，进而对比优选出最优施工开挖和支护方案。

依托工程观音山隧道所处围岩等级多以Ⅳ、Ⅴ级为主，岩层较破碎，风化较为严重，岩性较差，承载自稳性能较低。隧道洞口浅埋偏压段经风险评估后均划分为高度风险等级。为此，本文采用数值分析方法分析不同开挖和支护方案下隧道围岩变形、应力、塑性区的变化规律，在此基础上进行技术经济比较，进而确定较优施工开挖和支护方案，以期有效指导工程实践。

同时，为了解围岩稳定状态和支护、衬砌可靠程度，确保施工安全及结构的长期稳定性，并验证支护结构效果，确定支护参数，通过现场监控量测资料准确获得围岩和坡体变形状态，并将其与数值计算结果对比分析。

1 工程概况

观音山隧道全长1165 m，主要通过丘陵区，局部为丘间谷地，地形起伏较大，隧道最大埋深约70 m。依据沿线构造地质特征综合测绘、物探、钻探结果，观音山隧道洞口浅埋偏压段围岩级别及工程地质特征为:隧道进口段自然坡度5°～15°，局部超过30°，地势平缓，坡体较稳定;Ⅴ级围岩，表层为第四系残坡积角砾土，稍密～中密，厚6～8 m;下伏石炭系下统大唐阶灰岩，青灰色，弱风化，隐晶质结构，中厚层状构造，间夹炭质灰岩，节理裂隙发育，岩溶发育。

依据原铁道部文件《关于铁路高风险隧道安全管理工作的实施意见》(工管质[2011]36号)、《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》(铁建设[2007]200号)的要求，对观音山隧道洞口浅埋偏压段开展了风险评估。观音山隧道洞口浅埋偏压段地质条件复杂，岩层较破碎，风化较为严重，岩性较差，承载自稳性能较低。此外，部分隧道深埋较大的断层带和可溶岩与非可溶岩的接触带构造裂隙发育，为较好的储水构造，地下水量较丰富，遇暴雨等强不利天气因素可能导致灾害发生。该隧道埋深较浅坍塌冒顶风险等级为高度，易产生塌方事故。因而分析不同支护设计和施工方案的安全性显得尤为重要。

2 模型的建立及参数选取

2.1 数值模型的建立

从施工造价及施工速度考虑，施工方法的选择顺序为:全断面法→台阶法→环形开挖预留核心土法→中隔壁法(CD法)→交叉中壁法(CRD法)→双侧壁导坑法。从施工安全角度考虑，其选择顺序应反过来。如何正确选择，应根据实际情况综合考虑，但必须符合安全、快速、质量和环保的要求，达到规避风险、加快进度和节约投资的目的。浅埋、偏压段隧道地质条件差，安全因素在选择施工方法中起主导作用。以下就工程实际中常用的二台阶法、三台阶法、三台阶预留核心土法、CD法进行对比分析。

数值计算采用大型通用有限元计算软件ABAQUS，模型范围取水平方向120 m，垂直方向至隧道以下50 m。地表坡度与实际坡度相同，地应力场为自重应力场。边界条件为:左右边界水平约束、下边界垂直约束、地表为自由面。围岩视为摩尔—库伦理想弹塑性材料。初期支护视为理想弹性材料。数值计算过程中各部分围岩压力在开挖过程时释放40%，支护后释放剩下的60%。

2.2 参数的选取

岩土体物理力学参数选取参照现场、室内试验，并结合《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2005)中对各类隧道围岩的建议综合选取。岩土体、衬砌物理力学参数取值如表1所示。

表1 围岩及初期支护的物理力学参数

3 数值模拟结果与分析

模拟计算结果中，应力结果正值表示拉应力，负值表示压应力;竖向位移垂直向上为正，垂直向下为负;水平位移向右为正，向左为负。

3.1 初始应力场分析

岩体初始地应力场与开挖后的应力重分布和应力集中效应有着密切的联系，同时也对施工开挖后岩体变形破坏有着较为重要的影响。因此，研究坡体初始地应力场，对于分析隧道开挖围岩—边坡体系应力场和变形破坏具有重要意义。坡体初始地应力场分布如图1所示。最大主应力和最小主应力均表现出受重力场影响的特征，其量值总体上随深度的增加而逐渐增大。主应力分布比较均匀，表现为压应力，未出现拉应力，坡体处于稳定状态。

图1 天然状态下主应力分布云图(单位:Pa)

3.2 开挖后应力、变形特征分析

3.2.1 围岩应力分布特征分析

隧道开挖完成之后隧道围岩应力呈明显的偏压状态，隧道左侧围岩最大、最小主应力明显高于右侧围岩，这是受开挖卸荷不均及地形偏压的影响造成的。应力变化较大的区域主要集中在拱顶、拱底、边墙区域，拱顶和拱底区域主要表现为应力松弛。采用CD法施工拱顶和拱底区域应力变化相对最小，三台阶预留核心土法次之(图2)，二台阶法最差。

图2 三台阶预留核心土法主应力云图(单位:Pa)

为了进一步分析浅埋偏压隧道围岩应力随施工开挖的变化过程，对隧道拱顶、左右侧拱腰等关键部位围岩应力进行追踪，结果见图3。可知，两侧拱腰围岩应力特征主要表现为:左侧拱腰围岩应力受开挖的影响较大，而右侧拱腰受开挖影响较小。左侧拱腰围岩应力变化主要集中在各施工方法的第一部分开挖结束之前的几个施工阶段。开挖后，两侧拱腰最大主应力量值增大，最小主应力量值减小。拱顶围岩应力表现为主应力量值随开挖减小，由于支护及时起作用，拱顶均未出现拉应力。对比分析可以看出:采用CD法施工拱顶和两侧拱腰应力变化相对最小，三台阶预留核心土法次之，二台阶法最差。

图3 不同开挖方法关键部位主应力变化特征

3.2.2 位移场特征分析

1)拱顶位移特征分析

图4 拱顶位移变化曲线

图4为不同开挖方法下隧道拱顶随开挖进程的位移特征曲线。由图4(a)可知，受浅埋偏压隧道—边坡特殊体系的影响，隧道开挖后自稳能力较差，开挖后拱顶变形较大。由图4(b)可知，采用不同施工方法，对隧道拱顶的沉降控制有很大影响。采用二台阶法隧道拱顶沉降最大，位移达15.1 cm;三台阶法次之，位移为12.7 cm;三台阶预留核心土法与CD法拱顶沉降最大值相近，约8.6 cm，仅为二台阶法的57%。由图4(c)可知，受浅埋偏压隧道—边坡特殊体系的影响，隧道拱顶出现较大水平位移，各施工方法结束后水平位移约占总位移的25%。对比分析可见，三台阶预留核心土法与CD法对于控制隧道拱顶沉降优于其余两种方法。

2)围岩位移分布特征

图5 三台阶预留核心土法位移分布云图(单位:m)

计算得到各施工方法结束后的竖向位移和水平位移分布云图，其中三台阶预留核心土法位移分布云图如图5所示。由图可以看出浅埋偏压隧道围岩变形受地形偏压影响明显，开挖后围岩竖向位移和水平位移量值均较大。围岩竖向位移主要集中在拱顶以上和仰拱以下的竖直区域，受隧道开挖卸荷回弹的影响，以隧道拱脚为分界线，向上为沉降变形区域，向下为隆起回弹区域。受偏压初始地应力场的影响，沉降变形区域偏向深埋侧，而回弹隆起区域偏向浅埋侧。水平位移受偏压初始地应力场的影响较大，变形主要集中在隧道拱顶以上区域和右侧拱腰区域。隧道开挖后，边坡稳定性变差，隧道拱顶以上区域和右侧拱腰区域均产生向右的位移。

3)边坡位移分布特征

四种施工方法引起的地表沉降曲线对比如图6所示。可知:二台阶法、三台阶法、三台阶预留核心土法、CD法施工引起的地表沉降最大值分别为11.7，10.0，6.9，5.4 cm。从地表沉降来看，采用二台阶法和三台阶法地表沉降太大，无法满足要求，采用三台阶预留核心土法和CD法能有效减小地表沉降。

图6 四种施工方案的地表沉降曲线

3.2.3 塑性区特征分析

计算结果表明，二台阶法塑性区主要分布在浅埋侧拱腰和深埋侧拱肩上方。隧道围岩塑性区分布特征与围岩变形方式相关，浅埋侧围岩由于自稳能力较差，开挖后发生卸荷松弛变形导致围岩受拉破坏，而深埋侧拱肩处存在回填土与基岩的交界面，随着隧道的开挖，上方较弱岩土沿交界面向下剪出变形，因而深埋侧拱肩上方围岩表现为剪切破坏。三台阶法、三台阶预留核心土法和CD法完成隧道开挖后的围岩塑性区主要位于浅埋侧，而由于开挖方法合理，支护施加及时，三台阶预留核心土法和CD法施工结束后塑性区范围最小。

3.2.4 开挖方法选取

数值分析方法动态模拟结果表明，三台阶预留核心土法和CD法均能够较好地保证隧道洞口偏压浅埋段的施工稳定性，但三台阶预留核心土法施工方法相对更为简便快速，施工造价相对较低，因而经济可行的较优施工开挖方法为三台阶预留核心土法。

4 浅埋偏压段隧道施工现场监测方案

在隧道施工过程中，监控量测可为调整支护参数和施工方法提供依据。监控量测的主要目的在于了解围岩稳定状态和支护、衬砌可靠程度，确保施工安全及结构的长期稳定性，并验证支护结构效果，确定支护参数。隧道监控量测应按照《铁路隧道监控量测技术规程》(TB 10121—2007)执行，本工程隧道洞口浅埋偏压段主要对地质和支护状况观察、周边位移、拱顶下沉、洞口浅埋段地表下沉4个必测项目开展监控量测。洞口浅埋段地表下沉测点布置如图7所示。

图7 地表下沉测点布置示意

监测数据应历经以下基本过程:测点埋设→数据采集→数据收集→数据分析→信息反馈。

监控量测信息反馈是根据监控量测数据分析结果对工程安全性进行评价，并提出相应工程对策与建议。数据反馈流程如图8所示。

图8 量测数据反馈管理程序框图

5 隧道现场测试与数值模拟对比分析

为验证观音山隧道洞口浅埋偏压段开挖方法的有效性，将浅埋偏压段隧道现场监控量测结果与数值模拟结果进行了对比分析。

5.1 拱顶下沉对比分析

隧道洞口浅埋偏压段开挖和支护施工全过程典型断面拱顶下沉累计值现场量测与数值计算结果对比如图9所示。

图9 典型断面拱顶下沉数值计算与现场量测结果对比

由图9可知:由于观音山隧道洞口浅埋偏压段地质条件较差，自稳能力差，遇水更加容易产生坍塌和沉降过大现象，在该段围岩开挖和支护施工全过程典型断面拱顶下沉累计值为114.35 mm。最大沉降速率32.24 mm/d，出现在核心土开挖、掌子面推进过程中。其原因在于该段雨水下渗使围岩软化，支护基础下切，支护结构整体下沉。同时，数值计算和现场量测结果较为接近，随着开挖施工结束，支护措施协调受力，沉降速率相对于前期明显减小，后期拱顶沉降逐步趋于稳定。

5.2 地表下沉对比分析

隧道洞口浅埋偏压段开挖和支护施工全过程典型断面地表下沉累计值如图10所示。现场量测与数值计算结果对比如图11所示。

图10 开挖和支护施工全过程典型断面地表沉降量测结果

由图10、图11可知:隧道洞口浅埋偏压段围岩开挖和支护施工全过程典型断面坡体中点地表沉降总累计值为90.65 mm，略小于隧道拱顶沉降值。最大沉降速率39.91 mm/d，出现在核心土开挖、掌子面推进过程中。其原因在于该段雨水下渗使围岩软化，支护基础出现下切沉降，支护结构整体下沉进而导致坡体变形。同时，数值计算和现场量测结果较为接近，随着开挖施工结束，支护措施协调受力，沉降速率相对于前期明显减小，后期地表沉降逐步趋于稳定状态。