复杂地质条件下特大断面隧道施工工法及其循环进尺参数的优化研究

李 波，吴 立，左清军，陈 剑，袁 青

（1.中国地质大学工程学院，湖北 武汉430074；2.中国地质大学岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，湖北 武汉430074；3.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌443002）

高速铁路特大断面隧道建设常常经过复杂地质地段，导致隧道修建过程中易出现围岩坍塌、变形过大、突水和掌子面失稳等地质灾害。目前国内对于特大断面双线高速铁路隧道开挖施工是一个全新的课题，国外也很少有类似的经验可供参考［1—2］。因此，对高速铁路特大断面隧道在穿越复杂地质条件下的施工工法及其循环进尺参数进行有针对性的研究就显得十分必要。

复杂地质条件主要包括断层破碎带、岩溶、富含地下水的坡积体、软质岩土体和复杂地质构造等。本文以沪昆铁路客运专线长沙至昆明段崔家冲隧道为研究对象，在隧道穿越复杂地质段发生较大塌方的情况下，为了寻找在此复杂地质地段隧道开挖的合理施工工法，通过建立隧道施工有限元力学模型，对特大断面隧道在不同施工工法、不同循环进尺下的力学形态进行了数值模拟，并通过对隧道围岩变形、应力场变化以及初期支护结构受力进行分析比较，确定了该特大断面高速铁路隧道在复杂地质条件下的施工工法及其循环进尺的最优方案。

1 工程概况

1.1 隧道概况

崔家冲隧道是沪昆铁路客运专线长沙至昆明段的重点工程之一，设计行车速度为350km/h，为双线铁路隧道，隧道起讫里程为：DK403＋207～DK407＋637，全长为4 430m，最大埋深为181.944 m。

崔家冲隧道通过地层主要为第四系全新统坡洪积层（Qdl＋pl4）、板溪群一段（Ptbnw1）和板溪群二段（Ptbnw2），主要岩层产状倾向北西，大部分地段为单斜岩层，正常产状为270°～350°∠7°～25°，其围岩主要为凝灰质砂岩、凝灰岩和凝灰质板岩。

1.2 隧道施工参数

崔家冲隧道最大开挖断面内轮廓尺寸为14.96 m×10.58m，开挖面积高达160m2，属于特大断面铁路隧道。隧道初期支护设计采用喷射混凝土、系统锚杆、钢筋网和钢拱架（格栅钢架）的综合支护系统。喷射混凝土采用C25湿喷混凝土，喷射厚度拱墙为12～30cm，仰拱为10～30cm；系统锚杆采用φ25中空注浆锚杆和φ22砂浆锚杆，长度为3～4m；隧道衬砌采用C35混凝土，厚度为40～70cm；钢拱架间距为0.6～1m。

1.3 隧道开挖方式

特大断面高速铁路隧道开挖断面大、施工难度高，结合目前的施工技术水平，特大断面隧道穿过复杂地质段的开挖方法主要有中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）、三台阶七步开挖法和双侧壁导坑法等［3］。在实际施工中，主要根据隧道围岩级别、埋深、断面尺寸和施工进度的不同选择不同的施工工法。崔家冲隧道原设计开挖方式（部分）如表1所示。

表1 崔家冲隧道原设计开挖方式Table 1 Excavation method of the original design of Cuijiachong Tunnel

当按设计要求的两台阶法开挖至DK406＋010时，掌子面及掌子面后方初期支护发生较大塌方，施工被迫停止。经现场TSP、地质雷达和红外探水测试，发现此段围岩物探异常，角砾岩化特征明显，且岩体破碎、稳定性差，因此围岩等级变更为Ⅴb（Ⅴb级围岩即Ⅴ级弱围岩，其软弱破碎程度略大于Ⅴ级围岩，介于Ⅴ级与Ⅵ级之间），需要及时处理塌方并转换、优化施工工法。为了寻找适合本工程在上述复杂条件下的施工工法以及该工法的最优循环进尺，本文针对Ⅴb级围岩情况下的中隔壁法（CD）、三台阶七步开挖法进行了数值模拟，并对两种施工工法进行了比较［4］，见表2。

表2 两种施工工法的比较Table 2 Comparison of the two construction methods

2 数值模拟方案

2.1 计算模型的建立

计算模型选取DK406＋010塌方处隧道横断面，埋深为21.4m，围岩等级为Ⅴb，洞室宽度B为14.89m、高度H为10.55m。考虑到隧道开挖影响的范围为3倍左右洞径，因此模型尺寸为：横向以隧道中心线左右各取40m；竖向以隧道顶部向上取至地表，即21.4m，以隧道底部向下取30m。模型边界约束条件为：地表为自由边界，左右两侧施加土压力，底部施加y方向约束。本次采用Mohr－Coulomb本构模型进行数值模拟计算［5］，主要采用三种单元：模拟围岩的实体单元Plane42、模拟锚杆的杆单元Link1、模拟喷射混凝土和钢拱架的梁单元Beam3。由于钢拱架在隧道开挖后对围岩起到了很好的支护作用，故本次计算在选取Beam3单元的几何常数时，计入了钢拱架在弯曲刚度方面的贡献［6］。计算模型及网格划分如图1所示。

图1 计算模型及网格划分Fig.1 Computation model and mesh dividing

2.2 计算参数的选取

为了获得围岩的物理力学参数，本文选取工程现场的岩样进行了包括密度试验、单轴压缩试验和三轴压缩试验在内的室内岩石力学试验。

通过室内岩石力学试验并结合地质勘察报告，得到隧道围岩及支护结构的物理力学参数见表3。

表3 隧道围岩及支护结构的物理力学参数Table 3 Physical mechanical parameters of surrounding rock mass and reinforcement structures

3 数值模拟结果及施工工法选择

本文主要通过数值模拟计算得到隧道在Ⅴb级围岩条件下采用中隔壁法（CD）、三台阶七步开挖法所产生的围岩变形、应力场变化以及初期支护受力状况，以获得最优施工工法。本次数值模拟计算过程中采用单元生死功能模拟实际工程中的开挖、浇筑，采用荷载释放［7］的方法模拟隧道开挖进度及循环进尺。

3.1 围岩位移数值模拟计算结果

在特大断面高速铁路隧道施工中，拱顶沉降值和水平收敛位移值是分析隧道稳定性最为重要的依据，本次数值模拟计算得到的两种施工工法的围岩竖向位移分布云图见图2和图3。

图2 CD法围岩竖向位移分布云图Fig.2 Vertical displacement distribution nephogram of surrounding rock mass under the construction by CD method

图3 三台阶七步开挖法围岩竖向位移分布云图Fig.3 Vertical distribution nephogram of surrounding rock mass under the construction by three benches and seven steps excavation method

由图2和图3可以看出：隧道开挖过程中，CD法最大拱顶下沉值为14.1mm，三台阶七步开挖法为18.2mm，前者仅为后者的77.5%，因此CD法对围岩变形的控制效果要优于三台阶七步开挖法。由于上述两种施工工法的最大拱顶沉降值都未超过《铁路隧道设计规范》（TB 10003—2005）［8］中规定的允许相对变形值0.16%，因此两种施工工法都能满足该隧道复杂地质条件下对拱顶下沉的要求。

本次数值模拟计算得到的两种施工工法的围岩周边收敛值分布云图见图4和图5。

图4 CD法围岩周边收敛值分布云图Fig.4 Peripheral convergence distribution nephogram of surrounding rock mass under the construction by CD method

图5 三台阶七步开挖法围岩周边收敛值分布云图Fig.5 Peripheral convergence nephogram of surrounding rock mass under the construction by three benches and seven steps excavation method

由图4和图5可以看出：隧道分部开挖过程中，CD法围岩最大周边收敛值为16.9mm，三台阶七步开挖法为22.6mm，前者为后者的74.8%。事实上，由于分部开挖各部分及时支护，因此两者的周边收敛值相差并不大，但CD法在拱脚处的收敛变形效果要略为优于三台阶七步开挖法。由于上述两种施工工法的围岩最大周边收敛值都远未超过《铁路隧道设计规范》（TB 10003—2005）［8］规定的允许相对变形值0.8%，因此两种施工工法都能满足该隧道复杂地质条件下的施工安全。

3.2 围岩应力数值模拟计算结果

本次数值模拟计算得到的两种施工工法围岩的第一主应力分布云图见图6和图7。

图6 CD法围岩第一主应力分布云图Fig.6 First principal stress distribution nephogram of surrounding rock mass under the construction by CD method

图7 三台阶七步开挖法围岩第一主应力分布云图Fig.7 First principal stress distribution nephogram of surrounding rock mass under the construction by three benches seven steps excavation method

由图6和图7可以看出：采用CD法开挖过程中，围岩最大压应力分布在隧道边墙处（图6中蓝色区域），压应力值为0.399MPa；采用三台阶七步开挖法开挖过程中，隧道边墙与拱脚连接处发生压应力集中［9］（图7中蓝色区域），压应力值为0.413 MPa。两种施工工法所产生的压应力值都在围岩可以承受的安全范围内，但CD法由于单次开挖断面面积较小，初期支护封闭及时，因此边墙应力集中程度略差于三台阶七步开挖法。

3.3 围岩初期支护受力数值模拟计算结果

施工工法不同对成洞后的隧道初期支护内力有较大的影响，本文通过对CD法和三台阶七步开挖法隧道开挖过程中初期支护各部分内力进行数值模拟计算，得到两种施工工法初期支护的最大弯矩值、最大轴力值以及所出现的位置，详见表4。

表4 两种施工工法下初期支护最大弯矩值和最大轴力值Table 4 Maximum bending moment and maximum axial force of initial support under the construction by the two construction methods

由表4可以看出：CD法初期支护的最大弯矩和最大轴力出现在拱部结点处，此处易发生喷射混凝土开裂现象［10］；三台阶七步开挖法初期支护的最大弯矩和最大轴力出现在台阶分界处，后者的最大弯矩值和最大轴力值都小于前者，分别仅为前者的56.1%、49.6%。由此可见，三台阶七步开挖法能够有效减少初期支护所受的内力。

3.4 最优施工工法的选择

上述分析表明，两种施工工法所产生的围岩位移与应力都在安全范围内，都能满足隧道开挖支护强度的要求，能确保施工安全。

CD法的围岩拱顶位移、应力值均小于三台阶七步开挖法，但是它能够有效控制围岩位移是以初期支护承受较大的形变压力为代价的；而三台阶七步开挖法在分部开挖的过程中，通过适度的围岩变形使得围岩应力得到了有效释放，从而减小了初期支护的受力，充分发挥了围岩自身的承载能力。此外，考虑到采用三台阶七步开挖法的施工进度比CD法快，机械设备利用率也比CD法高，因此从可行性、经济合理性和安全可靠性三方面综合比较，选择三台阶七步开挖法为该隧道在塌方且掌子面前方为复杂地质情况下的最优施工工法。

4 循环进尺参数的优化及验证

4.1 循环进尺参数的优化

由于隧道开挖已经发生坍塌，且掌子面前方地质条件复杂多变，因此需要对所选定的三台阶七步开挖法的循环进尺参数进行优化，以满足隧道穿越此特殊地质地段的施工要求。该隧道原设计三台阶七步开挖法循环进尺参数为：上台阶每循环开挖进尺0.6～1.2m，开挖高度不小于上台阶开挖跨度的0.3倍，约3.9m，上台阶长度控制在3～5m；预留核心土长度4～5m；中、下台阶长度控制在3～4m。

通过上述所建的计算模型，采用荷载释放法计算隧道不同循环进尺分部开挖所引起的围岩拱顶下沉值及周边收敛值，并通过对比分析来获取三台阶七步开挖法的最优循环进尺参数。本文提出4种循环进尺参数的优化方案，见表5。

经过计算，4种循环进尺参数方案所引起的围岩拱顶下沉值及周边收敛值见图8和图9。

由图8可以看出：4种循环井尺参数方案最终施工步的围岩拱顶下沉值分别为16.7mm、18.6 mm、29.5mm、47.3mm，其中方案一、二、三的围岩拱顶下沉值处于规范允许的变形范围，而方案四的围岩拱顶下沉值超出了规范允许的变形值；方案三由于上台阶循环进尺增加，导致其起始施工步的围岩拱顶下沉值较大，且围岩拱顶下沉值在第三施工步发生突变，对围岩的稳定性不利。

表5 4种循环进尺参数方案（m）Table 5 Four optimization plans of circulation measurement parameters（unit：m）

图8 4种方案的围岩拱顶下沉曲线Fig.8 Settlement curves of surrounding rock dome by four plans

图9 4种方案的围岩周边收敛曲线Fig.9 Peripheral displacement convergence curves of surrounding rock mass by four plans

由图9可以看出：方案三、四的围岩最终周边收敛值远大于方案一、二，尽管方案二的围岩周边收敛值20.7mm略大于方案一的18.6mm，但方案二的围岩周边收敛值随施工步变化幅度较小，变化速率均匀，有效地避免了位移突变的发生。因此，经过分析比较4种循环进尺参数方案所引起的围岩拱顶下沉值及周边收敛值，选取方案二为最优循环进尺参数方案。

4.2 循环进尺参数的验证

为了验证所选取的三台阶七步开挖法及其优化的循环进尺参数在本隧道施工中的合理性，本研究于2012年9月3日—10月21日对隧道DK406＋010处断面进行了现场实测，现场实测的围岩拱顶下沉值及周边收敛值见图10和图11。

图10 现场实测的围岩拱顶下沉曲线Fig.10 Measured settlement curve of surrounding rock dome

图11 现场实测的围岩周边收敛曲线Fig.11 Measured peripheral displacement convergence curve of surrounding rock mass

由图10和图11可以看出：隧道断面DK406＋010处的围岩拱顶下沉值在隧道开挖后第0～7d快速增长，该阶段的沉降量占总下沉值的52.6%，随后下沉值在第20d开始缓慢增加，到第30d趋于稳定，最终拱顶下沉值为17.1mm，与本文数值模拟结果相差8.77%；最终围岩周边收敛值为18.9 mm，与本文数值模拟结果相差8.69%。上述结果表明实测结果与本文数值模拟结果吻合性较好，且实测数据变化趋势也与数值模拟结果基本一致。而实测数据中出现的小幅度突变，说明分部开挖过程中对隧道顶部产生了一定的扰动。

5 结 论

本文基于有限元数值模拟仿真法，对复杂地质条件下特大断面高速铁路隧道的施工工法及其循环进尺参数进行了优化研究，得到如下结论：

（1）在特大断面高速铁路隧道穿过复杂地质条件地段时，采用CD法和三台阶七步开挖法施工均能满足隧道开挖支护强度的要求，可确保施工安全。但三台阶七步开挖法通过适度的围岩变形使得围岩应力得到了有效释放，从而减小了初期支护的受力，充分发挥了围岩自身的承载能力，因而从可行性、经济合理性和安全可靠性综合比较，三台阶七步开挖法为该特大断面高铁隧道在塌方且掌子面前方为复杂地质情况下的最优施工工法。

（2）隧道开挖循环进尺参数对围岩的变形有较大的影响，且决定了整个工程的工期。在围岩等级为Ⅴb级且地质条件复杂的情况下，适合本隧道三台阶七步开挖法的最优循环进尺参数为：上台阶每循环开挖进尺0.6m，上台阶长度控制在4m，预留核心土长度4m，中、下台阶长度控制在3m。

（3）通过将数值模拟结果与实测结果进行对比分析，结果得出两者围岩拱顶下沉值、围岩周边收敛值的差别仅在8%左右，说明实际开挖过程中分部开挖对围岩产生了一定的扰动。但由于实际开挖过程中仰拱封闭未能立即完成，因此实测结果略为偏大，这在施工中应引起注意。

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