高地应力条件下隧道施工方法研究

2015-03-13王志杰许瑞宁段明明张文龙

铁道建筑 2015年9期

关键词：工法台阶围岩

王志杰，许瑞宁，袁晔，段明明，张文龙

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

高地应力条件下隧道施工方法研究

王志杰，许瑞宁，袁晔，段明明，张文龙

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

为探讨高地应力条件下不同开挖工法引起的洞周变形及支护力学特性，以大梁隧道为依托，采用数值模拟与现场量测相结合的方法，研究了隧道在三台阶法、三台阶七步开挖法和三台阶临时仰拱法3种不同工法下洞周变形及衬砌结构受力情况。研究结果表明:在高地应力条件下，可以根据掌子面岩性，灵活转换三台阶法、三台阶七步开挖法和三台阶临时仰拱法3种工法，这样既能控制围岩变形，保证隧道安全，又能加快施工进度，降低造价。

隧道高地应力施工方法数值模拟

随着我国西部大开发政策的进一步落实以及公路、铁路等交通路网的完善，隧道工程延伸至高地应力且地质环境恶劣的地区已不可避免［1-7］。由于地下结构自身的特殊性，使得目前没有任何一种理论可以完全应对高地应力复杂多变的情况。为了探明高地应力条件下不同开挖工法引起的洞周变形以及支护的力学特性，本文以大梁隧道施工为依托，采用数值模拟与现场量测相结合的方法，就高地应力条件下的开挖方法展开研究。

1 工程概况

大梁隧道位于青海省门源回族自治县，地处祁连山，平均海拔3 600～4 200 m，最高海拔为4 430 m。隧道某深埋段，平均埋深为465 m，现场开挖揭示地层岩性为炭质板岩，局部夹砂岩，呈灰黑色及青灰色。受构造影响强烈，节理很发育，岩体破碎，结构面结合力差，岩层可见挠曲现象，岩质较软，岩体整体稳定性差，为Ⅴ级围岩。试验段范围内，最大水平主应力值为12.96 MPa，炭质板岩饱和强度为21.08 MPa，围岩强度应力比 Rc/σmax=1.63，属于极高地应力状态。本文分别对三台阶法、三台阶七步开挖法以及三台阶临时仰拱法进行了数值模拟分析，结合现场量测数据，通过对比分析，选择更为安全可靠与经济合理的施工方法。

2 模型建立和计算参数

采用有限差分软件FLAC3D建立三维地层结构计算模型［8-10］，为了便于对比分析，在模拟隧道开挖工法时，3种方法的计算模型均采用相同的围岩参数及边界条件，仅施工工艺与施工步骤不同。

2.1 模型尺寸及边界条件

根据弹性力学中接触应力理论和应力集中现象，隧道开挖对大于隧道直径3倍距离外的岩体影响不大。隧道埋深450 m，由于埋深较大，为节约计算资源和时间，在模型顶面施加等效荷载来模拟上覆围岩压力。数值模型左右两侧边界取至隧道边墙8R(R为开挖半径)，下边界至隧道底部6R，上边界至隧道顶部6R，隧道纵向长取14R。计算模型左右两端边界沿X方向固定约束，底部固定 Z方向约束，顶部边界为自由面。同时，根据实测资料，在模型左右两端边界施加12.96 MPa水平均布荷载和上端边界施加8.1 MPa竖向荷载，来模拟高地应力条件。

2.2 计算参数

计算采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，用六面体单元模拟围岩。超前支护的地层加固效果，根据文献［11］和相关经验，通过提高相应围岩的物理力学参数来模拟;钢拱架的作用效果采用弹模等效折算的方法考虑到初期支护当中。计算时将钢筋网作为一种安全储备，没有考虑钢筋网的作用效果。本次计算的地层和结构材料参数如表1所示。

3 隧道开挖数值模拟及分析［12-16］

基于由自重应力场和构造应力场的共同作用产生

的初始应力场，模拟了三台阶法、三台阶七步开挖法及三台阶临时仰拱法3种开挖方法，并对3种工法条件下的隧道洞周位移及衬砌结构受力情况进行了分析。

表1 围岩及支护的物理力学参数

3.1 模拟开挖工序

对于本次所模拟的3种工法，隧道施工初期支护总是滞后开挖一段时间，每次开挖步为1.6 m，计算中考虑了混凝土龄期对初期支护和二次衬砌强度的影响。3种开挖工序的模拟如图1所示。

1)三台阶法施工工序中，上台阶长4.8 m，中台阶长19.2 m。

图1 开挖工序示意

2)三台阶七步开挖法施工工序中，中台阶左右导坑开挖掌子面保持3.2 m进度错距，且左导坑超前;下台阶左右导坑开挖掌子面也保持3.2 m进度错距，且左导坑超前;上台阶核心土与中台阶左幅同时开挖;中台阶核心土与下台阶左幅同时开挖;下台阶核心土与下台阶左导坑开挖掌子面保持3.2 m进度错距，且下台阶左导坑超前;初期支护达到设计强度80%后进行下一步开挖。

3)三台阶临时仰拱法施工中，上台阶长12.8 m，中台阶长12.8 m，临时仰拱与初期支护同时施作。

3.2 数值模拟结果分析

1)隧道围岩位移场结果分析

3种工法的位移场计算结果如表2所示。

表2 各工况下位移场计算结果 m

由表2可以看出，最大沉降变形发生在拱顶处。采用三台阶临时仰拱法，拱顶沉降值仅为三台阶法的36.2%，洞身水平收敛值仅为三台阶法的29.6%。采用三台阶七步开挖法，拱顶沉降值为三台阶法的70.7%，为三台阶临时仰拱法的1.95倍，其洞身水平收敛值为三台阶法的35.9%，为三台阶临时仰拱法的1.21倍。通过对数值模拟结果的数理统计，绘制了洞周位移场变化曲线，如图2、图3所示。

图2 Y=9.6 m处断面拱顶沉降曲线

图3 Y=9.6 m处断面水平位移曲线

2)隧道二次衬砌应力结果分析

由于本工程位于高地应力特殊环境下，隧道施工

过程中变形较大，因此二次衬砌在此不完全作为安全储备，与初期支护和围岩共同形成承载环来承载围岩压力。

由图4和表3可以看出:实测结果与数值模拟基本吻合，佐证了本文数值模拟计算的可靠性。针对三台阶七步开挖法，数值模拟结果与现场实测数据，在拱顶处相对误差为 23.8%，在右拱腰处相对误差为3.55%，在右拱脚处相对误差为10.19%，在左墙腰处相对误差为47.10%。

图4 实测二次衬砌混凝土应力(三台阶七步开挖法)

表3 二次衬砌混凝土应力数值模拟与实测结果比较MPa

4 结论

通过对大梁隧道高地应力环境下几种工法的数值模拟与实测数据分析，得出如下一些结论:

1)在高地应力条件下，由于三台阶临时仰拱法中支护结构能及时封闭成环，在控制隧道开挖后引起的洞周位移方面有很大的优势。

2)采用三台阶法边墙水平收敛位移明显大于其它两种工法，且趋于稳定较慢，在高地应力且围岩较差的条件下无法有效地控制洞身水平位移。采用三台阶七步开挖法，留设核心土能显著地减小围岩的水平位移。采用三台阶临时仰拱法，临时仰拱在大断面隧道中控制水平收敛可以产生较好的效果。因此，在高地应力且岩性较差情况下，控制洞身水平位移，三台阶临时仰拱法与三台阶七步开挖法明显比三台阶法优越。

3)采用三台阶七步开挖法，由于预留了核心土，在控制隧道水平位移方面效果显著，可以根据现场实时地质条件，灵活、及时地转换工法。

4)在高地应力条件下施工的隧道，可以根据掌子面岩性，实时灵活地变换三台阶法、三台阶七步开挖法和三台阶临时仰拱法。岩性较好时可采用三台阶法，加快进度;岩性较差时可采用三台阶七步开挖法;岩性很差时可采用三台阶临时仰拱法。从而既能控制围岩变形保证隧道安全，又能加快施工进度降低造价。

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