郭小雄，劉艷青，馬偉斌

(中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

在高地應(yīng)力軟巖隧道施工過程中，多發(fā)生較大程度的變形，導(dǎo)致初期支護(hù)混凝土開裂、剝落、掉塊，支護(hù)鋼架扭曲、錯斷，初支侵限［1-2］。已建成的烏鞘嶺隧道施工時最大變形量近1．0 m，開挖初期平均變形量在0.4～0.6 m，致使初支大變形而遭破壞，并嚴(yán)重侵入隧道襯砌凈空，不得不將初支全部或部分拆除重做［3］。在建蘭渝鐵路亦多次因高地應(yīng)力大變形而進(jìn)行換拱［4］，因大量的初期支護(hù)拆換作業(yè)而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失、安全風(fēng)險及工期延誤等給隧道正常施工造成嚴(yán)重影響。超前導(dǎo)洞法施工可通過對高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖初始地應(yīng)力的預(yù)釋放，以期使隧道正洞支護(hù)變形減小至安全可控狀態(tài)。

1 理論簡析

超前導(dǎo)洞釋放法為在開挖正洞之前在正洞的合適位置先開挖一定長度的超前導(dǎo)洞，通過超前導(dǎo)洞的位移釋放一部分初始應(yīng)力，從而減少正洞擴挖后的支護(hù)變形和降低作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力。它是柔性支護(hù)設(shè)計的一種理念，即容許圍巖變形，釋放地應(yīng)力，減低支護(hù)壓力，同時又能約束圍巖松弛和控制圍巖變形，保持隧道穩(wěn)定［5-6］。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算參數(shù)

以某在建高地應(yīng)力軟巖隧道為背景，模型邊界尺寸取為100 m×100 m×1 m，隧道模型正洞尺寸為14.3 m×12.7 m，小導(dǎo)洞基本尺寸為7.6 m×4.5 m，相關(guān)支護(hù)參數(shù)、力學(xué)參數(shù)及初始地應(yīng)力參數(shù)參照現(xiàn)場試驗結(jié)果選取，圍巖及初始地應(yīng)力主要參數(shù)見表1～表2。

表1 圍巖參數(shù)

表2 初始應(yīng)力場 MPa

2.2 不同工況條件下的計算分析

采用有限差分法軟件flac3d進(jìn)行計算。結(jié)合現(xiàn)場實際施工情況，導(dǎo)洞采用全斷面開挖，正洞為三臺階法施工，計算過程中正洞尺寸保持不變。選擇導(dǎo)洞計算監(jiān)測點為 a，b，b'，正洞計算監(jiān)測點為 A，B，B'，C，C'，D，D'，計算監(jiān)測點設(shè)置見圖1。圖中，H為導(dǎo)洞高度，L為導(dǎo)洞寬度，h為導(dǎo)洞拱頂至正洞拱頂?shù)木嚯x。

為分析超前導(dǎo)洞法相對于直接開挖正洞法的隧道周邊圍巖變形的預(yù)釋放效果，本文以釋放率來表示導(dǎo)洞開挖對正洞周邊各點徑向位移的影響程度。

釋放率=(直接開挖正洞隧道周邊圍巖變形量－導(dǎo)洞釋放法正洞隧道周邊圍巖變形量)/直接開挖正洞隧道周邊圍巖變形量×100%。

2.2.1 導(dǎo)洞不同寬度模擬

取導(dǎo)洞拱頂距正洞拱頂2.5 m，高度4.5 m，且位75%，這是由于D處位移受導(dǎo)洞底鼓影響較大，加之導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)不閉合，導(dǎo)洞寬度越大，底鼓現(xiàn)象越明顯。

圖1 計算監(jiān)測點設(shè)置(單位:m)

2)考慮到導(dǎo)洞全斷面開挖現(xiàn)場實際的施工條件，結(jié)合數(shù)值計算結(jié)果，導(dǎo)洞寬度為7.6 m左右時較為合理。

2.2.2 導(dǎo)洞不同高度模擬

在2.2.1節(jié)計算結(jié)果基礎(chǔ)上，保持導(dǎo)洞距正洞拱頂2.5 m，寬度7.6 m，且位于正洞中軸線不變。選擇導(dǎo)洞高度 H 分別為 4.5 m，5.0 m，5.5 m，6.0 m，6.5 m五種工況進(jìn)行模擬計算，結(jié)果見圖3。于正洞中軸線不變。選擇導(dǎo)洞寬度L分別為5.6 m，7.6 m，9.6 m，11.6 m四種工況進(jìn)行計算，結(jié)果見圖2。

圖2 導(dǎo)洞不同寬度與釋放率關(guān)系曲線

圖3 導(dǎo)洞不同高度與釋放率關(guān)系曲線

由圖2可看出:

1)隨著導(dǎo)洞寬度的增加，正洞拱頂 A、上臺階 B、中臺階C、下臺階D的徑向位移釋放率均隨之增加。對拱頂A位移釋放率影響最大，由12%增加到69%，這是由于隨著導(dǎo)洞寬度的變化，導(dǎo)洞洞型改變使得A點位移增加較大。B處位移釋放率由31%增加到75%，影響也較大，這是由于導(dǎo)洞位置較靠近 B的緣故。C處位移釋放率由54%增加到79%，這是由于導(dǎo)洞寬度變化所致。D處位移釋放率由32%增加到

由圖3可看出:

1)當(dāng)導(dǎo)洞高度增大時，導(dǎo)洞開挖對正洞拱頂A、上臺階B、中臺階C、下臺階D的徑向位移釋放率均隨之增大。

2)考慮到導(dǎo)洞全斷面開挖現(xiàn)場實際的施工條件，結(jié)合數(shù)值計算結(jié)果，選擇導(dǎo)洞尺寸為7.6 m×5.5 m時可取得較好的綜合釋放效果。

2.2.3 導(dǎo)洞不同位置模擬

保持導(dǎo)洞尺寸7.6 m×5.5 m，且位于正洞中軸線不變，選擇導(dǎo)洞拱頂距正洞拱頂距離 h分別為0 m，1 m，1.8 m，2.5 m，3.5 m，4.2 m，5.0 m 七種工況進(jìn)行模擬計算，結(jié)果見圖4。

由圖4可看出:

1)隨著導(dǎo)洞位置的下移，正洞拱頂 A、上臺階 B、中臺階C的徑向位移釋放率均隨之小幅減小。正洞下臺階D位移釋放率略有增加。

圖4 導(dǎo)洞不同位置與釋放率關(guān)系曲線

2)綜合分析數(shù)值計算結(jié)果及導(dǎo)洞和正洞開挖的施工條件，導(dǎo)洞尺寸為7.6 m×5.5 m、導(dǎo)洞拱頂距正洞拱頂為2.5 m時，可取得較好的綜合釋放效果，即現(xiàn)場選擇的導(dǎo)洞位置是合理的。

3 結(jié)論及建議

1)合理的導(dǎo)洞尺寸及位置可有效地使正洞周邊在導(dǎo)洞開挖后產(chǎn)生較大的預(yù)位移，從而較大程度地減少正洞開挖后初期支護(hù)的變形量。

2)在導(dǎo)洞位置不變的條件下，當(dāng)高度一定時，隨著導(dǎo)洞寬度的增加，釋放率呈較大幅度的線性增長。當(dāng)寬度一定時，隨著導(dǎo)洞向下高度的增加，釋放率亦呈較大幅度的線性增加。此外，導(dǎo)洞寬度和高度的變化對拱頂下沉釋放率的影響明顯小于對其余各監(jiān)測點釋放率的影響。

3)綜合分析各工況結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場施工實際的可行性，當(dāng)導(dǎo)洞尺寸寬×高為7.6 m×5.5 m，導(dǎo)洞拱頂距正洞拱頂距離為2.5 m時，可取得較好的綜合釋放效果，A，B，C，D 各點釋放率分別為37%，54%，72%和59%。

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