蘇 江

(鐵道第三勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300240)

高速鐵路超大斷面隧道施工方法數(shù)值模擬研究

蘇 江

(鐵道第三勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300240)

針對(duì)高速鐵路軟弱、淺埋超大斷面隧道，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺(tái)階七步法兩種施工方法分別進(jìn)行三維數(shù)值模擬和開挖方法的科學(xué)性進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：在施作大管棚超前支護(hù)的前提下，三臺(tái)階七步法比較合理. 研究結(jié)論為同類工程的設(shè)計(jì)和施工提供理論參考.

高速鐵路隧道；數(shù)值模擬；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法；三臺(tái)階七步法

與常速鐵路隧道相比，高速鐵路隧道開挖面積將達(dá)到140～170m2，為超大斷面隧道[1]. 由于開挖斷面增大，隧道開挖時(shí)圍巖自穩(wěn)能力變差，松弛范圍加大，施工難度急劇增加. 如果隧道施工方法選擇不當(dāng)，將直接影響到施工進(jìn)度、施工安全、工程投資等[2].

京滬高速鐵路西渴馬一號(hào)隧道洞身DK421+400～DK421+575段上覆30m厚崩塌堆積層，充填碎石土及角礫土，結(jié)構(gòu)松散，容易掉頂，淺埋破碎，施工難度較大. 此地段，設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)管棚超前支護(hù)、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工. 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法通過剛性分隔讓大斷面隧道改為小斷面隧道，能盡早封閉成環(huán)，有利于控制變形，保證隧道施工的安全；但同時(shí)也存在著作業(yè)面多，各工序相互干擾大，施工進(jìn)度慢，增加對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)等缺點(diǎn)[3]. 因此在現(xiàn)場(chǎng)施工中，可以考慮采用三臺(tái)階法施工，以達(dá)到既保證施工安全同時(shí)加快施工速度的目的.

本文擬選取雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺(tái)階七步法等兩種施工方法對(duì)淺埋、軟弱圍巖段進(jìn)行開挖模擬. 通過對(duì)模擬結(jié)果的分析，評(píng)價(jià)開挖方案的合理性，為設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)，并為類似工程提供借鑒.

1 西渴馬一號(hào)隧道洞身淺埋段支護(hù)設(shè)計(jì)

西渴馬一號(hào)隧道洞身淺埋段采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu). 初期支護(hù)采用錨桿、鋼拱架、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)：砂漿錨桿直徑為22mm，長(zhǎng)為4m，0.8m×1m 梅花形布置；鋼拱架采用間距為0.6m 的I20a型工字鋼；噴射混凝土采用厚度為28cm 的C25混凝土，全環(huán)施作，拱墻噴混凝土中摻加合成纖維. 二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，拱墻處厚度為50cm，仰拱處厚度為60cm. 由于圍巖破碎，穩(wěn)定性差，拱部120°范圍內(nèi)打設(shè)長(zhǎng)30m，外徑108mm的大管棚超前支護(hù)作為輔助施工措施.

2 數(shù)值模擬方案

2.1 計(jì)算模型的建立

為保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，同時(shí)考慮合理的計(jì)算工作量，三維計(jì)算模型的邊界范圍按以下要求選取：水平方向自隧道中心線至模型邊界取50m；垂直方向自隧道底部向下取42m；考慮到隧道淺埋，模型向上取至地表；模型沿隧道縱向取50m. 計(jì)算采用的邊界條件為：模型的側(cè)面邊界受水平位移約束；下部邊界受到豎向位移約束；地表為自由邊界，不受任何約束. 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法三維數(shù)值模型見圖 1，三臺(tái)階七步法三維數(shù)值模型見圖2.

圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法三維數(shù)值模型

圖2 三臺(tái)階七步法三維數(shù)值模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

西渴馬一號(hào)隧道洞身淺埋段為Ⅴ級(jí)圍巖，模擬計(jì)算時(shí)假設(shè)圍巖為單一、均質(zhì)的連續(xù)介質(zhì)，其物理力學(xué)性質(zhì)根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料并結(jié)合規(guī)范來取值[4]. 錨桿、長(zhǎng)管棚超前預(yù)支護(hù)的加固效果，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通過提高圍巖的物理力學(xué)參數(shù)來模擬[5]. 鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮，即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土. 計(jì)算沒有考慮鋼筋網(wǎng)的作用效果，作為結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備.

由于隧道埋深較淺，初始應(yīng)力場(chǎng)根據(jù)巖體的自重應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算得到. 巖體的本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，并服從Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則.

本次計(jì)算圍巖及錨桿、超前支護(hù)加固區(qū)的物理力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 圍巖及加固區(qū)物理力學(xué)參數(shù)

2.3 施工步驟模擬

西渴馬一號(hào)隧道的模擬施工步驟，分別為設(shè)計(jì)階段推薦采用的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和施工考慮采用的三臺(tái)階七步法. 這兩種開挖方法的施工工序示意圖見圖3，圖中的數(shù)字表示依次開挖的斷面順序編號(hào).

圖3 施工工序示意圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算采用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算. 考慮到邊界條件的影響，以及隧道開挖時(shí)的空間效應(yīng)，取隧道模型縱向的中間斷面為研究斷面，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析.

3.1 拱頂下沉對(duì)比分析

在研究斷面處，兩種工法圍巖豎向位移分布云圖見圖4.

圖4 圍巖豎向位移分布云圖

從圖4可知，在隧道開挖過程中，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最大拱頂下沉值為8.52mm，三臺(tái)階七步法最大拱頂下沉值為14.55mm，前者僅為后者的58.56%. 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法未出現(xiàn)豎向位移大于1mm的區(qū)域，三臺(tái)階七步法豎向位移大于1mm的區(qū)域位于拱頂及兩側(cè)拱肩上方約10m范圍內(nèi).

可見，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)圍巖變形的控制效果，要優(yōu)于三臺(tái)階七步法. 通過計(jì)算過程可知，兩種開挖方法的圍巖變形都能在開挖后趨于收斂，并參照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于隧道周邊位移的規(guī)定[4]，兩種開挖方法拱頂下沉量都不超過允許變形值. 因此，兩種開挖方法都能夠保證施工安全.

3.2 圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)對(duì)比分析

在研究斷面處，采用三種施工方法時(shí)，圍巖最小主應(yīng)力(壓應(yīng)力)分布云圖見圖 5，隧道周邊圍巖塑性區(qū)見圖6.

采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖時(shí)，周邊圍巖最大壓應(yīng)力值為1.019MPa；塑性區(qū)分布在兩側(cè)邊墻，最大塑性區(qū)深度約為1.5m. 采用三臺(tái)階七步法開挖時(shí)，邊墻處一定深度內(nèi)為應(yīng)力集中區(qū)，最大值壓應(yīng)力值為1.140MPa；塑性區(qū)分布在兩側(cè)邊墻及墻腳處，邊墻塑性區(qū)深度約為3m，墻腳處最大塑性區(qū)深度約為5.5m.

圖5 圍巖最小主應(yīng)力分布云圖

圖6 隧道周邊圍巖塑性區(qū)

對(duì)比兩種施工方法，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的最大壓應(yīng)力值、塑性區(qū)大小都小于三臺(tái)階七步法，說明雙側(cè)壁導(dǎo)坑法由于一次開挖斷面面積較小，初期支護(hù)及時(shí)封閉，引起隧道兩側(cè)邊墻的應(yīng)力集中程度較小. 對(duì)于三臺(tái)階七步法，最大壓應(yīng)力值為1.140MPa，在圍巖可以承受的壓應(yīng)力范圍；最大塑性破壞深度約為5.5m，也是可以通過打設(shè)長(zhǎng)錨桿，加強(qiáng)鎖腳錨管等措施加以控制的.

3.3 初期支護(hù)應(yīng)力對(duì)比分析

在研究斷面附近，兩種施工方法的初期支護(hù)最小主應(yīng)力分布云圖見圖7.

圖7 初期支護(hù)最小主應(yīng)力分布云圖

從圖 7可以看出，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的初期支護(hù)在臨時(shí)支護(hù)與初期支護(hù)交接部位壓應(yīng)力最大，達(dá)到14.453MPa，超過C25噴射混凝土的彎曲抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值13.5MPa[4]，這樣大的壓應(yīng)力對(duì)于臨時(shí)支護(hù)來說是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn). 三臺(tái)階七步法的初期支護(hù)在邊墻處壓應(yīng)力最大，達(dá)到6.319MPa.

以上分析表明，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的支護(hù)受力遠(yuǎn)大于三臺(tái)階七步法. 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工可以有效控制圍巖位移，是以支護(hù)承受較大的形變壓力為代價(jià)的；而三臺(tái)階七步法施工通過適度的圍巖變形使得圍巖應(yīng)力得到有效釋放，大大減小了支護(hù)受力.

4 三臺(tái)階七步法可行性

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法能夠多次封閉成環(huán)，提供多次的支護(hù)阻力，且能夠有效的控制變形. 但三臺(tái)七步法，雖不能多次成環(huán)，卻能夠通過適度的圍巖變形使得圍巖應(yīng)力得到有效釋放，減小了支護(hù)受力，充分發(fā)揮圍巖自身承載能力，這反映了新奧法的核心理念，也可以通過特征曲線法分析反映出來(見圖8).

圖8 特征曲線法圖解

5 三臺(tái)階七步法在施工進(jìn)度及經(jīng)濟(jì)比較中的優(yōu)越性

5.1 施工進(jìn)度優(yōu)越性

根據(jù)隧道施工經(jīng)驗(yàn)，采用三臺(tái)階七步法施工，月成洞指標(biāo)約 50~60m，而采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，月成洞指標(biāo)只能達(dá)到20~30m. 從施工進(jìn)度的角度考慮，三臺(tái)階七步法遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法.

5.2 經(jīng)濟(jì)比較中優(yōu)越性

由于三臺(tái)階七步法不用施作臨時(shí)支護(hù)，相比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，節(jié)省了鋼架及射混凝土數(shù)量，工程造價(jià)得到降低. 以西渴馬一號(hào)隧道斷面為例，如采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，每延米需臨時(shí)支護(hù)鋼架 1.715t，臨時(shí)支護(hù)噴射混凝土7.12m3，加上裝拆臨時(shí)支護(hù)的工費(fèi). 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在臨時(shí)支護(hù)方面的投資每延米近1.5萬元，而三臺(tái)階七步法則沒有這部分投資費(fèi)用. 因此，在滿足支護(hù)效果的前提下，三臺(tái)階七步法更為經(jīng)濟(jì)合理.

6 結(jié)論

通過對(duì)淺埋軟弱圍巖大斷面隧道施工的三維數(shù)值模擬對(duì)比研究，可以看出，雖然雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)控制圍巖變形、減小圍巖塑性破壞的效果要優(yōu)于三臺(tái)階七步法，但其對(duì)圍巖位移及塑性破壞的控制效果，是以支護(hù)承受較大的形變壓力、增多施工工序、延長(zhǎng)施工工期、增加工程造價(jià)為代價(jià)的；而在超前大管棚支護(hù)作用下，采用三臺(tái)階七步法施工，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，使圍巖變形值小于允許變形值，塑性破壞也在可控范圍內(nèi)，能滿足隧道開挖支護(hù)效果，確保施工安全，同時(shí)達(dá)到加快施工進(jìn)度，節(jié)省施工費(fèi)用的目的.另外，三臺(tái)階法可以發(fā)揮大型施工機(jī)械設(shè)備多臺(tái)階流水施工的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)遇到其他地質(zhì)條件改變時(shí)，能容易地變換為其他施工方法，體現(xiàn)靈活多變易變的特點(diǎn).

因此，在施作大管棚超前支護(hù)的前提下，三臺(tái)階七步法能夠很好的解決大斷面隧道開挖快速掘進(jìn)和圍巖穩(wěn)定的問題，又能降低工程造價(jià)，是比較合理的施工方法，適用于高速鐵路隧道超大斷面礦山法施工.

[1] 陳立寶. 三臺(tái)階法在客運(yùn)專線山嶺隧道軟弱圍巖中的推廣應(yīng)用[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào), 2008(12): 72-74.

[2] 鐵道部工程設(shè)計(jì)鑒定中心. 高速鐵路隧道[M]. 北京: 中國(guó)鐵道出版社, 2006.

[3] 楊仲杰. 客運(yùn)專線特大斷面隧道開挖方法研究[J]. 鐵道建筑, 2008(5): 61-63.

[4] 中華人民共和國(guó)鐵道部第二勘察設(shè)計(jì)院. TB 10003-2005鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京: 中國(guó)鐵道出版社, 2005.

[5] 湯勁松, 劉松玉, 童立松, 等. 破碎巖體淺埋大跨公路隧道開挖方案對(duì)比研究[J]. 巖土力學(xué), 2007(S1): 469-473.

(責(zé)任編輯：饒 超)

Numerical Analysis on Excavation Methods of High-speed Railway Tunnel with Extra-large Section

SU Jiang
( The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation Ltd., Tian Jing 300240, China)

Aiming at the shallow overburned and extra-large section tunnel in high speed railway, the three dimensional numerical simulation is conducted to model different excavation methods, including double-sidedrift excavation and three-bench seven-step excavation. By comparative analysis, it demonstrates that double-side- drift excavation is more reasonable when the pipe-roof advanced support technology is applied. The results of this study are expected to provide academic reference to design and construction for the similar engineering.

High-speed railway tunnel; Numerical simulation; Double-side- drift excavation ; Three-bench seven-step excavation

U455

A

1009-2854(2011)05-0042-06

2011-03-01；

2011-04-13

蘇 江(1983— )，男，四川南充人，鐵道第三勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司助理工程師.