陳佩寒,王 寧,趙華鋒

(1.石家莊鐵道大學(xué),石家莊 050043；2.中鐵十二局集團有限公司,太原 030024)

隨著國內(nèi)鐵路客運專線的日益增建以及隧道凈空要求的不斷提高,大斷面隧道工程也越來越多。由于開挖斷面大、施工難度大、安全風(fēng)險突出、工期影響等特點,大斷面隧道施工已成為國內(nèi)外專家矚目的焦點[1-5]。隧道工程中一般將斷面面積超過100 m2以上的隧道稱為大斷面隧道,而近年來實際工程中很多隧道斷面達到120～160 m2,有些三、四車道公路隧道甚至達到或超過200 m2[6，7]。隧道斷面的增大常造成拱頂不穩(wěn)定,圍巖產(chǎn)生較大的松弛地壓,在埋深作用不能發(fā)揮時產(chǎn)生很大的松弛壓力導(dǎo)致支護受載驟增,尤其對土質(zhì)不良、跨度大且扁平形狀的拱形支護結(jié)構(gòu)支護條件不利[8-10]。鄭西鐵路客運專線位于黃土地區(qū),隧道斷面大、地層富水飽和、黃土遇水成泥、沉降變形大、易塌方、工程地質(zhì)復(fù)雜、工期要求緊,通過對三臺階七步開挖在張茅隧道施工中的力學(xué)分析和施工工藝研究,實現(xiàn)了大跨隧道的快速施工,施工進度達到70～75 m/月,而且降低了施工成本。

1 工程概況

1.1 工程背景

張茅隧道全長8 483 m,是鄭西鐵路客運專線最長的隧道,也是重點控制性工程。隧道區(qū)主要巖性為Q2黏質(zhì)黃土,粗圓礫土,具弱～中膨脹性,屬Ⅳ級圍巖,含較豐富的孔隙潛水,隧道最大涌水量為18 990 m3/d。隧道按350 km/h客運專線雙線隧道設(shè)計,洞身襯砌為曲墻式復(fù)合襯砌,雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu),軌面至道床底面高度為57 cm。隧道最大開挖跨度16 m、高14 m,最大開挖面積達164 m2,屬于超大斷面隧道。

1.2 張茅隧道的工程特性

張茅隧道富水黃土段3 190 m,洞身位于地下水位線以下,黃土中含有豐富的孔隙水,滲透系數(shù)0.009～0.014 m/d,工程特點如下：(1)基底極易軟化,涌水量大；(2)洞身開挖后自穩(wěn)能力較差；(3)隧道結(jié)構(gòu)易發(fā)生開裂現(xiàn)象；(4)開挖面積與跨度大；(5)圍巖強度比較低。

2 張茅隧道三臺階七步法的施工力學(xué)分析

隧道上部覆土厚度30 m,為淺埋,模型約束條件：上表面自由,兩側(cè)為水平約束,縱向兩端為縱向水平約束,底面為垂直約束。力學(xué)計算采用有限差分巖土工程軟件Flac3D,將巖體進行三維離散化,且按常應(yīng)力模式進行計算,模型縱向長為32 m,兩側(cè)離隧道開挖邊界為75 m,底部邊界離隧道軌面75 m,共有88 080個單元,共有節(jié)點數(shù)92 127個。地層及支護物理力學(xué)參數(shù)見表1。模型網(wǎng)格、開挖臺階布置及支護效果圖如圖1所示。

表1 圍巖及支護材料物理力學(xué)參數(shù)

圖1 模型網(wǎng)格及開挖臺階布置與支護

鄭西客運專線張茅隧道三臺階七步法開挖大斷面富水黃土隧道在國內(nèi)尚屬嘗試,之前缺乏成功經(jīng)驗。為了掌握隧道施工過程圍巖和支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)動態(tài),對三臺階七步開挖在張茅隧道的施工過程進行力學(xué)模擬,以初期支護的主應(yīng)力、圍巖位移場、塑性區(qū)和掌子面位移數(shù)據(jù)分析施工的安全性和可靠性。

2.1 初期支護應(yīng)力分析

選取距離初始開挖斷面8 m處作為研究斷面。計算主要以評價三臺階七步法施工條件下初期支護的工作情況,模擬集中在二次襯砌施工以前的過程。共分為9種工況,具體見表2。

表2 9種工況的描述

注：以下凡未經(jīng)說明,出現(xiàn)工況皆以表中描述為準；D為開挖跨度。

限于篇幅,施工中重要關(guān)鍵步序的初支應(yīng)力圖如圖2所示。

圖2 初期支護主應(yīng)力分布云圖

由圖2可以看出：

(1)初期支護在施工過程中出現(xiàn)了應(yīng)力集中,拉應(yīng)力集中主要發(fā)生在拱腳和拱頂；壓應(yīng)力集中主要發(fā)生在拱頂和邊墻、墻腳。因此,這些地方為支護結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),可能出現(xiàn)破壞截面。(2)隨著施工的推進,應(yīng)力一直在積累增加,同時發(fā)生最大(小)主應(yīng)力的位置在改變。最大主應(yīng)力集中由發(fā)生在拱腳變化為拱頂,即由下往上變化；最小主應(yīng)力集中發(fā)生的地方由拱頂?shù)竭厜υ俚綁δ_,即由上往下變化。(3)施工過程中,按等效方法考慮初支中鋼架作用,最大主應(yīng)力為4.92 MPa,最小主應(yīng)力為-24.04 MPa。

2.2 斷面位移場分布規(guī)律分析

隧道開挖斷面位移場分布見圖3。

圖3 隧道開挖斷面位移分布

由圖3可知：隧道周邊位移主要發(fā)生在拱頂和仰拱,最大值發(fā)生在仰拱中央。

2.3 圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律

隧道開挖斷面位移場分布見圖4。

圖4 圍巖塑性區(qū)分布

由圖4分析可以看出：

(1)洞周圍巖塑性區(qū)在起始開挖斷面呈現(xiàn)出蝶形,在拱腳和墻腳處的發(fā)展深度可達2 m左右,掌子面前方塑性區(qū)發(fā)展深度也在2 m左右。由于超前支護以及錨桿加固的作用,塑性區(qū)的發(fā)展深度不大,充分說明超前支護以及錨桿加固起到很好的加固圍巖的作用。

(2)塑性區(qū)呈從上到下增大的趨勢,拱部圍巖幾乎沒有塑性區(qū),仰拱處塑性區(qū)較深,這是由于沒有錨桿加固的原因造成的。

(3)隨著施工推進,研究斷面塑性區(qū)不斷擴大。在隧道貫通時,塑性區(qū)主要發(fā)生在研究斷面的仰拱處,最大4 m左右,邊墻以上幾乎沒有塑性區(qū)分布。

2.4 掌子面位移

掌子面水平位移大小反應(yīng)施工中圍巖的穩(wěn)定性和施工安全性。計算結(jié)果見圖5。

圖5 三臺階七步開挖法朝前推進不同深度時的掌子面位移

從圖5可以看出：(1)掌子面位移最大值發(fā)生在正面上臺階核心土處；(2)在掌子面推進不同深度時,掌子面最大位移變化不大,都在6 cm左右,平均掌子面位移為6.4 cm。

綜上對初支、圍巖塑性區(qū)和變形評價可知：張茅隧道開挖采用三臺階七步法能有效地控制沉降變形,隧道施工中可以保證安全作業(yè),實現(xiàn)快速施工。

3 施工工藝研究及要點

3.1 張茅隧道三臺階七步開挖法特點

大斷面隧道三臺階七步開挖法是以弧形導(dǎo)坑開挖留核心土為基本模式,分上、中、下3個臺階7個開挖面,適用于開挖斷面為100～180 m2,具備一定自穩(wěn)條件的Ⅳ、Ⅴ級圍巖地段隧道的施工。三臺階七步開挖法具有下列特點：(1)施工空間大,方便機械化施工,工效較高；(2)在地質(zhì)條件發(fā)生變化時,便于靈活、及時地轉(zhuǎn)換施工工序,調(diào)整施工方法；(3)適應(yīng)不同跨度和多種斷面形式,初期支護工序操作便捷；(4)預(yù)留核心土,左右錯開開挖,利于開挖工作面穩(wěn)定；(5)可盡快調(diào)整閉合時間。

三臺階七步開挖法施工步驟見圖6。

注：第1步,上部弧形導(dǎo)坑開挖；第2、3步,左、右側(cè)中臺階開挖；第4、5步,左、右側(cè)下臺階開挖；第6步,上、中、下臺階預(yù)留核心土；第7步,隧底開挖[2]。

3.2 施工工法注意事項

(1)應(yīng)將超前地質(zhì)預(yù)報納入施工工序,及時調(diào)整各步臺階長度或施工方法,采取相應(yīng)的技術(shù)措施,及早封閉成環(huán),保證施工安全；

(2)應(yīng)根據(jù)工程水文地質(zhì)條件,按設(shè)計要求做好超前支護,防止圍巖松弛,保證隧道開挖安全。在斷層、破碎帶、淺埋段等自穩(wěn)性較差或富水地層中,超前支護應(yīng)按設(shè)計要求進行加強。

(3)必須規(guī)范施工工藝、規(guī)范施工管理。臺階長度：上臺階3～5 m,中、下臺階4～6 m；臺階高度：上臺階不小于寬度的0.3倍,中、下臺階平均分配；臺階錯臺：2～3 m。

(4)上臺階進尺不宜大于0.8～1.0 m；中、下層臺階進尺不宜大于上臺階進尺的2倍,即1.5 m左右；仰拱一次開挖施做初支護的長度不宜大于上臺階一次進尺的3倍,即2～3 m。

(5)通過留核心土、開挖面初噴3～5 cm混凝土、設(shè)置超前小導(dǎo)管技術(shù)有效控制掌子面的穩(wěn)定；通過設(shè)置大拱腳、鎖腳錨桿技術(shù)控制整體沉降。

(6)施工中仰拱必須及時封閉,封閉距離為30～35 m,封閉時間宜控制在15d左右。

(7)完善洞內(nèi)洞外施工防排水系統(tǒng),防止洞內(nèi)水漫流。

4 結(jié)論

結(jié)合超大斷面黃土隧道的圍巖地質(zhì)條件及富水黃土的工程特性,通過對三臺階七步開挖在張茅隧道施工中施工過程力學(xué)分析和施工工藝的研究,提出了黃土隧道施工的新方法,并掌握了施工中的力學(xué)行為特點,實現(xiàn)了大斷面黃土隧道快速施工,施工進度達到70～75 m/月,降低了施工成本,在保障工期和安全施工上具備顯著的效益。

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