李 波，宋 冶，師亞龍，劉志強(qiáng)

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都 611731)

0 引言

高速鐵路黃土隧道不僅存在著跨徑大、斷面大等設(shè)計(jì)特點(diǎn)，而且還存在圍巖強(qiáng)度低、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變、圍巖開(kāi)挖變形量大等施工困難，尤其是在開(kāi)挖后受到變形控制等因素影響，施工難度很大［1－2］。張英才等［3］通過(guò)對(duì)優(yōu)化后的大斷面黃土隧道開(kāi)挖工法進(jìn)行仿真計(jì)算，研究了隧道開(kāi)挖工法CRD法、短臺(tái)階七步法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在進(jìn)度指標(biāo)、下沉量、施工工序、資源配置、施工風(fēng)險(xiǎn)、施工成本等方面的定性和定量指標(biāo)，提出了優(yōu)化后各工法的適應(yīng)范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。沈衛(wèi)平［4］對(duì)淺埋黃土隧道施工方案及施工中突出的技術(shù)問(wèn)題、支護(hù)與土體間接觸應(yīng)力分布規(guī)律及引起結(jié)構(gòu)變形原因進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析和探討。程選生等［5］通過(guò)利用有限元數(shù)值模擬對(duì)隧道開(kāi)挖的6種工法進(jìn)行分析研究，通過(guò)對(duì)圍巖控制點(diǎn)位移的對(duì)比分析認(rèn)為:對(duì)于超大斷面黃土隧道的施工，CRD法為最優(yōu)施工方法;施工中加臨時(shí)支撐時(shí)，中部臨時(shí)支撐對(duì)于圍巖穩(wěn)定性具有較大影響，臨時(shí)支撐拆除前后隧道圍巖的塑性等效應(yīng)變均增加了約20%。文獻(xiàn)［6－11］亦對(duì)大斷面隧道開(kāi)挖方法進(jìn)行了相應(yīng)的研究。然而，目前這些研究多以理論分析及數(shù)值模擬展開(kāi)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)較少。本文通過(guò)鄭西客專(zhuān)大斷面黃土隧道大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)不同工法開(kāi)挖下，隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性及變形特征進(jìn)行綜合對(duì)比分析，提出針對(duì)不同黃土圍巖條件所適用的相應(yīng)工法。

1 工程概況

鄭西客運(yùn)專(zhuān)線位于黃河中游黃土地區(qū)，沿線80%區(qū)段為黃土覆蓋，沿線隧道共計(jì)38座，其中黃土隧道20座，占全線隧道總長(zhǎng)的69%，具有斷面大(其開(kāi)挖面積較以往黃土隧道大幅度提高至164～171 m2，開(kāi)挖寬度和高度分別達(dá)到15 m和13 m)以及埋深變化大(最小埋深約10 m，小于1倍隧道開(kāi)挖寬度，最大埋深超過(guò)200 m)的特點(diǎn)。鄭西客運(yùn)專(zhuān)線大斷面黃土隧道分別采用側(cè)壁導(dǎo)坑法(雙側(cè)壁、CRD和CD)和留核心土臺(tái)階法(單層支護(hù)和雙層支護(hù))等多種施工方法。

2 5種工法力學(xué)特性及變形特征

在大斷面隧道施工中，作為圍巖穩(wěn)定性判據(jù)的主要技術(shù)指標(biāo)有:圍巖的變形特征(水平收斂、拱頂沉降)、支護(hù)受力特性(型鋼應(yīng)力、錨桿拉力等)及圍巖壓力3方面。通過(guò)對(duì)這3技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析研究，可直接反映隧道開(kāi)挖后圍巖穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)。及時(shí)研究各項(xiàng)施工信息，據(jù)此進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，以達(dá)到安全施工的目的?；诖耍瑥?方面對(duì)這5種工法的力學(xué)特性及圍巖變形特征進(jìn)行對(duì)比分析研究。不同工法施工過(guò)程的影響對(duì)數(shù)值的絕對(duì)值有影響，但對(duì)工法的橫向比較影響不大，因而文中未考慮施工過(guò)程的影響。

2.1 圍巖變形特征

1)凈空位移中垂直位移顯著。鄭西客專(zhuān)大斷面黃土隧道凈空位移具有顯著的垂直位移的特性。測(cè)試顯示，5種工法下的拱部下沉與水平收斂之比普遍在1以上，如圖1所示。其中，臺(tái)階法拱部下沉尤為突出，尤其是淺埋處。

由圖1可以看出，不論是單層還是雙層支護(hù)，臺(tái)階法凈空位移特性與埋深之間均呈現(xiàn)出較為顯著的負(fù)相關(guān)性。尤其當(dāng)埋深小于1倍隧道開(kāi)挖寬度時(shí)，該比值可達(dá)到4以上，拱部下沉隨埋深變化的特征十分突出。相對(duì)于臺(tái)階法，雙側(cè)壁、CRD和CD法在相同埋深條件下的拱部下沉與水平收斂之比則要小得多，一般在0.9～1.3，平均為1.1。

同時(shí)，臺(tái)階法拱腳下沉的特征顯著。圖2為臺(tái)階法按拱腳下沉與拱頂下沉之比統(tǒng)計(jì)的拱部下沉特性及與埋深的關(guān)系?？梢钥闯?，不論是單層還是雙層支護(hù)，臺(tái)階法拱部下沉特性與埋深之間均呈顯著的正相關(guān)性，顯示出十分顯著的拱腳下沉特征。因此，大斷面黃土隧道采用臺(tái)階法施工時(shí)應(yīng)特別重視加強(qiáng)拱腳的承載力，并應(yīng)對(duì)拱腳下沉進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖1 鄭西客專(zhuān)大斷面黃土隧道5種工法凈空位移隨埋深變化的特性Fig.1 Clearance displacement Vs depth of loess tunnel on Zhengzhou-Xi’an passenger-dedicated line constructed by 5 different construction methods

圖2 鄭西客專(zhuān)大斷面黃土隧道臺(tái)階法拱部下沉隨埋深變化的特性Fig.2 Arch subsidence Vs depth of loess tunnel on Zhengzhou-Xi’an passenger-dedicated line constructed by bench method

2)凈空位移受支護(hù)封閉尤其是封閉距離的影響顯著。支護(hù)是否封閉以及封閉時(shí)與掌子面的距離對(duì)黃土隧道凈空位移影響十分顯著。測(cè)試顯示，鄭西客專(zhuān)大斷面黃土隧道凈空位移主要發(fā)生在支護(hù)封閉前，而凈空位移則和封閉與掌子面的距離有關(guān)。

圖3為秦東、潼洛川和高橋隧道臺(tái)階法試驗(yàn)段設(shè)大拱腳情況下拱部下沉最大值分別與仰拱封閉距離和時(shí)間因素之間相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(其中雙層支護(hù)限于二層落后一層1榀的情況)?？梢钥闯觯_(tái)階法不論單層還是雙層支護(hù)，拱部下沉最大值與仰拱封閉距離均具有顯著的正相關(guān)性。該結(jié)果表明，大斷面黃土隧道支護(hù)封閉的空間效應(yīng)顯著。因此對(duì)于臺(tái)階法，仰拱及時(shí)封閉能夠更好地控制拱部下沉。

圖3 3座隧道臺(tái)階法拱部下沉與仰拱封閉相關(guān)性統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 Relationship between arch subsidence and invert closure of 3 tunnels constructed by bench method

試驗(yàn)顯示，對(duì)于雙側(cè)壁和CRD，支護(hù)封閉的意義主要體現(xiàn)在兩側(cè)導(dǎo)坑的橫撐是否及時(shí)架設(shè)，尤其是先行導(dǎo)坑橫撐的架設(shè)。對(duì)于CD沒(méi)有橫撐，其支護(hù)封閉的意義則在于先行導(dǎo)坑仰拱是否及時(shí)封閉。

3)凈空位移受支護(hù)剛度影響顯著。對(duì)比淺埋新黃土條件下不同支護(hù)剛度工法的拱部下沉，如圖4所示?？梢钥闯?，整體支護(hù)剛度較大的雙層支護(hù)臺(tái)階法以及雙側(cè)壁的拱部下沉均明顯小于整體支護(hù)剛度較小的單層支護(hù)臺(tái)階法。

圖4 不同支護(hù)剛度工法拱部下沉對(duì)比(以基準(zhǔn)工況為1)Fig.4 Arch subsidence under different support rigidity and different construction methods(with the standard case as 1)

4)拆撐對(duì)凈空位移的影響。對(duì)于側(cè)壁導(dǎo)坑法，一次拆撐過(guò)長(zhǎng)、襯砌施作滯后，將引起較大拱部下沉。秦東和潼洛川隧道的實(shí)踐顯示(如表1所示)，一次拆撐長(zhǎng)度≤0.5B(隧道開(kāi)挖寬度)時(shí)，拱部下沉增量比例＜10%;一次拆撐長(zhǎng)度＞1B時(shí)，拱部下沉增量將達(dá)到拆撐前拱部下沉總量的35%，這也超出規(guī)范許可范圍，因此施工中應(yīng)嚴(yán)格控制拆撐長(zhǎng)度。

表1 一次拆撐長(zhǎng)度對(duì)拱部下沉影響的統(tǒng)計(jì)Table 1 Influence of one-time support-dismantling length on arch subsidence

5)地表沉降控制效果。表2為不同工法開(kāi)挖下地表沉降的實(shí)測(cè)結(jié)果。針對(duì)淺埋新黃土地表沉降，鄭西客專(zhuān)秦東和高橋隧道的實(shí)踐顯示:埋深10 m左右(＜1倍開(kāi)挖寬度)時(shí)雙層支護(hù)臺(tái)階法可控制在135 mm水平(包括地層重固結(jié)壓縮沉降);埋深15 m左右(1倍開(kāi)挖寬度)時(shí)雙側(cè)壁可控制在60 mm以下;埋深30 m左右(2倍開(kāi)挖寬度)時(shí)留核心土臺(tái)階法可控制在110～170 mm(前者有大拱腳，后者無(wú)大拱腳)。同時(shí)，借鑒寶蘭鐵路二線新曲兒岔雙線黃土隧道下穿既有隴海鐵路的經(jīng)驗(yàn)［8］，在埋深25 m(接近2倍開(kāi)挖寬度)的新黃土中，采用CRD可控制地表沉降在80～140 mm。相對(duì)而言，雙側(cè)壁具有優(yōu)異的控制地表沉降能力。但對(duì)于特淺埋新黃土地層，應(yīng)考慮地層的重固結(jié)壓縮沉降。

綜上，在黃土尤其是淺埋新黃土圍巖變形的控制效果上，雙層支護(hù)＞單層支護(hù)，雙側(cè)壁＞CRD＞臺(tái)階法。在凈空位移尤其是拱部下沉量級(jí)上，鄭西客專(zhuān)大斷面黃土隧道顯著大于一般圍巖鐵路雙線隧道，因此TB 10003—2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的初期支護(hù)極限相對(duì)位移并不適用于該工程大斷面黃土隧道穩(wěn)定性判別。

2.2 支護(hù)受力特性

表3為5種工法開(kāi)挖階段型鋼噴錨組合支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力實(shí)測(cè)最大值的匯總結(jié)果。試驗(yàn)顯示，大斷面黃土隧道采用型鋼噴錨組合支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，具有型鋼顯著承壓而錨桿受力較小的受力特性。

其中，雙側(cè)壁、CRD、CD和留核心土臺(tái)階法初期支護(hù)型鋼均受壓顯著，尤其在仰拱以上部位。相對(duì)于雙側(cè)壁、CRD、CD和留核心土臺(tái)階法，雙層支護(hù)臺(tái)階法提拱了一種強(qiáng)度和剛度更大的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，其實(shí)測(cè)外層型鋼應(yīng)力僅為其他4種工法下初期支護(hù)型鋼應(yīng)力的50%或更小，顯然此時(shí)結(jié)構(gòu)要以剛度控制為主要目的。

表2 雙側(cè)壁、CRD與臺(tái)階法在淺埋新黃土中控制地表沉降的實(shí)測(cè)效果Table 2 Effect of ground surface settlement of shallow-buried new loess tunnels constructed by double-side drift method，CRD method and bench method

表3 5種工法開(kāi)挖階段支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力實(shí)測(cè)最大值匯總表Table 3 Maximum stress of support structure of tunnels constructed by 5 different construction methods

綜上，在支護(hù)型鋼受力大小上，單層支護(hù)＞雙層支護(hù)，臺(tái)階法＞CD＞CRD＞雙側(cè)壁?？傮w上，鄭西客專(zhuān)大斷面黃土隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)在受力上呈顯著受壓狀態(tài)(限于單層支護(hù))，尤其是仰拱以上部位。在側(cè)壁導(dǎo)坑法中，中壁受力最顯著，且呈明顯壓彎狀態(tài)。

2.3 圍巖壓力

1)圍巖壓力分布特性。測(cè)試顯示，鄭西客專(zhuān)大斷面黃土隧道圍巖壓力具有如下分布特性:①仰拱和墻腳圍巖壓力最大;②邊墻范圍水平側(cè)向壓力則主要有3種分布形式，即A型在淺埋新、老黃土中均有出現(xiàn)，B型出現(xiàn)于淺埋新黃土(尤其是下穿段雙層支護(hù)臺(tái)階法)，C型出現(xiàn)于深埋老黃土;③拱部垂直壓力中一般拱腰較大，但在特淺埋處，拱頂壓力較大。對(duì)應(yīng)于邊墻側(cè)壓力3種分布形式，拱部垂直壓力也有3種分布形式，如圖5所示。

2)襯砌接觸壓力特性。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，鄭西客專(zhuān)大斷面黃土隧道在襯砌施作1～2年后的接觸壓力如圖6所示(分別按支護(hù)類(lèi)型和埋深統(tǒng)計(jì))?？梢钥闯?，單層支護(hù)結(jié)構(gòu)的接觸壓力平均為圍巖壓力的50%，而雙層支護(hù)結(jié)構(gòu)的接觸壓力明顯小得多，平均只有圍巖壓力的30%。

圖5 鄭西客專(zhuān)大斷面黃土隧道黃土圍巖壓力分布形式統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.5 Distribution of surrounding rock pressure of large crosssection loess tunnels on Zhengzhou-Xi’an passenger-dedicated line

3 工法適用性分析及評(píng)價(jià)

綜上分析，按照圍巖分級(jí)、埋深，提出5種試驗(yàn)工法的適用性，如表4所示。試驗(yàn)表明，臺(tái)階法的適用范圍可擴(kuò)大至Ⅴ級(jí)新黃土圍巖，尤其是高橋隧道的實(shí)踐，為淺埋大斷面新黃土隧道采用臺(tái)階法施工提供了成功經(jīng)驗(yàn)。其中，采用留核心土臺(tái)階法解決開(kāi)挖面積達(dá)164 m2、埋深30 m(約2倍隧道開(kāi)挖寬度)的淺埋大斷面新黃土隧道的施工，對(duì)應(yīng)用臺(tái)階法控制黃土隧道拱部地層沉降具有重要意義。

圖6 施作襯砌1～2年后接觸壓力統(tǒng)計(jì)圖Fig.6 Contact pressure measured 1 to 2 years after installation of secondary lining

表4 5種工法適用性(按圍巖分級(jí))Table 4 Applicability of 5 construction methods(according to surrounding rock classification)

4 結(jié)論與討論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)行了鄭西客專(zhuān)大斷面黃土隧道5種工法的變性特征與力學(xué)特性研究，主要結(jié)論如下。

1)大斷面黃土隧道凈空位移中垂直位移顯著，并顯著大于鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范給出的沉降極限值，尤其臺(tái)階法拱部整體下沉特征顯著。

2)凈空位移受支護(hù)封閉即封閉距離的影響顯著，支護(hù)封閉應(yīng)盡量靠近掌子面進(jìn)行。

3)凈空位移受支護(hù)剛度影響顯著，整體支護(hù)剛度較大的工法其凈空位移較小。

4)大斷面黃土隧道采用型鋼噴錨組合支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，具有型鋼顯著承壓而錨桿受力較小的受力特性，尤其是拱部錨桿基本不受(拉)力。雙層支護(hù)提拱了一種強(qiáng)度和剛度更大的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，受力顯著小于單層支護(hù)。

5)在試驗(yàn)工法力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，按照圍巖分級(jí)、埋深提出5種工法的適用性，臺(tái)階法的適用范圍可擴(kuò)大至Ⅴ級(jí)新黃土圍巖，采用留核心土臺(tái)階法成功解決開(kāi)挖面積達(dá)164 m2、埋深30 m的淺埋大斷面新黃土隧道的施工。

本文研究側(cè)重于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)黃土變形機(jī)制的研究尚未涉及，且研究分析并未考慮施工工序和施工過(guò)程的影響，故對(duì)于指導(dǎo)施工仍有一定的局限性，而針對(duì)黃土隧道的變形控制及受力分析，仍需進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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