包西鐵路洞子崖隧道斷層破碎帶淺埋偏壓段施工數值模擬分析

林 裕

(中鐵隧道勘測設計院有限公司廈門分公司,福建廈門 361003)

1 工程概況

包西鐵路洞子崖隧道位于澄城縣洞子崖村東南側,西延鐵路洞子崖車站左前方。隧道在洞子崖村附近DK683+062穿越一基巖山包后進入寬約130 m杜康溝斷層,然后再穿越砂巖夾頁巖層,最后在DK684+385出洞。隧道全長1323 m,為雙線隧道。地貌上屬黃土梁峁區,地形起伏較大,最大埋深104 m,在DK683+955處埋深僅為18 m,屬淺埋偏壓段。隧道最大開挖高度為12.1 m,最大寬度為14.7 m,最大開挖面積為143.65 m2,屬于大斷面淺埋偏壓隧道。通過使用Flac5.0數值分析軟件,針對不良地質條件下,淺埋偏壓、大斷面客運專線隧道的具體特點,模擬實際開挖情況,開展大斷面隧道施工方法研究,將計算模擬結果用于指導大斷面鐵路隧道的開挖施工。

1.1 工程地質

洞子崖隧道所處地層主要為第四系全新統風積黏質黃土和碎石土、第四系上更新統風積黏質黃土、二疊系中統/下統砂巖夾頁巖。碎裂巖分布于DK683+940～DK684+070(杜康溝斷層)段,未見出露,紫紅色、淺灰色,巖體多為碎塊狀,裂隙發育,裂隙間有少量泥質充填。杜康溝斷層為隱伏逆斷層,斷層產狀N60°E/84°S,斷層走向與線路近正交。巖層的斷裂破碎程度由北向南而遞增,小的斷裂構造較為發育,致使下部煤層縱橫錯斷呈不連續狀。

1.2 水文地質

洞子崖隧道在DK683+938～DK684+004段水文條件如下：

(1)本段地表水主要為雨季地表漫流及溝內流水,溝內屬間歇性流水,水量隨季節變化較大,冬季多干涸,水質對圬工無侵蝕性；

(2)地下水主要為基巖裂隙水及層間水,由于砂巖為弱透水層,頁巖為相對隔水層,地下水多沿頁巖層流動、滲出,在杜康溝斷層段較豐富,水質良好,對圬工無侵蝕性。斷層帶中含水量不大,但不排除局部變大的可能性,洞子崖隧道地質平面見圖1。

圖1 洞子崖隧道地質平面

2 淺埋、偏壓斷層破碎段各施工方法效應比選數值模擬

2.1 模型的建立

數值模擬計算采用flac5.0有限差分數值計算軟件,模型大小為水平方向90 m、垂直方向為坡腳以下36 m,地面坡度為1∶5,地應力場為自重應力場。邊界條件為左右邊界水平約束、下邊界垂直方向約束、地表為自由面。隧道開挖過程中的初期支護采用錨噴支護技術,數值模擬為liner單元模擬噴混和cable單元模擬錨桿單元,原設計的開挖方式為三臺階預留核心土法,在實際施工中該淺埋偏壓破碎段采用雙側壁導坑法。施工方案比選數值模擬為：

(1)三臺階預留核心土法、CRD法、雙側壁導坑法3種工法比選。

(2)雙側壁導坑法施工順序的比選：先開挖埋深較淺導坑和先開挖埋深較大導坑2種情況。

隧道計算模型擬采用的3種開挖法簡圖見圖2,計算模型網格劃分如圖3所示。

圖2 3種開挖工法簡圖

圖3 模型網格劃分

2.2 參數的選取

平面數值模擬計算所采用的計算參數見表1,初期支護采用C25噴射混凝土、鋼筋網、錨桿、鋼架采用型鋼拱架,其具體的材料及設置位置見表2。超前加固采用雙層小導管注漿加固,計算中將超前注漿加固措施簡化為加固圈進行數值計算模擬。

表1 圍巖物理力學參數

表2 隧道初期支護參數

2.3 計算結果及分析

2.3.1 雙側壁導坑法與其他工法比選數值模擬

針對本工程特點,在斷層破碎帶圍巖下對臺階環形開挖預留核心土法、CRD法、雙側壁導坑法3種可能的開挖方法進行數值模擬,比選一種最優工法。

數值模擬計算結果對比見表3,3種工法豎向位移云圖、水平位移云圖和地表沉降曲線如圖4、圖5、圖6所示。

表3 雙側壁導坑法不同開挖順序計算結果對比分析

圖4 3種開挖工法豎向位移云圖

圖5 3種開挖工法水平位移云圖

圖6 3種開挖方法的地表沉降曲線

由表3和圖6可得：

(1)拱頂位移：三臺階預留核心土(291.8 mm)>CRD法(112.5 mm)>雙側壁導坑法(104.1 mm)。

(2)最大地表沉降值比較：三臺階預留核心土(236.9 mm)>CRD法(72.7 mm)>雙側壁導坑法(64.91 mm),

(3)最大水平位移：左邊墻為三臺階預留核心土(191.1 mm)>雙側壁導坑法(132.4 mm)>CRD法(76 mm)；右邊墻：為三臺階預留核心土(153.2 mm)>雙側壁導坑法(85.2 mm)>CRD法(67.4 mm)

(4)塑性區分布：三臺階預留核心土法開挖的塑性區達到地表,整個塑性區最大,其次是CRD法,在兩拱腳處有很深的塑性區,相比雙側壁導坑法塑性區最小,分布較均勻,在隧道周邊一定范圍內。

綜上所述,在淺埋、偏壓破碎帶采用雙側壁導坑法在控制地表和拱頂沉降方面,優于三臺階預留核心土和CRD法,而且其初支軸力、彎矩均能小于混凝土的要求。故在淺埋、偏壓破碎帶采用雙側壁導坑法施工是有效的施工方案。

針對本隧道工程的特點,并根據模擬計算結果和以往工程經驗,臺階法、CRD法和雙側壁導坑法的綜合比較結果詳見表4。

表4 淺埋偏壓段3種工法綜合對比

從3種工法的對比結果可以看出,對于本工程淺埋偏壓段采用雙側壁導坑法施工較為合理。對原設計的三臺階法無法保障開挖的安全性,根據雙側壁導坑法的適用條件,在Ⅴ級軟弱圍巖中采用雙側壁導坑法施工時,需根據實際情況選擇系列配套輔助措施加強,如超前小導管注漿、加長錨桿、加強支護等,并嚴格遵循“短進尺、弱爆破、早封閉、勤量測”的施工原則,及時根據量測信息高速設計施工參數，保證淺埋偏壓段的安全施工。

2.3.2 雙側壁導坑法開挖順序模擬計算結果分析

雙側壁導坑法開挖順序計算分兩種開挖順序分別計算。

(1)先左導洞后右導洞實施順序: ①→②→③→④→⑤→⑥→⑦→⑧→⑨。

(2)先右導洞后左導洞實施順序: ③→④→①→②→⑥→⑤→⑦→⑧→⑨。

2種情況的計算沉降結果比較見表5,豎向位移云圖、水平位移云圖和地表沉降曲線分別見圖7、圖8、圖9所示。

表5 雙側壁導坑法不同開挖順序計算結果對比分析

圖7 兩種開挖順序豎向位移云圖

圖8 兩種開挖順序水平位移云圖

圖9 2種開挖順序地表沉降曲線

由表5和圖7～圖9可得：

(1)拱頂位移相差不大,但先開挖左導洞拱頂附近沉降向左側偏移較先開挖右導洞明顯；

(2)地表沉降相差不大,都是在淺埋側沉降大于深埋側,最大沉降在65 mm左右；

(3) 先左洞后右洞開挖最大水平位移在右洞邊墻,最大位移為110.5 mm；先右洞后左洞開挖最大水平位移在左洞邊墻,最大位移為132.4 mm；

(4)2種開挖順序對軸力的影響不是很大,都小于混凝土抗拉要求。

綜上可見,雙側壁導坑法先開挖淺埋側,優于先開挖深埋側,本工程為先開挖右導洞優于先開挖左導洞。

3 結論

通過對淺埋偏壓大斷面隧道的各種施工方法的數值模擬,計算他們的開挖效應,綜合比選淺埋偏壓段的最佳施工方法,得到如下結論。

(1)對于淺埋偏壓大斷面隧道,當地質條件較差,本工程為斷層破碎帶,采用三臺階預留核心土法、CRD法和雙側壁導坑法3種工法比選得到：在控制沉降方面,雙側壁導坑法明顯優于其他兩者,初支受力均滿足混凝土要求,由于采用沉降控制指標是本工程的關鍵,故采用雙側壁導坑法較為合理。

(2)雙側壁導坑法不同開挖順序模擬可見,雙側壁導坑法先開挖淺埋側,優于先開挖深埋側,本工程為先開挖右導洞優于先開挖左導洞。

綜上所述比較可見,在隧道淺埋、偏壓破碎帶,采用雙側壁導坑法在控制地表和拱頂沉降方面,優于三臺階預留核心土(236.9 mm)和CRD法,而且其初支軸力、彎矩均能滿足混凝土的要求。洞子崖隧道DK683+938～DK684+004段施工過程中采用雙側壁導坑法有效地控制了地表沉降及拱頂下沉,并順利完成了該段隧道的施工。

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