哈大客運專線筆架山隧道交叉中隔壁法施工方案改進分析

羅承平，宋 林，2，張叢峰，趙敏聰

(1．中鐵一局集團有限公司，陜西 西安 710054;2．西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055;3．中國中鐵航空港建設(shè)集團有限公司，北京 100093)

哈大客運專線筆架山隧道交叉中隔壁法施工方案改進分析

羅承平1，宋 林1，2，張叢峰1，趙敏聰3

(1．中鐵一局集團有限公司，陜西 西安 710054;2．西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055;3．中國中鐵航空港建設(shè)集團有限公司，北京 100093)

哈大客運專線筆架山淺埋大斷面隧道原定采用交叉中隔壁法(CRD法)施工，進度較慢，影響工期，為此提出改進措施，將中隔壁改為豎撐，臨時仰拱改為水平支撐，不噴射混凝土。對改進施工方案動態(tài)施工過程進行了有限元分析，考慮圍巖與結(jié)構(gòu)的相互作用和圍巖的彈塑性，分析了圍巖和支護結(jié)構(gòu)的變形和力學性能隨施工開挖過程的變化規(guī)律，并對圍巖、初支和二襯的狀態(tài)進行預測，進而指導施工。分析結(jié)果表明：筆架山隧道采用改進的CRD法施工方案安全合理，施工過程中圍巖基本穩(wěn)定，支護結(jié)構(gòu)安全。

隧道支護 改進CRD法 圍巖—結(jié)構(gòu)相互作用 數(shù)值仿真

1 工程概況

哈大客運專線筆架山隧道全長345 m(DK67+255—DK67+600)，開挖斷面面積達209 m2，最大埋深為31 m，穿越巖層為石英砂巖、泥頁巖，其中Ⅲ級圍巖159 m，Ⅳ級圍巖186 m，隧道按Ⅳ級圍巖防護。

隧道開挖原方案采用交叉中隔壁法(CRD)施工，如圖1(a)所示，采用該方案施工進度較慢，主要原因是該隧道屬于山嶺隧道，開挖需要爆破作業(yè)，使得整個施工環(huán)節(jié)屬于單工序作業(yè)，由此造成大量的人員、機械、設(shè)備處于閑置狀態(tài)，平均每月最多進尺30 m，嚴重影響施工進度。因此，對原方案進行了優(yōu)化，提出了改進的CRD施工方案，如圖1(b)所示，具體改進措施為:

1)中隔壁改為豎撐，初支工字鋼型號不變，取消噴射混凝土施工環(huán)節(jié)。

2)臨時仰拱改為水平支撐，不噴射混凝土，支撐鋼材由原設(shè)計的I20a改為I25a，并作好縱向連接。

施工工序如圖2所示。

圖1 隧道施工方案(單位:mm)

2 改進CRD法有限元分析

2.1 有限元模型

隧道開挖后對圍巖應力和應變的影響范圍一般在距隧道中心3～5倍開挖寬度內(nèi)。有限元模型范圍:橫向?qū)挾葹?02 m，高度為80 m，數(shù)值模擬時隧道最大埋深取31 m。

圖2 隧道開挖工序

數(shù)值仿真計算時，圍巖用平面Plane42單元模擬，圍巖采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系和Drucker-Prager(D-P模型);錨桿采用Link1單元模擬;初期支護混凝土和二襯混凝土均采用Plane42單元模擬;格柵鋼構(gòu)架采用Beam3梁單元模擬。邊界條件:模型兩側(cè)邊界施加水平方向(x方向)約束，模型底邊界施加豎直方向(y方向)約束。

2.2 材料參數(shù)

圍巖按Ⅳ級圍巖參數(shù)選取，支護設(shè)計參數(shù)依據(jù)設(shè)計文件選取，依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB 10003—2001)，圍巖及支護結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 圍巖及支護結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 時空效應

圍巖開挖后，巖體應力重新分布，為體現(xiàn)圍巖變形的時空效應，將圍巖地應力按照施工過程分為幾步逐步釋放。一般圍巖較好時，初期支護后應力釋放比例可大些，而二次襯砌后應力釋放比例可小些。根據(jù)本工程實際的圍巖情況，數(shù)值計算時，毛洞開挖釋放應力:初期支護后釋放應力:二次襯砌后釋放應力取為0.50∶0.25∶0.25。

3 計算結(jié)果分析

3.1 初始應力場模擬

筆架山隧道為淺埋隧道，開挖前的應力場僅考慮重力荷載。在y方向施加重力，僅產(chǎn)生豎向的變形和壓應力，經(jīng)計算地層最大豎向壓應力為1.7 MPa，變形整體趨勢向下，最大位移為22.5 mm。

3.2 圍巖和初支混凝土應力分析

計算結(jié)果表明，最大拉應力隨著開挖步的進行分別位于右拱墻(0.11 MPa)→拱頂(0.57 MPa)→拱頂(0.53 MPa)→拱底(1.21 MPa)。最大壓應力隨著開挖步的進行分別出現(xiàn)在右拱墻(－3.94 MPa)→右拱墻(－6.77 MPa)→左拱墻(－5.02 MPa)→拱底(－3.55 MPa)。應力以拉為正值，壓為負值。開挖過程中，隧道圍巖的最大拉應力主要出現(xiàn)在拱頂和拱底位置，最大壓應力主要出現(xiàn)在拱墻位置。壓應力最大值出現(xiàn)在第2步，拉應力最大值出現(xiàn)在第4步開挖過程中。右拱腰一直處于較大的壓應力區(qū)。

3.3 初支鋼拱架和錨桿內(nèi)力、變形分析

1)應力分析

上部開挖面(開挖面1和3)的錨桿均處于受拉狀態(tài)，錨桿最大拉應力出現(xiàn)在拱墻處，約8 kN。其次拱頂錨桿的拉應力區(qū)較大，值也較大。而下部開挖面處的錨桿大多處于受壓狀態(tài)。

中部鋼拱架的軸力最大，約360 kN;最大正彎矩在中部鋼拱架的下半部，最大值約21.68 kN·m;最大負彎矩在中部鋼拱架底端，最小值約 －42.36 kN·m;最大剪力在中部鋼拱架底端，最大值約147 kN。

初支在開挖過程中均處在安全工作狀態(tài)。下部開挖面的錨桿主要受壓，性能沒有得到很好的發(fā)揮。中部鋼拱架內(nèi)力較大，開挖過程中應預防中部鋼拱架失穩(wěn)，尤其是下半段鋼拱架。

2)變形分析

初支鋼拱架變形見表2，可見:初支最大變形發(fā)生在第4步底部鋼拱架處，變形約8.10 mm。隨著開挖步進行，初支變形最大位置分別位于右拱腰→拱頂→右拱腳→拱底。

表2 初支鋼拱架變形

3.4 二襯應力和變形分析

二襯大部分處于受壓狀態(tài)，局部出現(xiàn)拉應力，最大拉應力出現(xiàn)在拱底，約為1.5 MPa。最大壓應力出現(xiàn)在拱腳，為 －2.4 MPa。最大變形在拱頂，為1.3 mm。

4 結(jié)論

本文對哈大客運專線筆架山隧道考慮圍巖—結(jié)構(gòu)的相互作用和圍巖的彈塑性建立有限元模型，對改進CRD開挖方案進行了動態(tài)數(shù)值仿真模擬，結(jié)論如下:

1)開挖過程中，隧道圍巖的最大拉應力主要出現(xiàn)在拱頂和拱底，最大壓應力主要出現(xiàn)在拱墻。壓應力最大值出現(xiàn)在第2步開挖過程中，拉應力最大值出現(xiàn)在第4步開挖過程中。右拱腰一直處于較大的壓應力區(qū)。

2)初支在開挖過程中受力和變形均處在安全工作狀態(tài)。下部開挖面的錨桿主要受壓，性能沒有得到很好的發(fā)揮。中部鋼拱架內(nèi)力較大，開挖過程中應預防中部鋼拱架的失穩(wěn)，尤其是下半段鋼拱架。

3)二襯局部出現(xiàn)拉應力，最大拉應力出現(xiàn)在拱底，最大壓應力出現(xiàn)在拱腳，但均不大，可以作為隧道力學性能的安全儲備。

4)改進的CRD方案安全合理，施工開挖過程中圍巖穩(wěn)定，支護處于安全工作狀態(tài)。

［1］劉小軍，張永興．淺埋偏壓隧道洞口段合理開挖工序及受力特征分析［J］．巖石力學與工程學報，2011，30(增 1):3066-3073．

［2］王紹君，劉宗仁，陶夏新．淺埋暗挖隧道施工性態(tài)的數(shù)值模擬與分析［J］．土木工程學報，2007，40(6):75-79．

［3］徐明，謝永寧．盾構(gòu)隧道開挖三維數(shù)值模擬方法研究［J］．武漢理工大學學報，2012，34(2):65-68．

［4］韋秉旭，唐輝湘，陳尤．CRD法與上下臺階法在隧道開挖中效果對比及數(shù)值分析［J］．中外公路，31(4):192-196．

［5］中華人民共和國行業(yè)標準．TB 10003—2005 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

U455．41+1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．09．16

1003-1995(2013)09-0052-03

2013-05-21;

2013-07-06

鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目(2012G002-2)

羅承平(1963— )，男，湖南安鄉(xiāng)人，高級工程師。

(責任審編 李付軍)