高速鐵路隧道洞口淺埋偏壓段開挖方法優選

朱小鵬

(中鐵二十五局集團有限公司第二工程公司，湖南衡陽 421000)

隧道洞口淺埋偏壓段開挖、支護過程中圍巖松弛和坡體形變是一個動態變化的過程，影響因素多且作用機理非常復雜。采用純理論方法或模型試驗方法對該過程進行定性和定量描述非常困難，而數值模擬分析方法可以動態模擬隧道洞口淺埋偏壓段周邊圍巖和坡體在不同開挖方法下的變形并進行分析，進而對比優選出最優施工開挖和支護方案。

依托工程觀音山隧道所處圍巖等級多以Ⅳ、Ⅴ級為主，巖層較破碎，風化較為嚴重，巖性較差，承載自穩性能較低。隧道洞口淺埋偏壓段經風險評估后均劃分為高度風險等級。為此，本文采用數值分析方法分析不同開挖和支護方案下隧道圍巖變形、應力、塑性區的變化規律，在此基礎上進行技術經濟比較，進而確定較優施工開挖和支護方案，以期有效指導工程實踐。

同時，為了解圍巖穩定狀態和支護、襯砌可靠程度，確保施工安全及結構的長期穩定性，并驗證支護結構效果，確定支護參數，通過現場監控量測資料準確獲得圍巖和坡體變形狀態，并將其與數值計算結果對比分析。

1 工程概況

觀音山隧道全長1165 m，主要通過丘陵區，局部為丘間谷地，地形起伏較大，隧道最大埋深約70 m。依據沿線構造地質特征綜合測繪、物探、鉆探結果，觀音山隧道洞口淺埋偏壓段圍巖級別及工程地質特征為:隧道進口段自然坡度5°～15°，局部超過30°，地勢平緩，坡體較穩定;Ⅴ級圍巖，表層為第四系殘坡積角礫土，稍密～中密，厚6～8 m;下伏石炭系下統大唐階灰巖，青灰色，弱風化，隱晶質結構，中厚層狀構造，間夾炭質灰巖，節理裂隙發育，巖溶發育。

依據原鐵道部文件《關于鐵路高風險隧道安全管理工作的實施意見》(工管質[2011]36號)、《鐵路隧道風險評估與管理暫行規定》(鐵建設[2007]200號)的要求，對觀音山隧道洞口淺埋偏壓段開展了風險評估。觀音山隧道洞口淺埋偏壓段地質條件復雜，巖層較破碎，風化較為嚴重，巖性較差，承載自穩性能較低。此外，部分隧道深埋較大的斷層帶和可溶巖與非可溶巖的接觸帶構造裂隙發育，為較好的儲水構造，地下水量較豐富，遇暴雨等強不利天氣因素可能導致災害發生。該隧道埋深較淺坍塌冒頂風險等級為高度，易產生塌方事故。因而分析不同支護設計和施工方案的安全性顯得尤為重要。

2 模型的建立及參數選取

2.1 數值模型的建立

從施工造價及施工速度考慮，施工方法的選擇順序為:全斷面法→臺階法→環形開挖預留核心土法→中隔壁法(CD法)→交叉中壁法(CRD法)→雙側壁導坑法。從施工安全角度考慮，其選擇順序應反過來。如何正確選擇，應根據實際情況綜合考慮，但必須符合安全、快速、質量和環保的要求，達到規避風險、加快進度和節約投資的目的。淺埋、偏壓段隧道地質條件差，安全因素在選擇施工方法中起主導作用。以下就工程實際中常用的二臺階法、三臺階法、三臺階預留核心土法、CD法進行對比分析。

數值計算采用大型通用有限元計算軟件ABAQUS，模型范圍取水平方向120 m，垂直方向至隧道以下50 m。地表坡度與實際坡度相同，地應力場為自重應力場。邊界條件為:左右邊界水平約束、下邊界垂直約束、地表為自由面。圍巖視為摩爾—庫倫理想彈塑性材料。初期支護視為理想彈性材料。數值計算過程中各部分圍巖壓力在開挖過程時釋放40%，支護后釋放剩下的60%。

2.2 參數的選取

巖土體物理力學參數選取參照現場、室內試驗，并結合《鐵路隧道設計規范》(TB 10003—2005)中對各類隧道圍巖的建議綜合選取。巖土體、襯砌物理力學參數取值如表1所示。

表1 圍巖及初期支護的物理力學參數

3 數值模擬結果與分析

模擬計算結果中，應力結果正值表示拉應力，負值表示壓應力;豎向位移垂直向上為正，垂直向下為負;水平位移向右為正，向左為負。

3.1 初始應力場分析

巖體初始地應力場與開挖后的應力重分布和應力集中效應有著密切的聯系，同時也對施工開挖后巖體變形破壞有著較為重要的影響。因此，研究坡體初始地應力場，對于分析隧道開挖圍巖—邊坡體系應力場和變形破壞具有重要意義。坡體初始地應力場分布如圖1所示。最大主應力和最小主應力均表現出受重力場影響的特征，其量值總體上隨深度的增加而逐漸增大。主應力分布比較均勻，表現為壓應力，未出現拉應力，坡體處于穩定狀態。

圖1 天然狀態下主應力分布云圖(單位:Pa)

3.2 開挖后應力、變形特征分析

3.2.1 圍巖應力分布特征分析

隧道開挖完成之后隧道圍巖應力呈明顯的偏壓狀態，隧道左側圍巖最大、最小主應力明顯高于右側圍巖，這是受開挖卸荷不均及地形偏壓的影響造成的。應力變化較大的區域主要集中在拱頂、拱底、邊墻區域，拱頂和拱底區域主要表現為應力松弛。采用CD法施工拱頂和拱底區域應力變化相對最小，三臺階預留核心土法次之(圖2)，二臺階法最差。

圖2 三臺階預留核心土法主應力云圖(單位:Pa)

為了進一步分析淺埋偏壓隧道圍巖應力隨施工開挖的變化過程，對隧道拱頂、左右側拱腰等關鍵部位圍巖應力進行追蹤，結果見圖3。可知，兩側拱腰圍巖應力特征主要表現為:左側拱腰圍巖應力受開挖的影響較大，而右側拱腰受開挖影響較小。左側拱腰圍巖應力變化主要集中在各施工方法的第一部分開挖結束之前的幾個施工階段。開挖后，兩側拱腰最大主應力量值增大，最小主應力量值減小。拱頂圍巖應力表現為主應力量值隨開挖減小，由于支護及時起作用，拱頂均未出現拉應力。對比分析可以看出:采用CD法施工拱頂和兩側拱腰應力變化相對最小，三臺階預留核心土法次之，二臺階法最差。

圖3 不同開挖方法關鍵部位主應力變化特征

3.2.2 位移場特征分析

1)拱頂位移特征分析

圖4 拱頂位移變化曲線

圖4為不同開挖方法下隧道拱頂隨開挖進程的位移特征曲線。由圖4(a)可知，受淺埋偏壓隧道—邊坡特殊體系的影響，隧道開挖后自穩能力較差，開挖后拱頂變形較大。由圖4(b)可知，采用不同施工方法，對隧道拱頂的沉降控制有很大影響。采用二臺階法隧道拱頂沉降最大，位移達15.1 cm;三臺階法次之，位移為12.7 cm;三臺階預留核心土法與CD法拱頂沉降最大值相近，約8.6 cm，僅為二臺階法的57%。由圖4(c)可知，受淺埋偏壓隧道—邊坡特殊體系的影響，隧道拱頂出現較大水平位移，各施工方法結束后水平位移約占總位移的25%。對比分析可見，三臺階預留核心土法與CD法對于控制隧道拱頂沉降優于其余兩種方法。

2)圍巖位移分布特征

圖5 三臺階預留核心土法位移分布云圖(單位:m)

計算得到各施工方法結束后的豎向位移和水平位移分布云圖，其中三臺階預留核心土法位移分布云圖如圖5所示。由圖可以看出淺埋偏壓隧道圍巖變形受地形偏壓影響明顯，開挖后圍巖豎向位移和水平位移量值均較大。圍巖豎向位移主要集中在拱頂以上和仰 拱以下的豎直區域，受隧道開挖卸荷回彈的影響，以隧道拱腳為分界線，向上為沉降變形區域，向下為隆起回彈區域。受偏壓初始地應力場的影響，沉降變形區域偏向深埋側，而回彈隆起區域偏向淺埋側。水平位移受偏壓初始地應力場的影響較大，變形主要集中在隧道拱頂以上區域和右側拱腰區域。隧道開挖后，邊坡穩定性變差，隧道拱頂以上區域和右側拱腰區域均產生向右的位移。

3)邊坡位移分布特征

四種施工方法引起的地表沉降曲線對比如圖6所示。可知:二臺階法、三臺階法、三臺階預留核心土法、CD法施工引起的地表沉降最大值分別為11.7，10.0，6.9，5.4 cm。從地表沉降來看，采用二臺階法和三臺階法地表沉降太大，無法滿足要求，采用三臺階預留核心土法和CD法能有效減小地表沉降。

圖6 四種施工方案的地表沉降曲線

3.2.3 塑性區特征分析

計算結果表明，二臺階法塑性區主要分布在淺埋側拱腰和深埋側拱肩上方。隧道圍巖塑性區分布特征與圍巖變形方式相關，淺埋側圍巖由于自穩能力較差，開挖后發生卸荷松弛變形導致圍巖受拉破壞，而深埋側拱肩處存在回填土與基巖的交界面，隨著隧道的開挖，上方較弱巖土沿交界面向下剪出變形，因而深埋側拱肩上方圍巖表現為剪切破壞。三臺階法、三臺階預留核心土法和CD法完成隧道開挖后的圍巖塑性區主要位于淺埋側，而由于開挖方法合理，支護施加及時，三臺階預留核心土法和CD法施工結束后塑性區范圍最小。

3.2.4 開挖方法選取

數值分析方法動態模擬結果表明，三臺階預留核心土法和CD法均能夠較好地保證隧道洞口偏壓淺埋段的施工穩定性，但三臺階預留核心土法施工方法相對更為簡便快速，施工造價相對較低，因而經濟可行的較優施工開挖方法為三臺階預留核心土法。

4 淺埋偏壓段隧道施工現場監測方案

在隧道施工過程中，監控量測可為調整支護參數和施工方法提供依據。監控量測的主要目的在于了解圍巖穩定狀態和支護、襯砌可靠程度，確保施工安全及結構的長期穩定性，并驗證支護結構效果，確定支護參數。隧道監控量測應按照《鐵路隧道監控量測技術規程》(TB 10121—2007)執行，本工程隧道洞口淺埋偏壓段主要對地質和支護狀況觀察、周邊位移、拱頂下沉、洞口淺埋段地表下沉4個必測項目開展監控量測。洞口淺埋段地表下沉測點布置如圖7所示。

圖7 地表下沉測點布置示意

監測數據應歷經以下基本過程:測點埋設→數據采集→數據收集→數據分析→信息反饋。

監控量測信息反饋是根據監控量測數據分析結果對工程安全性進行評價，并提出相應工程對策與建議。數據反饋流程如圖8所示。

圖8 量測數據反饋管理程序框圖

5 隧道現場測試與數值模擬對比分析

為驗證觀音山隧道洞口淺埋偏壓段開挖方法的有效性，將淺埋偏壓段隧道現場監控量測結果與數值模擬結果進行了對比分析。

5.1 拱頂下沉對比分析

隧道洞口淺埋偏壓段開挖和支護施工全過程典型斷面拱頂下沉累計值現場量測與數值計算結果對比如圖9所示。

圖9 典型斷面拱頂下沉數值計算與現場量測結果對比

由圖9可知:由于觀音山隧道洞口淺埋偏壓段地質條件較差，自穩能力差，遇水更加容易產生坍塌和沉降過大現象，在該段圍巖開挖和支護施工全過程典型斷面拱頂下沉累計值為114.35 mm。最大沉降速率32.24 mm/d，出現在核心土開挖、掌子面推進過程中。其原因在于該段雨水下滲使圍巖軟化，支護基礎下切，支護結構整體下沉。同時，數值計算和現場量測結果較為接近，隨著開挖施工結束，支護措施協調受力，沉降速率相對于前期明顯減小，后期拱頂沉降逐步趨于穩定。

5.2 地表下沉對比分析

隧道洞口淺埋偏壓段開挖和支護施工全過程典型斷面地表下沉累計值如圖10所示。現場量測與數值計算結果對比如圖11所示。

圖10 開挖和支護施工全過程典型斷面地表沉降量測結果

由圖10、圖11可知:隧道洞口淺埋偏壓段圍巖開挖和支護施工全過程典型斷面坡體中點地表沉降總累計值為90.65 mm，略小于隧道拱頂沉降值。最大沉降速率39.91 mm/d，出現在核心土開挖、掌子面推進過程中。其原因在于該段雨水下滲使圍巖軟化，支護基礎出現下切沉降，支護結構整體下沉進而導致坡體變形。同時，數值計算和現場量測結果較為接近，隨著開挖施工結束，支護措施協調受力，沉降速率相對于前期明顯減小，后期地表沉降逐步趨于穩定狀態。

圖11 典型斷面地表沉降數值計算與現場量測結果對比

監控量測與數值計算結果對比表明，依托工程隧道洞口淺埋偏壓段采用三臺階預留核心土法是比較經濟有效的施工開挖方案，保證了施工時圍巖的穩定性。

6 結論

為確保具有高度風險等級的觀音山隧道洞口淺埋偏壓段的順利開挖施工和支護，本文采用數值分析和現場監控量測方法對該段開挖和支護效果進行了對比分析。結論如下:

1)采用數值分析方法動態模擬了不同開挖方法對隧道洞口淺埋偏壓段周邊圍巖和坡體變形、應力和塑性區發展規律的影響，對比優選出穿越該段的經濟可行的較優施工開挖方法為三臺階預留核心土法。

2)對觀音山隧道洞口淺埋偏壓段開挖和支護施工全過程進行了必測項目的監控量測，得到了隧道洞口淺埋偏壓段開挖和支護施工全過程圍巖和坡體變形變化規律，并將該變化規律與數值計算結果進行了對比分析。結果表明，觀音山隧道洞口淺埋偏壓段采用三臺階預留核心土法保證了該段施工的安全性。

[1]中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2010]120號 關于進一步明確軟弱圍巖及不良地質鐵路隧道設計施工有關技術規定的通知[S].北京:中華人民共和國鐵道部，2010.

[2]中華人民共和國鐵道部.TB 10121—2007 鐵路隧道監控量測技術規程[S].北京:中國鐵道出版社，2007.

[3]彭琦，羅威，李亮.淺埋偏壓小凈距隧道施工力學數值分析[J].鐵道建筑，2009(12):34-37.