太岳山隧道施工優化及數值模擬分析

宋 力

(中鐵三局集團有限公司，山西 太原 030001)

太岳山隧道施工優化及數值模擬分析

宋 力

(中鐵三局集團有限公司，山西 太原 030001)

針對太岳山隧道施工過程出現的頂部巖層掉塊垮塌、臺階法步長不協調以及臺階高度與格柵鋼架高度不匹配等工程問題，提出了施工優化方案，并采用數值計算方法對優化前后的施工方案進行了模擬分析，計算表明：優化后的施工方案有效地保證了隧道的施工質量和施工進度。

隧道工程，泥巖，上下臺階法，施工優化，數值分析

隨著國民經濟的快速增長，我國交通建設領域得到了迅猛發展，穿越山嶺地區的隧道工程也越來越多。據不完全統計，我國目前建成的鐵路隧道總長度已達到7 000多千米，公路隧道總里程達到3 000多千米，到2020年前，我國規劃建設5 000座隧道，長度超過9 000 km。同時，在隧道工程的眾多技術領域，眾多工程技術人員做出了大量的努力和杰出的貢獻，并取得了舉世矚目的成就[1]。

然而，由于巖體工程的極其復雜性，目前工程界還遠未能解決隧道工程中所遇到的各類問題，致使隧道工程長期處于“經驗設計”和“經驗施工”的局面[2]。因不同隧道所處工程地質壞境的差異，僅依靠經驗來進行隧道設計和施工難免造成與實際不符。因此，不少學者則依據隧道施工過程中實際開挖揭露的工程地質情況，對隧道的設計和施工方案進行優化。如李術才等[3]以八字嶺分岔隧道為例，對分岔隧道的穩定性及其施工優化進行了分析研究；胡世權[4]開展了龍潭隧道頁巖段施工優化的數值模擬分析；楊凡杰等[5]基于錦屏大理巖循環加卸載試驗提出了彈塑性耦合力學模型，對錦屏二級水電站引水隧洞進行了計算分析；趙玉光等[6]以對廣惠高速公路小金口雙連拱隧道為例，對雙連拱隧道施工過程進行了數值模擬，并對施工方法進行了比選；佘健等[7]對渝黔二期工程筆架山隧道的軟弱圍巖段施工過程中進行了三維彈塑性數值模擬分析。

本文將在已有研究基礎上，針對太岳山隧道在施工過程中所遇到的問題，對其施工方案進行優化，并對優化前后的施工方案進行數值模擬對比分析，最后，結合數值計算結果和現場實際情況對優化后施工方案的合理性進行評價。

1 工程概況

太岳山隧道是山西中南部鐵路通道的重、難點工程，也是控制工程。隧道起訖里程為DK392+930～DK409+124，全長16 194 m。太岳山隧道為單洞雙線隧道，開挖斷面93 m3～110 m3。開挖寬10 m～11 m，高9 m～10 m，隧道設4座施工斜井作為輔助坑道。太岳山隧道洞身最大埋深約300 m，最小埋深約5 m，隧道開挖區域地應力以自重應力為主。

隧道位于中低山丘陵區，通過地層主要二疊系下統上石盒子組砂巖夾泥巖、上石盒子組砂巖夾泥巖，石千峰組泥巖夾砂巖。其中，泥巖巖質較軟，易崩解，具膨脹性，而砂巖巖質較硬，風化層厚8 m～12 m；全隧道估算正常涌水量8 594 m3/d，最大涌水量20 393 m3/d。主要不良地質為進口段淺埋黃土以及全隧道水平泥巖夾砂巖易垮塌地層。

2 優化前隧道施工方案及工程問題

由于太岳山隧道為單洞雙線隧道，優化前的施工方案主要采用傳統的雙線隧道臺階法施工。根據傳統雙線隧道臺階法施工的要求，施工時上臺階要滿足挖掘機和鑿巖臺架的布置要求，一般上臺階高度控制在6 m左右，上臺階的臺階長度10 m～20 m，下臺階至仰拱施工距離在20 m左右(見圖1)。

在太岳山隧道的施工初期，按傳統的雙線隧道臺階法施工，施工過程出現如下幾種不利的工程情況：

1)爆破后初期支護期間頂部水平巖層經常出現掉塊垮塌現象；2)由于出碴時鑿巖臺架和出碴設備的空間問題，臺階法步長關系不能保證，或因為保證安全的步長關系不能保證上下臺階同步推進，嚴重影響施工進度；3)水平巖層拱部須架設格柵鋼架時，臺階高度與格柵鋼架高度不匹配，格柵鋼架立設難度大。

3 優化后隧道施工方案

針對上述太岳山隧道施工初期的不利工程情況，為保證在水平泥巖夾砂巖且易垮塌地層實現快速安全施工，對隧道初始施工方案進行了優化。具體如下：將臺階法施工時的上臺階高度調整為3.6 m左右，上臺階鉆爆作業采用簡易平臺(馬凳)，上臺階長度控制到3 m～5 m；下臺階高度則調整為6 m左右，下臺階施工采用鑿巖臺架施工，下臺階至仰拱的施工距離為20 m左右，這樣掌子面至仰拱的距離始終控制在35 m之內(見圖2)。

對太岳山隧道優化后施工方案的初步分析可知，在調整上下臺階的開挖高度后，由于上臺階斷面縮小，上臺階初期支護工作量將變小，支護時間縮短，且臺階開挖高度調整后，安全步長關系將更容易保證。

4 數值模擬分析

4.1 計算模型和計算參數

為評估太岳山隧道的施工優化方案，分別建立隧道施工方案優化前后兩個計算模型。其中，兩計算模型沿水平X方向長度均為210 m；豎直Z方向的長度均為220 m；優化前計算模型沿洞軸Y方向的長度為100 m，優化后計算模型沿洞軸Y方向的長度為90 m。優化前的計算模型包含334 106個單元，56 783個節點；優化后的計算模型包含207 407個單元，35 434個節點。隧道橫截面具體尺寸如圖3所示。模型四周豎直面和底部均采用垂直約束，頂部采用自由邊界條件。前期勘查工作表明，隧道開挖區域地應力以自重應力為主，隧道圍巖容重約為27.7 kN/m3。

計算時采用Mohr-Coulomb屈服準則。計算參數將以圍巖變形實際監測值為基礎，采用參數反演方法[8]得到。太岳山隧道圍巖變形監測位置見圖3，由圖可知，隧道橫截面上布置有3個位移監測點，其中，監測點1監測拱頂的下沉變形量，監測點2和3監測水平方向圍巖的收斂位移。通過實測得到太岳山隧道圍巖的拱頂累計下沉變形量在12 mm左右，水平向圍巖的收斂位移在47.5 mm左右。由此反演得到的計算參數見表1。

表1 計算參數的取值

4.2 計算結果分析

通過對太岳山隧道施工方案優化前后兩種工況進行計算，得到了不同工況下圍巖的變形計算結果(見圖4)。由圖4a)可知，優化前，由于上臺階較長(20 m左右)，上臺階開挖后因拱頂圍巖松弛導致下沉變形較大，最大累計下沉量達18 mm；此外，在隧底和臺階處圍巖變形亦較大。優化后隧道圍巖位移場計算結果見圖4b)，由圖可知，與優化前相比，優化后上臺階明顯變短(5 m左右)，上臺階開挖后拱頂的下沉變形也明顯變小(8 mm左右)，隧道開挖完成后，拱頂圍巖的最終變形量也較優化前減小了約2 mm(累計下沉量16 mm左右)。

4.3 優化前后的施工情況對比

實際的施工情況也表明，調整臺階高度后，由于上臺階斷面縮小，上臺階初期支護工作量變小，支護時間縮短，頂部水平巖層坍塌情況有所緩解；且臺階調整后，安全步長關系更容易保證，上下臺階共同推進，施工進度穩步加快。

此處，將優化前后的施工情況進行了對比(見表2)。由表2可知，優化后，上臺階開挖及出碴時間由優化前的4.5 h縮短為2.5 h；初期支護時間由優化前的3.5 h縮短為2 h；且臺階調整后，上下臺階共同推進，步長關系易保證，開挖支護月平均進度由120 m提高到180 m，最高月進度創210 m好成績。

表2 臺階優化前后施工情況對比

5 結語

針對太岳山隧道在施工過程中所遇到的問題，本文對其施工方案進行了優化，并對優化前后的施工方案進行了數值模擬對比分析。最后，結合數值計算結果和現場實際情況對優化后施工方案的合理性進行了評價。主要包括如下內容：

1)太岳山隧道施工初期按照傳統的雙線隧道臺階法開展施工，施工過程出現了頂部巖層掉塊垮塌、臺階法步長關系不協調以及臺階高度與格柵鋼架高度不匹配等不利的工程情況，本文針對上述問題，提出了施工優化方案。2)通過對優化前后的施工方案進行數值模擬對比可知，相對于優化前，太岳山隧道施工方案優化后的拱頂下沉變形量明顯減小，圍巖穩定性增強。3)實際施工情況表明，施工方案優化后，由于上臺階斷面縮小，上臺階初期支護工作量變小，支護時間縮短，頂部水平巖層坍塌情況有所緩解；且臺階調整后，安全步長關系更容易保證，上下臺階共同推進，施工進度穩步加快。

本文針對太岳山隧道施工方案優化而開展的研究工作，對我國類似工程的設計和施工具有參考和借鑒的意義。

[1] 郭陜云.論我國隧道和地下工程技術的研究和發展[J].隧道建設，2004,25(4):19-20.

[2] 張云峰.隧道施工過程的數值模擬分析與方案研究[D].合肥：合肥工業大學，2007.

[3] 李術才,王漢鵬,鄭學芬.分岔隧道穩定性分析及施工優化研究[J].巖石力學與工程學報,2008,27(3):447-457.

[4] 胡世權.龍潭隧道頁巖段施工優化數值模擬[J].土工基礎,2012,26(2):42-46.

[5] 楊凡杰，周 輝，肖海斌，等.大理巖彈性參數的圍壓效應與彈塑性耦合模型[J].巖土力學,2013,34(6):1613-1620.

[6] 趙玉光，張煥新，林志遠，等.雙連拱隧道施工力學數值模擬與施工方法比選[J].廣西交通科技,2003,28(4):25-30.

[7] 佘 健，何 川.軟弱圍巖段隧道施工過程中圍巖位移的三維彈塑性數值模擬[J].巖石力學與工程學報,2006,25(3):623-629.

[8] 陳炳瑞，馮夏庭，黃書嶺，等.基于快速拉格朗日分析—并行粒子群算法的黏彈塑性參數反演及其應用[J].巖石力學與工程學報,2007,26(12):2517-2525.

Analysis on construction optimization and numerical simulation of Taiyueshan tunnel

Song Li

(ChinaRailway3rdBureauGroupCo.,Ltd,Taiyuan030001,China)

In light of Taiyueshan tunnel construction problems including top rock collapse, incoordination benching tunneling method, and mismatching of benching height and grid height, the paper puts forward construction optimizing scheme, simulates and analyzes construction scheme before and after optimization with numerical calculation method. Results show that: optimized construction scheme effectively guarantees the tunnel construction quality and construction schedule.

tunnel engineering, mudstone, benching tunneling method, construction optimization, numerical analysis

2014-12-13

宋 力(1982- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)06-0163-03

U455

A