上硬下軟地層鐵路大斷面隧道施工方法優選

崔光耀，王李斌，荊鴻飛

(1.北方工業大學 土木工程學院，北京 100144；2.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

隨著我國交通工程的快速發展，各種復雜地質條件下的鐵路隧道也不斷涌現。如何選擇合適的施工方法，保證隧道結構的安全性與穩定性是當前研究和解決的熱點問題。

目前，國內外許多專家、學者對不同地質條件下隧道施工方法的選擇進行了研究。文獻[1-3]依托實際工程，通過數值模擬分析了不同施工方法對軟弱圍巖隧道的影響，并得出最合理的施工方法；文獻[4-5]總結了上軟下硬地層隧道施工的關鍵技術；文獻[6-8]通過有限差分軟件對軟巖淺埋隧道施工方法比選發現，采用雙側壁導坑法開挖對隧道結構內力、位移控制效果較好；文獻[9]提出了軟弱圍巖隧道安全快速施工方法。以上研究主要集中在軟弱圍巖及上軟下硬地層隧道施工方法優選方面，對于上硬下軟地層隧道的施工方法優選研究較少。因此，本文依托內蒙古八蘇木鐵路隧道工程，利用有限差分軟件對上硬下軟隧道施工方法進行優選。

1 工程概況

1.1 地質條件

八蘇木隧道是京包線集寧至包頭段增建第二雙線重點控制性工程，位于內蒙古高原南緣之大青山低中山區。隧道施工至DK531+500段時發現圍巖分層十分明顯，掌子面上部為玄武巖，弱風化，節理不發育，巖質堅硬，塊狀構造；掌子面下部為泥巖，具有一定自穩性，但遇水易崩解，穩定性差。泥巖和玄武巖不整合面沿小里程方向逐漸降低。

1.2 隧道襯砌結構設計

隧道襯砌采用復合式襯砌，初期支護厚20 cm，二次襯砌結構厚40 cm。初期支護噴射C20耐腐蝕混凝土，二次襯砌模筑C25混凝土。

2 數值模擬

2.1 計算模型

以八蘇木隧道為依托工程建立計算模型，本構模型為彈塑性模型，屈服準則采用摩爾-庫倫準則。隧道埋深110 m，隧道下部和底部泥巖厚16 m，底部玄武巖厚34 m，隧道上部和頂部玄武巖厚100 m，地表強風化玄武巖厚14 m，見圖1。模型中隧道兩側寬度均取50 m。兩側施加水平約束，底面施加垂直約束，頂面為自由面。

圖1 計算模型

2.2 計算參數

計算模型中材料的物理力學參數見表1。

表1 材料的物理力學參數

2.3 計算工況

對上硬下軟地層采用4種施工方法進行模擬計算。計算工況見表2。

表2 計算工況

2.4 測點布置

為分析隧道開挖過程中初期支護結構位移及內力的變化情況，分別在隧道初期支護拱頂、左右拱肩、左右邊墻、左右拱腳和仰拱布置8個測點。

2.5 計算結果與分析

2.5.1 位移

測點位移見表3。提取各工況隧道圍巖z向位移云圖(見圖2)，分析各施工方法對隧道圍巖z向位移的控制效果。

表3 測點位移 mm

圖2 隧道圍巖z向位移云圖(單位：m)

由表3和圖2可知：①三臺階七步開挖法隧道拱頂沉降最大，其值為5.05 mm；CRD法拱頂沉降最小，其值為4.32 mm。②臺階法隧道邊墻水平收斂最大，其值為15.60 mm;CRD法對隧道邊墻水平收斂的控制效果較好，水平收斂僅3.95 mm。③三臺階臨時仰拱法對隧道拱腳水平收斂的控制效果最好，水平收斂僅8.59 mm;臺階法控制效果最差。④三臺階臨時仰拱法對隧道圍巖z向位移控制效果最好，最大位移為10.99 mm；CRD法對于隧道圍巖z向位移控制效果最差，最大位移為12.42 mm。

2.5.2 初期支護結構內力

1)軸力

圖3 不同施工方法下軸力分布(單位：kN)

各工況隧道初期支護結構軸力分布見圖3。其中:正值為受拉，負值為受壓。由圖3可知：在上硬下軟地層中隧道初期支護結構軸力的分布極不均勻。CRD法由于開挖輪廓不圓順且豎向開挖，其初期支護軸力整體較大，最大軸力出現在左拱肩處，其值為-1 405 kN。而臺階法、三臺階臨時仰拱法由于開挖斷面圓順，初期支護受力合理，軸力較小。三臺階臨時仰拱法由于在支護過程中設有臨時仰拱，因此軸力控制方面又優于臺階法。三臺階七步開挖法由于開挖步數比其他3種工法更多，應力釋放更好，總體來講初期支護承受的軸力更小，雖然拱頂處最大軸力為-1 437 kN，但整體受力要小于臺階法和三臺階臨時仰拱法。

2)彎矩

不同施工方法下彎矩分布見圖4。可知：在上硬下軟地層中采用CRD法、臺階法、三臺階臨時仰拱法施工時隧道初期支護結構彎矩的分布較為均勻。采用三臺階七步開挖法施工時彎矩分布不均，彎矩最大、最小值分別出現在左拱肩和仰拱處，其值分別為98.6，0.2 kN·m。CRD法對于隧道拱頂彎矩控制效果最好，其值為2.9 kN·m；臺階法對于隧道初期支護結構彎矩整體控制效果較好，最大值出現在拱頂處，其值為7.9 kN·m；三臺階臨時仰拱法對于隧道初期支護結構彎矩整體控制效果最佳，彎矩最大值為7.7 kN·m，最小值為0.4 kN·m。

圖4 不同施工方法下彎矩分布(單位：kN·m)

2.5.3 初期支護結構安全系數

按照TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》[10]對初期支護結構安全系數進行計算，得到不同施工方法下隧道初期支護結構的安全系數，見圖5。初期支護結構的最小安全系數見表4。

由圖5和表4可知：三臺階七步開挖法隧道初期支護結構的安全系數分布最不均勻，且在4種施工方法中其最小安全系數(2.41)最小，出現在左拱肩處；三臺階臨時仰拱法隧道初期支護結構的最小安全系數(9.64)最大，出現在右拱肩處，較三臺階七步開挖法的最小安全系數提高了3.00倍；其次是臺階法和CRD法，最小安全系數分別為9.04，8.01，較三臺階七步開挖法的最小安全系數分別提高了2.75倍,2.32倍。

圖5 不同施工方法下隧道初期支護結構的安全系數

施工方法最小安全系數三臺階七步開挖法2.41三臺階臨時仰拱法9.64臺階法9.04CRD法8.01

3 結論

1)從位移方面來看，CRD法、三臺階臨時仰拱法、三臺階七步開挖法、臺階法對拱頂沉降的控制效果相差不大；CRD法對拱頂沉降、邊墻水平收斂的控制效果最好;三臺階臨時仰拱法對拱腳水平收斂和圍巖z向位移控制效果最好;臺階法與其他方法相比，邊墻水平收斂和拱腳水平收斂相對較大，控制效果較差。整體而言，CRD法和三臺階臨時仰拱法對隧道初期支護結構位移的控制效果較好，臺階法控制效果最差。

2)從內力方面來看，三臺階七步開挖法軸力和彎矩分布最不均勻，控制效果最差；三臺階臨時仰拱法軸力和彎矩分布最均勻，控制效果最好。

3)從安全系數來看，不同施工方法下隧道初期支護結構的最小安全系數均大于規范值，其中三臺階臨時仰拱法的最小安全系數最大，其值為9.64，安全性最好。

綜合來看，三臺階臨時仰拱法在各施工方法中最優。該施工方法已在工程中應用，效果良好。