紅黏土接觸帶不同施工臺階高度對隧道結構的影響研究

寧睿 李科 張世年 范世鴻

摘要：為對不同巖層接觸帶隧道施工參數進行深入研究，文章以銀西鐵路賈塬隧道為工程背景，選擇紅黏土-砂巖夾泥巖接觸帶為典型地層，并建立FLAC3D模型，研究施工過程中臺階高度對隧道支護結構受力特征和變形規律的影響，得出以下結論：隧道穿越紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶，采用三臺階核心土法時，隨著上臺階高度的增加拱頂沉降值越來越大，仰拱隆起值越來越大，初期支護的應力逐漸增大，塑性區面積也逐漸增大;上臺階高度對拱腰的水平位移影響較小;隧道穿越紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶時，在保證上臺階施工空間的基礎上應盡量減小上臺階的高度。

關鍵詞：紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶;施工工法;隧道支護結構;臺階高度;數值模擬

0 引言

在不同巖性接觸帶施工措施研究方面，對于采用盾構法施工的隧道，遇到軟硬不均地層時，許多學者都進行了研究，但對于采用礦山法修建的隧道，遇到土石交界地層的情況，目前學者研究較少。石常艷[1]對于隧道穿過土石地層的情況，以位于陜西省延長縣鄭莊鎮的陽山隧道為例，提出了隧道修建的總體施工方案和專項施工技術，有效預防因隧道爆破而引起的滑塌和拱部坍塌事故，為以后類似工程提供了借鑒。黃彬[2]根據中南鐵路黃土隧道遭遇土石分界地層的情況，闡述了類似情況下礦山法施工的技術要點，包括開挖順序、臺階高度長度等，有效降低了其風險性。王麗慶[3]對隧道穿越富水土石地段的施工措施進行了闡述，并分析了土石地層隧道特點，為類似隧道施工提供了依據。朱望瑜[4]結合太中銀鐵路土石分界地層隧道項目，通過數值模擬計算，分析不同開挖參數對隧道穩定性的影響，并對注漿技術在治理土石分界地層裂隙水問題中的應用進行了簡要介紹。傅洪賢、牛曉凱[5]對大連石門山隧道，以下部爆破上部機械開挖的方法，穿越了某復雜地段，提出了大跨度復雜性隧道開挖的適用方法。戚長軍[6]對位于土巖地層交界的隧道進行方法比選，得出先墻后拱開挖最優的結論。

隨著計算機技術的不斷提高和廣泛應用，采用數值模擬方法進行隧道圍巖計算模擬分析越來越廣泛，可靠性也得到提高。熊良宵、袁學武[7]針對軟硬巖層的不均勻分布，利用FLAC3D軟件分析了隧道掘進面圍巖的應力狀態，探討了圍巖應力的影響規律。汪宏、蔣超[8]采用ANSYS軟件模擬了隧道施工力學行為，結果顯示土石交界地層圍巖力學性質的差異是其災害發生的原因之一，根據模擬結果，提出了某隧道進洞時出現塌方的解決方案，并在實踐中得以運用。趙艷納、何俊輝[9]利用FLAC3D軟件，對土石混合巖體破碎帶進行圍巖穩定性分析，并與實際工程相比較，證明了軟件分析的可靠性。

但由于國內在紅黏土-砂巖夾泥巖接觸帶此類復雜地層中的施工經驗較少，可借鑒的有效施工參數有限，比如開挖工法、開挖順序、分部開挖時臺階設置的長度和高度、錨桿長度和間距等參數，不能得到已有的可靠結論。隧道開挖引起掌子面或前方軟硬圍巖不均時，常常發生圍巖變形、受力不均的情況，如果施工不慎或支護不當，極大可能引起圍巖塌方或支護開裂等災害，造成工期延誤、經濟損失甚至人員傷亡。由此有必要研究不同施工參數對圍巖穩定性及支護內力和變形的影響。根據研究規律，在保證圍巖穩定及施工安全的情況下，調節施工參數，以提高施工效率，對于此類隧道工程的建設具有非常重要的指導意義。但目前缺乏針對此類地層的成套施工技術標準，這就需要對施工參數的選擇展開深入研究，確保隧道施工的安全和質量。

本文圍繞銀西鐵路賈塬隧道，針對該隧道典型的紅黏土-砂巖夾泥巖接觸帶，建立FLAC3D模型，對其隧道臺階法施工的不同臺階高度對隧道結構的影響進行研究，以此分析類似巖層接觸帶的適宜施工臺階高度。

1 工程概況

本文以銀西高速鐵路為背景，依托該線賈塬隧道的修建開展研究。西安北站至銀川站正線長度為618 km，主要位于高原型黃土塬及黃土梁峁區、董志塬黃土臺塬及溝壑區，隧道穿越世界最大黃土塬——董志塬。其中賈塬隧道位于甘肅省慶陽市慶城縣賈塬村，為雙線隧道，全長11 865.92 m，是銀西鐵路甘寧段第二長隧道，也是銀西鐵路建設中的重點控制工程之一。隧道三次穿越巖層接觸帶，其中一段為第三系紅黏土與白堊系上統砂巖夾泥巖的接觸帶，接觸帶埋深240～270 m。

該段接觸帶實際工程開挖工法為三臺階法預留核心土，穿越里程為DK285+275～DK286+256，預支護范圍為拱部140°;錨桿設置在邊墻處;二次襯砌采用復合式襯砌，具體支護手段見表1。

2 數值模擬

2.1 計算模型的確定

根據賈塬隧道的現場實際情況和施工設計資料，以紅黏土-砂巖夾泥巖接觸帶分界面位于拱腰位置為模型的原型基礎，考慮上臺階高度分別為2 m、3 m、3.73 m及4.73 m四種工況建立數值計算模型。

建模時以隧道中線位置為中心，X軸方向尺寸為+60 m、豎向取仰拱底部以下50 m、拱頂以上取隧道實際埋深，山體范圍沿隧道縱向取40 m。

在模型的底部邊界采用豎向約束，前后左右邊界均采用水平約束。隧道圍巖特性按彈塑性材料考慮，采用莫爾-庫侖準則，初期支護采用shell單元，鋼拱架采用beam單元。監測模型沿隧道軸向24 m處的斷面。計算模型如圖1所示。

2.2 計算參數選取

隧道圍巖參數主要依據賈塬隧道地層土工試驗物理力學參數。對于施工中采用的拱部 140°超前小導管支護，根據以往經驗[10]，可采用加固區的形式來模擬預支護，即提高預支護范圍內圍巖材料參數。本次模擬中，將加固區參數提高一倍左右，具體計算參數如表2所示。

2.3 開挖參數及支護步驟

根據設計資料和現場實際情況，數值模擬計算中采用三臺階核心土法開挖。具體計算步驟如下：

第一步：施作超前支護，提高加固區圍巖參數。

第二步：臺階開挖并通過施加節點反力的方式釋放30%的地層應力。依次開挖拱部弧形導坑、左右兩側中臺階和上臺階核心土、左右兩側下臺階和中臺階核心土、仰拱和下臺階核心土，施加70%的節點反力計算平衡，模擬開挖時圍巖應力釋放。

第三步：施作初期支護。依次施作上臺階、中臺階、下臺階和仰拱的初期支護，去除節點反力，計算平衡。

模擬開挖時循環進尺為1.6 m（兩榀鋼拱架），臺階長度依次為：上臺階長度為4.8 m，中臺階長度為4.8 m，下臺階長度為4.8 m。

3 計算結果及分析

3.1 拱頂沉降計算結果分析

提取四種臺階高度情況下拱頂沉降數據，繪制拱頂沉降時程曲線如圖2所示。由圖2可知：拱頂沉降隨著隧道開挖逐漸增加，在開挖掌子面通過監測斷面后，拱頂沉降值有收斂的趨勢。觀察最后的拱頂沉降值可知，上臺階高度為4.73 m時拱頂沉降值最大，為6.18 cm;上臺階高度為3 m時，變形值為5.68 cm;上臺階高度為2 m時變形值最小，為5.48 cm。由此可知，隨著上臺階高度的增加拱頂沉降值越來越大。

3.2 拱腰水平位移計算結果分析

提取四種臺階高度情況下拱腰水平位移數據，繪制拱腰水平位移時程曲線如圖3所示。由圖3可知：該工況下拱腰水平位移隨著隧道開挖逐漸增加，在開挖掌子面通過監測斷面后，拱腰水平位移值有收斂的趨勢。觀察最后的拱腰水平值可知，上臺階為2 m時拱腰水平位移最大，最大值為0.93 cm;上臺階高度為4.73 m和3 m時拱頂沉降值相同，均為0.92 cm。由此可知，上臺階高度對拱腰的水平位移影響較小。

3.3 仰拱隆起計算結果分析

提取四種臺階高度情況下仰拱隆起數據，繪制仰拱隆起時程曲線如圖4所示。由圖4可知：該工況下仰拱隆起隨著隧道開挖逐漸增加，在開挖掌子面通過監測斷面后，仰拱隆起值有收斂的趨勢。觀察最后的仰拱隆起值可知，上臺階高度為4.73 m時仰拱隆起值最大，最大值為2.69 cm;上臺階高度為3 m時，變形值為2.62 cm;上臺階高度為2 m時變形值最小，為2.59 cm。由此可知，隨著上臺階高度的增加仰拱隆起值越來越大。

3.4 初期支護應力計算結果分析

四種工況下初期支護應力云圖如圖5所示。由圖5可知：不同上臺階高度工況下，初期支護均在上臺階和中臺階交界處出現應力集中。其中，當上臺階高度為4.73 m時初期支護的應力最大，最大值為11.3 MPa;上臺階高度為3.73 m時初期支護的應力次之，為10.6 MPa;上臺階高度為3 m時初期支護的應力為10.3 MPa;當上臺階高度為2 m時，初期支護的應力最小，最小為10 MPa。由此可知：隨著上臺階高度的減小，初期支護的應力逐漸減小。

3.5 塑性區計算結果分析

四種工況下塑性區分布圖如圖6所示。由圖6可知：不同上臺階高度工況下，塑性區均在隧道拱肩處發展深度最大，隨著上臺階高度的逐漸增加，圍巖塑性區面積逐漸增大。

4 結語

本文以銀西鐵路賈塬隧道為工程背景，對隧道穿越不同巖性接觸帶隧道施工參數進行深入研究。選擇紅黏土-砂巖夾泥巖接觸帶為典型地層，研究施工過程中臺階的高度對隧道支護結構的受力特征和變形規律的影響，并提出適用于不同巖性接觸帶隧道施工的合理臺階高度。從計算結果中可以得到：

（1）從隧道位移情況來看，隨著上臺階高度的增加拱頂沉降值越來越大，仰拱隆起值越來越大。上臺階高度對拱腰的水平位移影響較小，其中對隧道拱頂沉降值影響最大。

（2）從初期支護應力計算結果來看，隨著上臺階高度的增加，初期支護的應力逐漸增大。不同上臺階高度工況下，初期支護均在上臺階和中臺階交界處出現應力集中。四種工況初期支護的應力最大值分別為10 MPa 、10.3 MPa、10.6 MPa、11.3 MPa。

（3）從塑性區計算結果來看，不同上臺階高度工況下，塑性區均在隧道拱肩處發展深度最大，隨著上臺階高度的逐漸增加，圍巖塑性區面積逐漸增大。

（4）綜上所述，隨著臺階高度的增加，隧道位移、初期支護應力、塑性區面積均有所增加，對隧道不利。故隧道穿越紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶時，在保證上臺階施工空間的基礎上應盡量減小上臺階的高度。

參考文獻：

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