淺埋偏壓富水膨脹性泥巖地段隧道施工工法研究

夏 小 勇， 王 東 東

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610031)

1 概 述

高速鐵路隧道多為山嶺隧道，穿越地層復雜多變, 印尼雅萬高鐵項目尤其如此，其泥巖段具有高孔隙率、高孔隙比、高透水率、高壓縮比、高膨脹性，因此，隧道開挖方法的合理選擇將直接影響到隧道施工安全。一般而言，根據地質情況、開挖斷面、施工條件等因素,隧道常用的開挖方法有全斷面法、臺階法(兩臺階和三臺階)、CD法、CRD法、雙側壁導坑工法等。CD法、CRD法和雙側壁導坑法主要是將大斷面分割成小塊,具有施工工序轉換復雜,作業空間較小,不便于施工機械作業,施工效率較低,且臨時支護拆除時應力需重新分布，仰拱封閉成環施工周期長等特點，存在一定的安全隱患，因此，上述方法僅在控制軟弱圍巖變形情況下選取。而臺階法能夠提供較為寬敞的作業空間，便于施工機械發揮而在絕大部分隧道施工中普遍使用[2]。

以印尼雅萬高鐵2號隧道工程為依托,根據現場圍巖情況及施工技術條件,提出了一種改進的三臺階工法(即三臺階四步快速開挖快速封閉的工法),結合現場工程實踐情況對其施工工效進行了評價。所取得研究成果可為大斷面高速鐵路隧道工程快速施工提供參考。

2號隧道位于丘陵區，地勢起伏較大。隧道進口里程為DK74+020，出口里程為DK75+050，中心里程為DK75+535，全長1 030 m，隧道最大埋深約53.6 m。隧道進口至DK74+200范圍內縱坡為17‰的上坡，隧道出口至DK75+050范圍內縱坡為30‰的上坡。地表自然坡度約為10°～30°，植被發育。

隧道洞身穿越第三系中新統subang組W4(全風化)泥巖，泥巖為薄～中厚層狀，具有中等膨脹性，自由膨脹率為68%～80%，局部可見構造擦痕面，掌子面泥巖照片見圖1。開挖后因膨脹導致泥巖開裂，加之滲水影響，巖體在暴露一段時間后逐漸破碎，自穩能力變差，易塌方掉塊。該隧道設計為V級圍巖、部分段落變更為Ⅵ級圍巖。其隧道襯砌斷面見圖2，初期支護參數見表1。

圖2 隧道襯砌斷面圖

表1 初期支護參數表

2 施工工法比選

2.1 工法選擇

項目部技術人員在研究時選取2號隧道Ⅴ級軟弱圍巖段采用Midas GTSNX建立大斷面軟巖隧道三維模型，網格劃分情況見圖3。為方便計算，對實際工程條件進行了適當簡化，將圍巖視為理想彈塑性介質，僅考慮巖體自重而不考慮地下水及構造應力等因素的影響，巖體力學特性遵循摩爾-庫倫破壞準則。

在綜合考慮《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2016)與工程地質勘探報告及設計資料、同時對比其他相似工程資料后確定的飽水狀態下土體物理力學參數見表2，支護結構物理力學參數見表3。

表2 飽水狀態下土體物理力學參數表

圖3 大斷面隧道三維模型圖

表3 支護結構物理力學參數表

鑒于隧道開挖工法的選擇直接關系到工程安全及能否順利施工等問題，因此，研究不同的開挖工法對隧道圍巖變形空間效應及其穩定性影響具有重要意義[3]。技術人員選取了5 種常見的開挖工法、輔以注漿加固措施對大斷面軟巖隧道進行了開挖模擬：三臺階臨時仰拱法見圖4，三臺階臨時仰拱加地表袖閥管注漿加固法見圖5，三臺階臨時仰拱加超前注漿加固法見圖6，CRD法見圖7，雙側壁導坑法見圖8。5種施工方法下模擬隧道監測斷面豎向位移絕對值見圖9，初期支護噴混凝土應力最大值見圖10。

圖4 三臺階臨時仰拱法圖

圖5 三臺階臨時仰拱加地表袖閥管注漿加固法示意圖

圖6 三臺階臨時仰拱加超前注漿加固法示意圖

圖7 CRD法示意圖

圖8 雙側壁導坑法示意圖

圖9 模擬隧道監測斷面豎向位移絕對值示意圖

隨著掌子面的推進，不同工法下監測斷面處拱頂沉降各有差異(圖9)。由圖9 可知：不同開挖工法對圍巖的變形影響很明顯：三臺階臨時仰拱法開挖擾動范圍最大，拱頂沉降變形在開挖后拱頂豎向位移絕對值最大達到98.9 mm，而三臺階臨時仰拱+地表注漿及三臺階臨時仰拱+超前注漿2 種工況下拱頂豎向位移絕對值分別為46.2 mmm 和22.2 mm；5種工況下初期支護噴混凝土應力最小值為三臺階臨時仰拱+地表注漿以及三臺階臨時仰拱+超前注漿，分別為11.36 MPa和9.94 MPa，這與注漿對地層泥巖加固改良有很大關系,與實測結果規律基本一致。從以上變形情況及初期支護噴混凝土應力情況分析，在考慮工期影響的情況下，最終決定采用三臺階臨時仰拱+地表注漿加固的方式進行2號隧道軟弱泥巖段的施工。

圖10 初期支護噴混凝土應力最大值示意圖

2.2 臺階高度的比選

為了研究隧道臺階高度對圍巖變形空間效應的影響[4]，選取了3 種上臺階高度進行分析，臺階高度分別為3 m、3.5 m、4 m，隧道埋深、圍巖及襯砌支護參數和開挖工法等條件均相同，圖11為隧道拱頂圍巖豎向位移絕對值，圖12為圍巖應變值；臺階高度對拱頂位移及圍巖應變對比情況見表4(不同臺階位移計及圍巖應變分析表)。

表4 不同臺階位移計及圍巖應變分析表

由表4對比分析可知：隨著臺階高度的增加，拱頂位移亦隨之增加，但整體差距不大，拱頂應力與圍巖應變在臺階高度為3.5 m時最小。因此，建議優先選擇的臺階高度為3.5 m。

2.3 臺階長度的比選

為了研究隧道臺階長度對隧道變形空間效應的影響[5]，技術人員選取上、中臺階3種臺階長度且仰拱步距為30 m的工況條件下進行了對比分析，分別為上臺階長度3 m、5 m、5 m以及中臺階長度6 m、9 m、12 m的條件下，其他隧道埋深、圍巖及襯砌支護參數和開挖工法等條件均相同，各臺階長度組合及位移統計情況見表5。

表5 各臺階長度組合及位移統計情況表

圖11 隧道拱頂圍巖豎向位移絕對值示意圖

圖12 圍巖應變值示意圖

對比分析(表5)可知：上臺階設置的長度對隧道位移影響最大，其次是中臺階，下臺階的施工長度對隧道位移影響最小；上臺階長度3 m、中臺階長度6 m、下臺階長度21 m為控制隧道位移的最優布置方式。最終建議軟弱圍巖隧道按此步距實施控制。

3 結 語

以雅萬高鐵2號隧道為研究背景，通過數值模擬的方法分析了隧道開挖過程中圍巖的變形及應力情況，結合現場數據驗證，最后利用數值模擬的方法分析了隧道工法、臺階高度、臺階長度對隧道施工的影響，結論如下:

軟弱泥巖段隧道施工采用三臺階臨時仰拱+掌子面超前注漿加固的方式控制隧道變形為最有效的方式。在工期緊張的情況下，可以采取三臺階臨時仰拱+地表袖閥管注漿預加固的方式；對比分析上臺階施工高度后最終將高度設置為3.5 m時位移及應力值最小；臺階長度的設置對隧道變形影響較大，在對比了9種臺階長度組合模擬隧道變形情況，得出了上臺階長度3 m、中臺階長度6 m、下臺階長度21 m時隧道沉降變形情況最小的結論。該結論可為大斷面軟巖隧道施工方案的制定提供一定的參考。