鐵路凝灰巖隧道掌子面穩定性控制技術研究

岳康 YUE Kang

（中鐵十七局集團第二工程有限公司，西安710038）

0 引言

隨著鐵路建設的快速發展，逐漸向偏遠地質條件復雜的山區延伸，遇到的復雜地質情況越來越多，因此施工中由不良地質引起的工程難題也越來越多。在隧道施工中經常遇到凝灰巖地質，凝灰巖是軟巖之一，凝灰巖的工程性質與軟巖的工程性質相似[1]。掌子面開挖揭示節理裂隙發育，遇水膨脹變形量大，揭露后容易風化崩解[2]，隧道開挖后，掌子面前后圍巖變形嚴重，容易出現拱架侵限，拱頂及掌子面溜塌等影響安全和質量的問題[3][4]。因此有必要研究凝灰巖隧道掌子面，圍巖變形機理及發展演化規律，并采取有針對性的支護技術與方法控制掌子面溜塌。

1 工程概況

新建大理至臨滄鐵路白石頭隧道位于臨滄市云縣境內，隧道全長9375m，為單線鐵路隧道，區域地質構造復雜。隧道DK157+650～DK159+120段，埋深150～220m，主要為三疊系中統忙壞組凝灰巖，呈灰、深灰，測區內一般分布于印支花崗巖邊緣地帶，與其侵入接觸，與古生界瀾滄群絹云片巖夾炭質片巖等呈斷層接觸或不整合接觸，混合多種巖性，節理裂隙極其發育。在施工經常發生掌子面溜塌，圖1所示為凝灰巖掌子面失穩溜塌情況。在施工過程中對凝灰巖隧道掌子面進行數值模擬分析，改善隧道支護方案，有效控制了凝灰巖隧道掌子面穩定。

圖1 掌子面溜塌

2 凝灰巖圍巖受力分析及支護方案

2.1 凝灰巖隧道掌子面受力分析

本次對凝灰巖隧道掌子面數值模擬分析應用FLAC3D有限差分析軟件，對隧道掌子面及拱部取微單元見圖2。

圖2 圍巖不同位置取單元體

位于隧道掌子面及拱頂巖體破壞莫爾圓[5][6]見圖3。拱部巖體最大主應力為水平應力，掌子面巖體最大主應力為垂直應力，由于隧道開挖的卸壓作用，拱頂巖體垂直應力增大，即σ1增大，縱向應力σ3減小，從而導致掌子面巖體垂直應力σ1減小，縱向應力σ3增大。由于莫爾圓變大，圍巖剪切應力增大，圍巖塑性區范圍增大，導致隧道在開挖和支護過程中產生大變形。

圖3 隧道頂板圍巖莫爾圓變化

2.2 斜向系統錨桿控制溜塌

受隧道開挖循環擾動，隧道巖體應力擠壓塑形區域內圍巖，以及凝灰巖吸水膨脹作用的影響，圍巖松動圈向巖體深部延伸擴展，破裂區巖體范圍擴大使得圍巖與初期支護之間無法形成穩定結構，從而導致圍巖失穩。支護的作用是將支護單元與圍巖形成穩定的耦合體[7][8]，從而控制圍巖的彈塑性變形、碎脹變形和凝灰巖的吸水膨脹變形。

由于凝灰巖揭露易風化崩解，遇水軟化后強度迅速降低，所以系統錨桿施作對凝灰巖隧道掌子面穩定起重要作用，設計系統錨桿為垂直徑向打設，在施工過程中由于凝灰巖的特性，開挖時掌子面易溜塌，通過試驗將掌子面周邊范圍系統錨桿采用傾斜一定角度打設，如圖4所示。對系統錨桿嚴格進行注漿，將拱部圍巖固定到斜上方穩定的圍巖上，發揮圍巖的自承載能力，同時有效的解決了鋼拱架掛網噴射混凝土支護與圍巖的耦合性，系統錨桿增加初支與凝灰巖圍巖的整體性，控制掌子面穩定。可以改善系統錨桿對圍巖的加固性能，有效控制了掌子面穩定性。

圖4 掌子面范圍斜向系統錨桿示意圖

2.3 降低上臺階高度控制溜塌

原設計采用臺階法施工，上臺階高為4m左右，開挖后掌子面經常發生溜塌的情況，針對以上特點，改為三臺階微臺階預留核心土開挖工法，降低上臺階高度，減小上臺階臨空面以控制溜塌發生。上臺階高度控制在2.8m，長度控制在3～5m，圍巖過分軟弱地段可留少量核心土，中、下臺階高度控制在2.5m左右，長度3～5m，通過實踐此工法可有效控制掌子面溜塌，并為仰拱、二襯緊跟提供了條件。另外各工序開始前人員、材料、設備必須到作業面附近準備，做到工序零銜接、負交接[9][10][11]。工法示意詳見圖5～圖6。

圖5 微臺階留核心土施工示意圖

圖6 微臺階留核心土現場施工圖

3 數值模擬分析

3.1 數值計算模型

通過在有限元分析軟件劃分網格，最終導入拉格朗日差分程序FLAC3D中生成模型，模型尺寸為XYZ=80m×50m×60m，共35000個單元格，36771個節點。如圖7所示。

圖7 數值模型

隧道斷面為四心圓，模擬隧道埋深取210m，邊界取至5倍洞徑處，約束x、y方向邊界水平位移，z方向下邊界豎向位移，上邊界為自由面，并施加1.18MPa壓應力。隧道開挖初支采用shell單元模擬，系統錨桿打設分垂直和傾斜20°打設兩種工況，模型共計算5000step，圖8為邊界條件示意圖。

圖8 邊界條示意圖

3.2 模擬參數確定

根據隧道軟弱凝灰巖段落的巖體采樣土工實驗，得出凝灰巖巖體參數見表1，掌子面穩定措施為超前錨桿和鋼拱架掛網噴混凝土等效力學參數見表2～表3。

表1 圍巖力學參數

表2 初支力學參數

表3 錨桿力學參數

3.3 掌子面穩定性分析

通過對計算后模型進行切片處理，可得到掌子面施作超前錨桿和鋼拱架掛網噴射混凝土初支狀態下，系統錨桿垂直打設和傾斜20°打設兩種情況的模型。如圖9。

圖9 支護條件對比模型

在兩種情況下，根據模擬計算分析，得到相應的塑性破壞區域如圖10和應力如圖11所示。可知在垂直打設系統錨桿時掌子面塑性區深度2m，而傾斜20°打設系統錨桿時，掌子面塑性區深度1m。通過應力圖對比可知，相對于垂直打設系統錨桿，傾斜20°打設系統錨桿掌子面斜上方錨固區范圍內垂直應力szz顯著減小，由0.76MPa減小到0.53MPa，說明傾斜打設系統錨桿支護條件下，支護抗力更有效的減小了掌子面斜上方圍巖塑性壓力[12]，對掌子面上方圍巖有更好的支護效果。而掌子面縱向應力syy增大，由1.09MPa增加到1.41MPa，相當于增加了掌子面的約束力，說明傾斜系統錨桿打設有效改善掌子面圍巖應力狀態，對控制掌子面圍巖溜塌起到了一定作用。

圖10 掌子面圍巖縱向塑性破壞對比圖

圖11 徑向應力szz變化對比圖

4 結論

本文以大臨鐵路白石頭隧道為依托，對凝灰巖隧道軟弱破碎，節理裂隙發育段落，預防掌子面溜塌進行了研究。采用FLAC3D分析軟件將系統錨桿傾斜一定角度情況下打設，隧道掌子面區域圍巖應力狀態進行力學分析并進行數值模擬。通過實踐相互驗證，結合施工工法調整，有效的控制了軟弱破碎凝灰巖段落掌子面溜塌。得出以下結論：

圖12 縱向應力syy變化對比圖

①對于軟弱凝灰巖揭露易分化崩解，強度迅速降低，遇水易軟化的巖層特性，采取傾斜20°打設系統錨桿可有效增強初支結構和圍巖的耦合性，有效改善掌子面圍巖應力狀態，提高了圍巖開挖后的穩定性并減小變形收斂。②嚴格控制臺階開挖長度和高度，減少上臺階臨空面，保持掌子面穩定，有效的降低了掌子面拱頂溜塌的幾率。③在各個工序的施工中加入時間要素，通過對工序時間的控制，做到了復雜地質條件下的快挖、快支、快成環。