跨軟弱斷層隧道開挖工法優化研究

金 鵬

(中鐵十六局集團第二工程有限公司，天津 300162)

1 工程概況

成昆鐵路擴能工程峨眉至米易段站前工程EMZQ-7標吉布甲隧道位于四川省涼山彝族自治州境內甘洛縣境內，吉布甲隧道起點里程DK288+485，終點里程D1K298+340，長9 855 m。吉布甲隧道洞身穿越3條斷層，其中碧雞腳逆斷層與線路相交于DK293+588處，為向南西傾斜走向逆斷層，破碎帶主要由泥巖、砂巖構成斷層角礫巖、糜棱巖，破碎帶寬約2～5 m，斷層與線路近似垂直。磨房溝拉爾逆斷層與線路相交于DK295+144處，該斷層屬向南西傾斜走向逆斷層，巖性主要為鈣質粉砂質粘土巖、灰巖、生物碎屑灰巖、方解石組成斷層角礫巖、糜棱巖，破碎帶寬約20 m，與線路近似垂直。該文主要對磨房溝拉爾逆斷層進行分析研究。

2 數值計算模型及方案設計

主要以數值模擬的手段擬定不同的開挖工法對跨斷層隧道開挖工法進行優化分析。通過查閱相關文獻可知，斷層隧道施工時常采用臺階法施工，基于Midas GTS/NX有限元數值模擬軟件，通過變化臺階數量以及核心土，從襯砌的主應力以及變形等方面，對跨斷層隧道施工時的開挖工法進行優化研究。這里對圍巖斷層數值模擬時，主要采用參數弱化的方法對斷層進行模擬，根據吉布甲隧道實際情況，斷層傾角和夾角近似90°，斷層厚度為20 m，圍巖等級為ⅴ級圍巖。斷層弱化參數取值具體如表1所示。

初期支護中系統錨桿采用4 m長錨管，噴射混凝土采用C25混凝土，仰拱和拱墻厚度為27 cm，全環采用I20b型鋼作為鋼架。計算時通過提高初期支護的彈性模量等參數，利用等效方法對鋼架的支護作用進行簡化，等效公式為

式中，E為折算后噴射混凝土的彈性模量；E0為原噴混凝土的彈性模量；Sg為鋼拱架的截面積；Eg為鋼材的彈性模量；Sc為混凝土的截面積。

表1 圍巖參數取值

相關鋼材、混凝土參數選取根據《鐵路隧道設計規范》(TBJ1003—2016)和《混凝土結構設計規范》(GB50010—2010)確定，初期支護數值模擬參數取值如表2所示。

表2 初期支護參數取值

數值模擬時，地層結構模型幾何尺寸理應與實際情況相當。為盡量的控制計算誤差并減少計算量，這里擬定三維模型尺寸為X×Y×Z=寬度×縱向×高度=80 m×60 m×90 m，埋深為50 m左右；數值模擬時，地層采用摩爾-庫倫模型進行計算，采用三維實體單元模擬，整體網格劃分采用六面體網格為主的劃分方式，且隧道開挖斷面附近采用較為細密的網格劃分，較遠的地層圍巖采用較為稀疏的網格劃分，如圖1所示，保證計算精度的同時減少不必要的計算量。

進行開挖工法優化時，二次襯砌主要作為安全儲備，初期支護為主要承載結構，故模擬時主要考慮初期支護，忽略二次襯砌的作用。初期支護主要由鋼拱架和噴錨結構組成，拱架混凝土視為整體采用二維板單元模擬，錨桿采用一維植入式桁架單元模擬，初期支護結構示意圖如圖2所示。

3 數值模擬方案設計

模擬計算時，噴混支護落后開挖一步進行。進行模擬時，控制相同的封閉距離，擬定不同的開挖工法進行優化分析，工況統計如表3所示，計算模型如圖3～圖5所示，開挖時，仰拱全部單獨開挖，其中開挖進尺均選擇2 m，然后保證封閉距離一致。

表3 擬定工況統計表

對隧道關鍵部位的位移變形進行監測，對稱結構這里只取一側的相關部位進行監測即可，監測點布置如圖6所示，其中拱頂和仰拱監測豎向位移變化，邊墻拱腳附近監測水平位移變化。

4 不同開挖工法襯砌應力分析

開挖完成后，對襯砌應力進行分析，由于模型統一取斷層厚度為20 m，這里只取斷層中間一環的襯砌進行應力分析即可，3種不同工況的襯砌的最大主應力與最小主應力如圖7～圖12所示，極值統計如表4所示。

表4 不同開挖工法襯砌應力統計表

通過對圖7～圖12以及表4進行分析可知，各工況的襯砌最大主應力以及最小主應力云圖較為相似，壓應力較大，拉應力較小，斷層內襯砌以受壓為主，隨著開挖工法從工況Ⅴ-1到Ⅴ-3變化，臺階開挖以及留核心土和臨時仰拱法時應力極值雖有增大，但應力分布更為均勻，應力集中情況減少，應力較大情況占比減小，從襯砌受力角度分析，跨軟弱斷層隧道施工時宜采用臺階法進行開挖，且三臺階法要優于兩臺階法，且預留核心土對襯砌受力情況有一定程度的改善。

5 不同開挖工法圍巖變形分析

開挖完成后，對圍巖變形進行分析，由于模型統一取斷層厚度為20 m，這里取模型中間橫剖面的圍巖變形進行分析即可，圍巖變形極值統計如表5所示。

表5 不同開挖工法圍巖變形統計表

各開挖工法的圍巖變形云圖分布相似。從表5可知，不管開挖工法如何變化，從豎向位移來看，隆起極值要大于沉降極值；從水平位移的角度分析，水平相對稱的位置的水平位移相差不大。隨著開挖工法從兩臺階法變化到三臺階法以及三臺階預留核心土法，不管是隆起、沉降亦或是水平位移都有不同程度的減?。划斉_階法預留核心土后，對圍巖變形控制效果較好，因此從圍巖整體變形的角度考慮，跨斷層隧道施工時宜選擇臺階法進行開挖，且三臺階法稍優于兩臺階法開挖，且三臺階預留核心土法對圍巖變形的控制效果和保持圍巖穩定性的作用最為明顯。

6 不同斷面型式監測點位移時空變化分析

對于斷層隧道施工時監測點位移變化的時空分析，取整體隧道各開挖進尺的相關監測點的位移進行統計分析，不同開挖工法的監測點位移隨開挖距離變化曲線繪制如圖13～圖15所示，由于結構和圍巖同為對稱，這里拱腳分析只取一側拱腳進行分析。

通過對比進行分析可知，不管是豎向位移還是水平位移，各工法的位移變化曲線類似，由于邊界原因，模型前后會有部分增減，這里不予分析。整個隧道施工過程中的位移極大值均出現在斷層中，拱頂沉降、仰拱隆起、拱腳處向隧道內收斂；施工時的監測點位移變化，進入斷層后各監測點的豎向和水平位移均發生突增，出斷層后又恢復正常，易出現位移突增突減的情況，尤其是拱頂位移變化，出斷層時的變化尤為明顯；隨著開挖工法從兩臺階開挖到三臺階再到預留核心土，普通圍巖中的位移變化并不是很明顯，但軟弱斷層中的圍巖整體各部位位移明顯減小。

7 結 論

a.跨軟弱斷層隧道施工時，各開挖工法情況下，襯砌均以受壓為主。隨著開挖工法從兩臺階到三臺階法再到預留核心土開挖，臺階法開挖時應力極值雖有所增大，但應力分布更為均勻，應力集中情況減少，襯砌的整體受力情況有所改善，預留核心土后對襯砌的受拉情況有所改善。

b.隨著開挖工法從兩臺階法變化到三臺階法以及三臺階預留核心土法，不管是隆起、沉降亦或是水平位移都有不同程度的減小，且預留核心土對圍巖變形控制效果較好。

c.對監測點的位移時空變化進行分析，不管是豎向位移還是水平位移，隨著開挖工法從兩臺階開挖到三臺階再到預留核心土，普通圍巖中的位移變化并不是很明顯，但軟弱斷層中的圍巖整體各部位位移明顯減小，且控制減小了開挖受斷層影響的范圍。

綜上分析，不管是出于襯砌受力還是圍巖變形以及圍巖穩定性控制的角度出發，跨軟弱斷層隧道施工時宜選擇臺階法進行開挖，且三臺階法稍優于兩臺階法開挖，在臺階法基礎上可以考慮預留核心土開挖，對圍巖變形的控制效果和保持圍巖穩定性的作用更為明顯。