高地應力軟硬互層隧道開挖工法比選分析

焦天磊,霍云峰

(中國鐵路蘭州局集團有限公司 蘭州市 730000)

0 引言

我國西部地區由于其特殊地形地貌,層狀圍巖分布非常廣泛,該地區內隧道的修建常由于圍巖強度較低、穩定性差等原因,各種災害大變形問題層出不窮,嚴重影響隧道的施工與后期的運營維護。同時,隨著隧道與地下工程的大量建設,由高地應力造成的施工問題也愈發凸顯[1-3]。

陳亮等[4]通過對比二臺階法、CD法、CRD法以及雙側壁導坑法的塑性區分布,得到若高地應力軟巖隧道施工采用臺階法,需要進行超前加固;楊友彬等[5]采用數值模擬,對淺埋條件下的軟巖隧道開挖進行分析,綜合比較支護結構受力和圍巖變形,在上下臺階+預留核心土、三臺階+預留核心土和交叉中隔壁法三種開挖工法中,三臺階+預留核心土對變形控制效果最好且改善結構受力。徐國文等[6]依托鷓鴣山隧道,采用有限元軟件,分析不同開挖方法下結構受力與變形情況, 得到對于高地應力作用下的互層隧道,宜采用三臺階施工同時合理預留變形量。

為此,文章針對高地應力軟硬互層隧道中的關鍵因素,通過數值模擬對變形機理進行分析;在此基礎上開展軟硬互層隧道開挖工法比選,從而總結得出針對高地應力軟硬互層隧道大變形的施工控制技術,對類似地下工程、隧道的設計和修建以及節省投資具有參考意義。

1 工程背景

以中衛至蘭州客運專線尖山隧道為工程背景,隧道處于甘肅省白銀市,全長5970 m。隧道所處區域地勢較為陡峭,整體高差較大,地層巖性主要以沉積巖和變質巖為主。隧道通過區域軟弱圍巖主要為砂巖和泥巖等,抗壓強度低,屬高地應力地區。

2 高地應力軟硬互層隧道開挖工法比選

2.1 計算模型與參數選擇

綜合分析常用開挖工法,參考已有隧道經驗,可以明確得出目前國內外隧道施工的常用工法仍然是臺階法,因此,為研究不同開挖方式對高地應力軟硬互層隧道的擾動程度和受力情況,選取三種工法進行分析。以離散元數值分析軟件3DEC為工具對傾角為59°的尖山隧道優勢層理面進行分析,從而選取合理開挖工法。完整的模型在X、Y、Z三個方向集合尺寸為100 m×60 m×100 m,如圖1所示。

圖1 不同工法模型示意圖

隧道圍巖物理力學參數及支護參數的選定按照表1和表2進行計算。

表1 圍巖力學參數表

表2 隧道支護參數表

2.2 隧道開挖順序與監測點布置

模擬中,上下臺階法是采用在上下臺階開挖完成后仰拱獨立開挖支護的工法,臺階長度為6 m;上下臺階+預留核心土法施工,預留核心土落后環形部分2 m開挖;CD法左右側分別分為上下兩部分進行開挖,隧道斷面共分為4個部分進行開挖,先對左側1、2部分分別進行開挖,依次完成支護,每相鄰部

分臺階長度為6 m。

隧道監測斷面測點布置如圖2所示。

圖2 監測點布置示意圖

2.3 數值模擬結果分析

(1)變形分析

三種施工方法下豎向位移和水平位移云圖,如圖3所示。由圖3可知:上下臺階法開挖后最大沉降值為122.28 mm,仰拱最大隆起值122.34 mm,最大水平收斂為191.26 mm。上下臺階+預留核心土法開挖后圍巖的最大沉降值為116.27 mm,仰拱最大隆起值為115.38 mm,最大水平收斂為129.49 mm,最大水平收斂和上下臺階法相比降低了32.30%,最大沉降值降低了4.91%;因為采用環形開挖,預留下的掌子面提高了周圍巖石的穩定性,從而大幅度降低了圍巖水平收斂,沉降和仰拱隆起也得到部分改善。中隔壁法圍巖最大沉降值為87.97 mm,仰拱最大隆起值為68.38 mm,最大水平收斂為114.14 mm,比其余兩種工法變形結果都小。

圖3 各工況位移變形云圖(單位:m)

對比分析可知:中隔壁法在三種工法中洞周圍巖變形最小,理論上隧道采用中隔壁法施工時,減小了隧道各部分開挖面積,開挖后及時進行支護,更有利于減小圍巖變形,但是對于此類高地應力隧道最為突出的水平收斂變形而言,和上下臺階+預留核心土法相比減小幅度不大,僅為11.85%,且中隔壁法在施工過程中增加了開挖分步,施工工序復雜,施工進度慢,經濟成本高,在施加和拆除中隔壁的過程中不容易控制,增加了未知風險發生的可能性。

(2)應力分析

三種不同開挖工法圍巖第一和第三主應力云圖如圖4所示。

圖4 不同工法圍巖主應力云圖

由圖4可以看出:上下臺階法最大拉應力為1.3MPa,上下臺階+預留核心土法施工時最大拉應力為0.95 MPa,中隔壁法施工時最大拉應力為0.66 MPa;上下臺階法施工最大壓應力為35.97 MPa,上下臺階+預留核心土法施工時最大壓應力為22.85 MPa,中隔壁法最大壓應力為19.85 MPa。對于隧道開挖過程中圍巖最大主應力而言,整體表現為上下臺階法>上下臺階+預留核心土法>中隔壁法。

隧道在采用三種工法開挖后應力云圖從分布形態上分析無明顯不同,圍巖主應力均為非均勻分布,而且在隧道開挖應力擴散邊緣出現類似于鋸齒狀分布,顯然這些在節理面出現的應力突變現象是由于塊體被眾多節理切割所引起的,最大主應力云圖分布基本沿著節理方向對稱分布。

3 結論

(1) 上下臺階法開挖后圍巖最大沉降值為122.28 mm,最大水平收斂值為191.26 mm;上下臺階+預留核心土法最大沉降值為116.27 mm,最大水平收斂值為129.49 mm;中隔壁法最大沉降值為87.97 mm,最大水平收斂值為114.14 mm。結合各測點變形值發現除上下臺階法外,其余兩種開挖工法隧道變形值均滿足規范要求。

(2) 由于高地應力軟硬互層隧道中存在節理面,圍巖主應力云圖呈現出沿著節理面方向的對稱現象,且在垂直節理面方向發生一定深度的應力擴散。

(3) 綜合分析圍巖變形、應力和施工等因素,上下臺階+預留核心土法對于高地應力軟硬互層隧道具有明顯適用性,相對來說該工法施工簡單,施工過程容易控制且施工工序少、經濟性好、施工進度快、靈活性高,建議采用。