渝昆高鐵華山松隧道穿越凝灰巖段施工工法分析

杜燕忠

（京昆高速鐵路西昆有限公司，重慶 400023）

0 引言

隨著我國鐵路的快速發展，作為重要組成部分的隧道也逐步向“長、大、深”方向發展，其中不可避免地需要穿越不良地質層，凝灰巖地層就是其中一種。凝灰巖地層具有遇水軟化、自穩能力差等缺點，施工中可能發生突水、突泥，洞頂坍塌、滑涌失穩等風險。相關研究中，王俊海［1］以新建大臨鐵路大平掌隧道為背景，介紹了全風化凝灰巖隧道的施工難點；楊善成等［2］以林芝—拉薩高等級公路米拉山隧道為背景，提出圍巖注漿堵水和隧道排水是防止凝灰巖遇水軟化的重要措施；王樹英等［3］針對貴昆鐵路三聯隧道，研究高地應力強風化凝灰巖地層隧道支護結構大變形的原因及其整治方案。本研究依托在建渝昆高鐵華山松隧道，分析穿越破碎凝灰巖段兩臺階與三臺階工法下，圍巖、支護結構受力及變形情況，為此類在建工程的后續施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

華山松隧道位于云南省會澤縣待補鎮與田壩鄉境內，隧道起訖里程為DK568+780～DK585+240，全長16 460 m。隧道最大埋深約為432 m，最小埋深約為13 m。華山松隧道為Ⅰ級高風險隧道，圍巖級別以Ⅳ、Ⅴ級為主，不良地質為有害氣體、巖溶、圍巖大變形、水庫塌岸等。掌子面圍巖呈現玄武巖夾凝灰巖，紅褐色，節理發育，巖質軟，結構面結合較差。巖體呈裂隙塊狀結構，圍巖潮濕，左側滲水嚴重，結構面有軟化現象，自穩性差。

1.2 施工情況

1.2.1 監測情況。華山松隧道2 號橫洞大里程端DK578+970（1#）～DK579+020（7#）變形情況如圖1 所示。根據現場監控數據分析可以看出，測點累積變形和變形速率都在急劇增大，表明該段出現大變形。

圖1 華山松隧道2號橫洞大里程端DK578+970（1#）～DK579+020（7#）變形情況

1.2.2 施工災害。華山松隧道2 號橫洞工區正洞施工過程中，洞身開挖多次遇到凝灰巖夾層，掌子面溜塌頻繁，其中DK579+900～+020 段出現侵限及溜塌現象，如圖2所示。

圖2 華山松隧道掌子面溜塌及侵限

1.2.3 方案優化。方案采用的鋼架類型為Ⅰ22a 型鋼鋼架，全環設置，縱向間距0.6 m；超前支護類型為Φ76 mm 中管棚加Φ42 mm 超前小導管，Φ76 mm 中管棚，環向間距0.4 m，每環50 根，縱向間距6 m，單根長9 m；Φ42 mm 超前小導管，環向間距0.4 m，每環50 根，縱向間距3.0 m，單根長4.5 m。DK579+004～+007 段設置3 m 厚C20 混凝土止漿墻，DK579+004～+025 段進行拱墻超前周邊雙液漿注漿堵水，注漿范圍為開挖輪廓線外5 m，施工方法由臺階法變為三臺階法。

2 數值模擬

2.1 計算模型

選取DK579+000～+032 段為研究對象，建立三維模型。模型取縱向方向（Y軸方向32 m），垂直于隧道軸向方向（X軸84 m），豎向底部范圍取距離隧道底部35 m，施工模擬過程中僅考慮自重條件，不考慮構造應力作用，模型邊界為法向位移約束［4-5］。計算模型如圖3所示。

2.2 計算參數

超前支護及錨桿等效為周邊圍巖參數加強，工字鋼及鋼筋按剛度等效原理等效噴射混凝土［6-8］。根據地質勘查報告及同地區類似資料，模型中圍巖及支護結構參數見表1。

表1 圍巖及支護結構參數

2.3 施工模擬

本次模擬計算中，各臺階進尺統一按3 m 考慮，施工過程中按“第一次開挖—第二次開挖+第一次支護—第三次開挖+第二次支護”的順序進行施工模擬，二襯施工僅作為安全儲備。兩臺階施工時，施工步驟共計15 個，三臺階法施工時施工步驟共計16個，具體如圖4所示。

圖4 隧道開挖施工工序示意

3 結果分析

3.1 位移分析

隧道開挖完成后整體位移云圖如圖5所示。

圖5 隧道開挖后位移云圖

由圖5 可知，兩臺階最大沉降值為7.8 cm，三臺階最大沉降值為6.7 cm，采用三臺階施工工法最大沉降量比兩臺階施工工法降低14%。取模型中間斷面為特征斷面進行分析，其隧道初支拱頂隨施工步的變形曲線如圖6所示。

圖6 不同開挖工法下特征斷面隧道拱頂沉降曲線

由圖6 可知，隧道開挖的過程中，拱頂沉降曲線呈現“緩慢增加—急劇增加—緩慢減小—平穩”四個階段的規律；兩臺階最大拱頂沉降量為5.62 cm，三臺階最大拱頂沉降量為5.11 cm。

由上圍巖及支護結構位移分析可知，采用三臺階法開挖后，變形情況較兩臺階有一定程度的改善，其中整體最大沉降量降低14%，特征斷面沉降量降低9%。

3.2 圍巖應力分析

隧道開挖圍巖整體應力云圖如圖7所示。

由圖7 可知，隧道開挖后，隧道拱頂和仰拱部位應力值均出現拉應力，其中最大拉應力值為0.1 MPa。在隧道施工過程中要注意控制一次開挖進尺及盡早支護，防止出現塌方及底部隆起情況；在隧道兩側拱肩部位出現最小主應力（壓應力）集中現象。

3.3 支護結構應力分析

隧道開挖支護結構應力云圖如圖8、圖9所示。

圖8 兩臺階支護結構應力

圖9 三臺階支護結構應力

由圖8、圖9可知，隧道開挖完成后，兩種工法初期支護最大拉應力值均超過噴射混凝土極限抗拉強度，其中三臺階最大拉應力較小，很容易出現初期支護開裂，主要出現在隧道拱部區域，另外在仰拱部位也出現一定拉應力。施工中在進行仰拱施工時，應注意清除底部浮渣及雜物，另外在隧道拱部區域應加強鋼筋網片間距控制，防止出現初期支護開裂。最大壓應力出現在墻腳部位，兩臺階工法最大壓應力為17.2 MPa，三臺階工法下最大壓應力為17.1 MPa，由于初期支護中有鋼架，一般不會出現由于強度不足而出現壓壞的情況，但為了保證初期支護整體安全性，施工中應注意加強該部位鎖腳錨桿質量控制，同時要提高拱腳部位承載能力，防止出現較大的變形。

4 結語

本研究通過對渝昆高鐵華山松隧道穿越凝灰巖段兩種施工工法進行對比分析，得出以下結論。

①在位移方面，采用三臺階法開挖后，變形情況較兩臺階有一定程度的改善，其中整體最大沉降量降低14%，特征斷面沉降量降低9%；在支護結構受力方面，三臺階法要比兩臺階法稍有優勢。

②隧道開挖后，隧道拱頂及仰拱部位出現局部拉應力，在兩側邊墻部位出現壓應力集中。施工中要注意觀察邊墻初支是否出現開裂、鼓包等現象，必要時施作臨時橫撐，以保證施工安全。