第三系富水弱膠結砂巖隧道施工方案對比

丁祥 侯宗政 朱永全 樊浩博

1.中鐵第五勘察設計院集團有限公司， 北京 102600；2.石家莊鐵道大學 省部共建交通工程結構力學行為與系統安全國家重點實驗室， 石家莊 050043

第三系富水弱膠結砂巖穩定性差、結構脆弱，遇水浸潤（泡）或長時間暴露易產生結構破壞［1-3］。在該類地層中修建隧道時圍巖容易變形，不同施工方案對隧道的安全影響較大。國內外學者對隧道開挖工法及變形問題做了大量研究。李國良等［4］研究了第三系泥質弱膠結富水粉細砂巖隧道設計、施工關鍵技術。邵珠山等［5］研究了典型軟巖隧道的變形特征，得到了泥質砂巖的應變-時間曲線。王秀英等［6］對桃樹坪隧道、胡麻嶺隧道穿越含水弱膠結砂巖進行了現場測試，得到了較為合理的施工方法。司劍鈞［7］針對富水泥質弱膠結粉砂巖地層開展了洞內降水、超前加固、施作支護結構、徑向注漿等施工工序的論證分析，為隧道施工參數的選擇提供了依據。韓赟［8］對比了交叉中隔壁（Cross Diaphragm，CRD）法和雙側壁導坑法的優缺點及適用性，為隧道工法的選擇提供了借鑒。來弘鵬等［9］針對砂土地層盾構隧道小角度斜穿既有隧道的技術難題，給出了施工參數建議值。王玉鎖等［10］探討了砂土地層隧道圍巖黏聚力的影響因素，總結了砂土密實程度、含水率對黏聚力的影響規律。祁衛華［11］總結了第三系富水砂巖隧道的工程性質和施工方法優缺點，提出了重降水、輔注漿、強支護、快封閉的設計、施工理念。

上述文獻對弱膠結砂巖物理特性、施工方法等開展的研究，對隧道穿越弱膠結砂巖區的安全施工有重要指導意義，也對第三系富水弱膠結砂巖隧道施工方案的選擇提供了借鑒。本文依托中蘭高速鐵路香山隧道，采用數值模擬對第三系富水弱膠結砂巖隧道的施工方案進行比選，分析不同施工方案對隧道施工安全的影響，并將模擬結果與現場監測數據進行對比。

1 工程概況

香山隧道位于寧夏回族自治區中衛市沙坡頭區，全長17.763 km，為單洞雙線高速鐵路隧道，設計時速250 km。DK43 + 953.3—DK44 + 347.0 段地層主要為第三系富水弱膠結砂巖夾泥巖，圍巖等級為Ⅴ級。隧道平均埋深為140 m。地下水主要為基巖裂隙水，隧道位于地下水位線以下。隧道進入該區段后掌子面泥化嚴重，無法自穩。掌子面、邊墻、基底等部位出現涌砂，部分圍巖劣化成稀粥狀，施工風險大、進度慢。為了提高圍巖的穩定性，采用超前周邊注漿預加固地層，每一循環注漿長度為15 m，縱向搭接3 m，注漿圈厚度為3 m。

2 隧道施工方案數值模擬

2.1 計算模型

分別模擬三臺階預留核心土法（簡稱預留核心土法）、三臺階臨時仰拱法（簡稱臨時仰拱法）和CRD 法對隧道、圍巖穩定性的影響。模型尺寸為90.00 m（長） × 40.00 m（寬） × 85.32 m（高），隧道開挖高度、跨度分別為12.32、14.42 m，如圖1所示。模擬隧道埋深為130 m 的工況，拱頂距模型上邊界40 m，上部剩余90 m 的土層以均布荷載的形式施加在模型上。圍巖、初期支護分別采用摩爾庫倫、彈性本構模型。模型底部及四周均施加法向位移約束，上部為自由邊界。荷載主要為結構自重。

圖1 計算模型（單位：m）

2.2 計算參數

土層計算參數根據地勘資料并結合TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》取值，各土層抗拉強度均為1.75 MPa。其他計算參數見表1。隧道支護結構計算參數見表2。

表1 土層計算參數

表2 隧道支護結構參數

模擬計算時，鋼拱架的彈性模量與噴射混凝土一起考慮，折算后初期支護的彈性模量為

式中：E、I分別為折算后初期支護的彈性模量和慣性矩；E混、I混分別為噴射混凝土的彈性模量和慣性矩；E鋼、I鋼分別為鋼拱架的彈性模量和慣性矩。

折算后初期支護的彈性模量為26.38 GPa。

2.3 開挖工況

預留核心土法、臨時仰拱法以及CRD 法開挖橫斷面如圖2所示。

圖2 隧道開挖橫斷面

以預留核心土法為例，將隧道從上至下分為四層，分別是上臺階、中臺階、下臺階和仰拱。上臺階循環進尺為0.5 m，中、下臺階循環進尺為1.0 m。上臺階距中臺階、中臺階距下臺階、下臺階距仰拱的距離分別為5、20、10 m，仰拱開挖深度為5 m，如圖3 所示。臨時仰拱法、CRD 法的臺階長度與預留核心土法類似。

圖3 預留核心土法開挖設置（單位：m）

2.4 計算結果

2.4.1 隧道豎向位移

采用不同工法，上臺階分別開挖至40 m 時，隧道洞口的豎向位移見圖4?？芍侯A留核心土法和臨時仰拱法的豎向位移規律較相似，隧道最大豎向位移均位于拱肩，其次為拱頂；CRD 法的最大豎向位移則出現在拱頂。

圖4 上臺階開挖至40 m時，隧道洞口的豎向位移（單位：m）

不同上臺階開挖深度下隧道洞口處拱頂豎向位移見圖5?？芍翰捎妙A留核心土法和臨時仰拱法時，隧道拱頂豎向位移均隨著開挖深度的增加而增大，上臺階開挖至40 m 時累計拱頂豎向位移分別為20.87、15.13 cm，采用臨時仰拱法時隧道拱頂豎向位移比采用預留核心土法減小27.5%。采用CRD 法時拱頂豎向位移隨著隧道開挖深度增加變化較小，上臺階開挖至40 m 時累計拱頂豎向位移為7.01 cm，比前兩種工法分別減小66.4%和53.7%，CRD 法對拱頂豎向位移的控制效果最好。CRD 法將隧道斷面分為若干塊封閉的臨時支護體系，增強了支護結構對圍巖變形的抵抗能力，因此，對于松散的富水砂巖地層建議采用CRD法施工。

圖5 不同上臺階開挖深度下隧道洞口處拱頂豎向位移

2.4.2 隧道水平位移

采用不同工法，上臺階分別開挖至40 m 時，隧道洞口的水平位移見圖6，不同上臺階開挖深度下隧道洞口處最大水平位移見圖7。由圖6和圖7可知：三種工法下隧道最大水平位移均位于邊墻中下部，采用預留核心土法與臨時仰拱法時隧道的水平位移較大，CRD 法對隧道水平位移控制效果最好。上臺階開挖至40 m 時，采用預留核心土法、臨時仰拱法和CRD 法最大水平位移分別為29.01、26.10、3.65 cm，采用CRD 法時的水平位移比采用預留核心土法及臨時仰拱法分別減少87.4%、86.0%。預留核心土法在開挖中臺階（上臺階開挖至6 m）時隧道水平位移增加顯著，臨時仰拱法在開挖下臺階（上臺階開挖至26 m）時水平位移迅速增大，此階段還需要拆除臨時仰拱，兩施工步驟均會造成隧道位移增加。因此，隧道施工時應加強各臺階開挖、拆除臨時仰拱等施工步驟的質量控制。

圖6 上臺階開挖至40 m時，隧道洞口的水平位移（單位：m）

圖7 不同上臺階開挖深度下隧道洞口處最大水平位移

2.4.3 圍巖塑性區

各工法下圍巖塑性區分布云圖見圖8。可知：預留核心土法對圍巖擾動最大，上臺階開挖至40 m 時圍巖最大塑性區厚度為16.0 m，位于拱肩。因此，隧道施工時應重點控制拱肩部位的施工質量。采用臨時仰拱法和CRD 法時圍巖最大塑性區厚度分別為8.5、3.0 m，CRD法對圍巖擾動最小。

圖8 各工法下圍巖塑性區分布云圖（單位：m）

綜合隧道位移和圍巖塑性區厚度來看，采用CRD法施工對圍巖的擾動最小，對隧道變形的控制效果最好，可應用于掌子面自穩性差的富水砂巖地層。但該工法施工工序繁瑣、經濟性差，選擇施工方案時還應兼顧經濟性和施工便捷性。

3 現場監測

3.1 監測區段

為了保證施工進度，考慮到大型機械作業方便，香山隧道穿越砂巖區段采用預留核心土法施工，并在DK44 + 120和DK44 + 150布置了位移測點。

3.2 監測結果

隧道上臺階進尺約1 m/d，將上臺階開挖至40 m時的數值模擬結果與現場監測前40 d 的位移結果進行對比，見圖9。可知：監測結果與數值模擬結果基本一致，模擬結果可靠。隨著開挖深度的增加，隧道拱頂豎向位移、最大水平位移均增大，當上臺階開挖至40 m 時，測點DK44 + 120 和DK44 + 150 的累計拱頂豎向位移分別為21.86、21.60 cm，最大水平位移分別為30.04、29.54 cm，滿足設計要求，變形量小于40 cm。可見，采用預留核心土法能保證香山隧道施工安全。

圖9 數值模擬結果與現場監測結果對比

4 結論

本文以香山隧道為依托，采用數值模擬開展了富水弱膠結砂巖隧道施工方案的對比研究，分析了不同施工方案對隧道、圍巖穩定性的影響，并通過現場監測數據對數值模擬結果進行了驗證。主要結論如下：

1）在富水弱膠結砂巖地層，隧道采用預留核心土法、臨時仰拱法和CRD 法施工時，其豎向和水平位移均隨著開挖深度的增加而增大。由數值模擬結果可知，采用預留核心土法施工對圍巖擾動最大，當上臺階開挖至40 m 時隧道累計拱頂豎向位移、最大水平位移分別為20.87、29.01 cm。

2）采用預留核心土法、臨時仰拱法和CRD 法施工時，圍巖最大塑性區厚度分別為16.0、8.5、3.0 m，CRD 法施工對圍巖的擾動最小。采用預留核心土法和臨時仰拱法圍巖最大塑性區位置均位于拱肩。

3）現場監測結果與數值模擬結果基本一致，說明數值模擬可靠。通過監測可知，采用預留核心土法施工時隧道拱頂豎向位移、水平位移均滿足設計要求。

4）預留核心土法施工簡單、施工速度快，可應用于富水弱膠結砂巖隧道；CRD 法對隧道、圍巖穩定性控制效果好，可應用于掌子面自穩性差的富水砂巖地層。在選擇施工方案時，應綜合考慮安全性、經濟性和施工效率，選取最優方案。