超大斷面鐵路隧道施工斷面綜合荷載釋放過程研究

李術(shù)才，趙 巖,2，李利平，周 毅，劉 欽

（1. 山東大學 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，濟南 250061；2. 青島市地下鐵道公司，山東 青島 266071）

1 引 言

近年來隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)事業(yè)的大規(guī)模跨越式發(fā)展，我國西部地區(qū)所修建的大型公路、鐵路工程數(shù)量不斷增加。許多自然環(huán)境惡劣，地質(zhì)條件復(fù)雜，以往被認為是“工程禁區(qū)”的地區(qū)都興起了大規(guī)模的交通基礎(chǔ)設(shè)施。山區(qū)基建工程的發(fā)展就使許多長大隧道工程不斷涌現(xiàn)，尤其是在鐵路工程建設(shè)中，考慮到造價等各項因素，當前的鐵路隧道主要采取單洞雙線的設(shè)計形式，隧道開挖斷面較大，與此同時，工程建設(shè)難度及風險也進一步增加。與地面建筑物不同，隧道是修筑在具有一定應(yīng)力歷史和一定初始應(yīng)力場的圍巖中的結(jié)構(gòu)物。初始應(yīng)力場是在隧道開挖之前就已經(jīng)客觀存在的[1－5]。因此，隧道開挖的擾動會使一定范圍內(nèi)的圍巖發(fā)生松弛，產(chǎn)生一定的荷載作用于隧道結(jié)構(gòu)上。隧道開挖斷面的加大，會增加隧道開挖的擾動范圍和增加隧道結(jié)構(gòu)所承受的荷載。根據(jù)巖承理論的思想，隧道洞壁圍巖不僅僅是荷載的來源，更是隧道承載結(jié)構(gòu)的重要組成部分，這里所說的隧道結(jié)構(gòu)，不僅指狹義上的隧道支護結(jié)構(gòu)，也包括在隧道開挖過程中發(fā)揮承載作用的洞壁圍巖。隨著隧道掌子面的推進，隧道結(jié)構(gòu)所承受的荷載在圍巖應(yīng)力調(diào)整的過程中是不斷釋放的，最終開挖結(jié)束且隧道結(jié)構(gòu)及圍巖達到穩(wěn)定狀態(tài)后荷載的釋放過程結(jié)束。而該荷載釋放的演化過程則受到斷面開挖方式、支護時機等多種因素的影響，可以認識到的是，平緩并且較少突變的荷載釋放過程對隧道圍巖損傷最小，同時也最有利于隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。這樣就可以通過對施工過程中的荷載釋放規(guī)律進行研究，從而進一步分析施工過程中的圍巖穩(wěn)定性[6－9]。隧道施工的荷載釋放過程一直是隧道施工力學的研究熱點之一，許多專家學者通過數(shù)值分析或現(xiàn)場監(jiān)測的手段對其進行過深入的研究，然而過去的研究往往只是針對隧道洞壁的一點展開，沒有對開挖過程中某斷面的整體荷載釋放狀態(tài)進行全面的研究。

本文通過數(shù)值分析及模型試驗，對超大斷面鐵路隧道施工過程中的斷面整體荷載釋放過程進行了相關(guān)研究。首先，有針對性的研究了臺階法施工過程中隧道洞壁不同特征點的荷載變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上定義了能夠表征隧道斷面整體荷載釋放狀態(tài)的斷面綜合荷載釋放率和荷載釋放差異系數(shù)概念，然后，分析總結(jié)了隧道開挖過程中的變化規(guī)律。隨后通過隧道開挖過程地質(zhì)力學模型試驗的方法，監(jiān)測開挖過程中洞壁不同位置的圍巖徑向壓力變化過程，進一步說明了將整個斷面作為一個整體研究對象的必要性，對斷面整體荷載釋放狀態(tài)進行評價，有利于得出更適用性的結(jié)論，進而綜合評估分析隧道施工過程中的荷載釋放規(guī)律。

2 工程背景

本次研究以貴廣鐵路天平山隧道為工程背景。貴廣鐵路天平山隧道，位于廣西壯族自治區(qū)桂林市，全長14 005 m，最大埋深為775 m，設(shè)計為雙線單洞隧道，設(shè)計時速250 km，預(yù)留進一步提速條件。本隧道設(shè)置 0～4#斜井，6個工作面，是貴廣鐵路的控制性工程。圖1為天平山隧道臺階法開挖斷面情況。

圖1 天平山隧道臺階法開挖斷面Fig.1 The section of Tianpingshan tunnel

由于鐵路客運專線的設(shè)計時速較高，故采用單洞雙線隧道的設(shè)計形式有利于緩解行車過程中的隧道空氣動力學問題。單洞雙線隧道的開挖斷面面積在150 m2左右，施作襯砌后的凈空也在100 m2左右，屬于超大斷面隧道，開挖面積和凈空面積的增大，導(dǎo)致了隧道施工過程中結(jié)構(gòu)承受的圍巖荷載的進一步增加。故對超大斷面隧道施工中的荷載釋放過程進行深入研究就有了重要的現(xiàn)實意義。

3 計算模型建立

數(shù)值計算方法是當前巖土工程研究中主要采取的重要手段之一，是試驗手段和現(xiàn)場監(jiān)測的有力補充，數(shù)值計算的研究不受監(jiān)測點布置及測量精度的影響，有利于揭示施工過程中荷載變化過程的內(nèi)在規(guī)律。

本研究使用基于拉格朗日方法的有限差分軟件FLAC3D作為數(shù)值模擬手段。其計算原理遵循連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，通過每一個時步的計算積分求解，并且在計算的過程中節(jié)點與單元的坐標隨著變形的增加而不斷更新，能夠求得介質(zhì)的大變形，有利于貼近巖土工程問題的現(xiàn)實情況。參考地質(zhì)條件及隧道實際斷面設(shè)計情況，并對計算模型進行適當簡化，首先，確定計算模型模擬范圍：設(shè)水平方向為x軸，長度為80 m，縱向為z軸，沿隧道軸線方向30 m，豎直方向為y軸。由于計算中隧道斷面及頂部荷載均為對稱布置，故取隧道結(jié)構(gòu)的1/2進行建模計算。所建立模型如圖2所示。

數(shù)值計算屈服準則的選取是否科學是計算結(jié)果能否反映客觀規(guī)律的基礎(chǔ)，Mohr-Coulomb準則由于其能夠反映巖土材料屈服時與球應(yīng)力和偏應(yīng)力密切相關(guān)的重要特性而在巖土工程研究中被廣泛應(yīng)，同時在計算中也要考慮到巖體的彈塑性變形及大變形[10－11]。計算過程中為了盡量減少模型體邊界對計算結(jié)果產(chǎn)生的影響，主要提取開挖至計算模型中間時的計算數(shù)據(jù)。

圖2 數(shù)值計算模型Fig.2 Model for numerical analysis

4 隧道施工荷載釋放過程數(shù)值分析

隧道臺階法開挖是當前隧道施工中應(yīng)用最廣泛的方法，其具有施工效率高、工作平臺空間大、方便機械化施工，并且具有可以多作業(yè)面平行作業(yè)等優(yōu)點，并且在地質(zhì)條件發(fā)生變化時，能夠靈活及時地轉(zhuǎn)換施工工序，調(diào)整施工方法[12]。

在臺階法施工過程中，圍巖會受到開挖過程的多次影響，在臺階法開挖過程中，圍巖應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程的影響因素非常多，包括臺階開挖面積、長度、開挖循環(huán)進尺以及支護封閉成環(huán)距離等都對其有著重要的影響。本文選取上下臺階高度相同，臺階長度均為5 m的二臺階法開挖的標準工況作為研究對象。在臺階法施工荷載釋放過程研究分析中，主要將拱頂處的豎向應(yīng)力、邊墻處的水平應(yīng)力以及底板處的豎向應(yīng)力作為研究對象。在分析過程中采用數(shù)據(jù)歸一化處理的方法，消去應(yīng)力的單位和方向，著重分析其數(shù)值上的變化過程。將每一步開挖結(jié)束后的徑向應(yīng)力的絕對值與初始地應(yīng)力情況下進行對比，進而研究洞壁圍巖徑向應(yīng)力的變化過程。圖 3為監(jiān)測點位置與隧道臺階分界線位置示意圖。

圖3 隧道臺階法開挖示意圖Fig.3 Bench method excavation of the tunnel

圖4為臺階法施工過程中隧道洞壁徑向應(yīng)力變化過程曲線圖。其中，曲線的縱坐標為臺階法開挖到某一時刻隧道洞壁上不同位置的徑向荷載與初始地應(yīng)力情況下此處徑向圍巖壓力的比值。

圖4 臺階法施工隧道洞壁徑向應(yīng)力變化過程Fig.4 The load changing process of the wall rock during excavation

圖中的3條豎線分別為上臺階、下臺階及落底時刻開挖到達的位置。通過相關(guān)文獻的表述可知[1]，隧道圍巖荷載主要來源于圍巖壓力，在分析過程中近似地認為，徑向應(yīng)力變化過程等同于圍巖壓力。

對于拱頂位置的徑向荷載變化過程，根據(jù)數(shù)據(jù)曲線的變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，拱頂位置的徑向荷載主要受到上臺階開挖的影響，其整體上可以分為3個階段；一是在開挖到監(jiān)測點之前，拱頂處的徑向荷載處于隨著開挖臨近荷載增加的階段，在上臺階開挖面距離監(jiān)測點大約2 m，即開挖之前一個循環(huán)進尺左右時，荷載增加的程度達到最大；二是在上臺階開挖通過監(jiān)測點的前后各2 m，即一個循環(huán)進尺范圍內(nèi)，拱頂處的徑向荷載發(fā)生急劇釋放。分析認為，這是由于隧道拱頂位置的圍巖受到上臺階開挖的擾動影響最大，上臺階的開挖使監(jiān)測點位置的圍巖下方瞬間出現(xiàn)臨空面，原本作用于開挖掉那部分巖體的拱頂徑向荷載失去荷載作用對象，故此處的巖體開始發(fā)生應(yīng)力調(diào)整，由起初的豎向應(yīng)力為主逐漸調(diào)整為水平向應(yīng)力占主導(dǎo)。三是上臺階開挖面開挖穿過拱頂監(jiān)測點一個循環(huán)進尺的距離之后，拱頂位置的徑向應(yīng)力在上臺階開挖穿過一個循環(huán)進尺之后基本不再發(fā)生變化。由圖中曲線數(shù)據(jù)可知，上臺階長度確定為5 m是較為合理的，下臺階開挖時拱頂位置的荷載已基本釋放完畢，有利于拱頂處圍巖的穩(wěn)定。

邊墻位置的徑向荷載與拱頂類似，在上臺階開挖到監(jiān)測點所在斷面時，邊墻處的徑向荷載發(fā)生了一定程度的增加，為初始地應(yīng)力的 5%左右。上臺階開挖后邊墻處的徑向荷載開始釋放，釋放速率與拱頂處相比較緩慢，釋放速率是同時刻拱頂?shù)?1/3左右。邊墻處徑向荷載的主要釋放過程處于下臺階開挖前后各一個循環(huán)進尺距離的范圍內(nèi)，在這兩個循環(huán)的開挖過程中邊墻處釋放的荷載占釋放荷載總數(shù)的78%。故通過調(diào)整下臺階開挖斷面形式等手段可減弱下臺階開挖對邊墻的影響，有利于優(yōu)化邊墻荷載釋放，使荷載釋放速率更為平緩。

隧道底板位置的徑向荷載釋放過程，受到了臺階法開挖全過程的影響。從受到開挖影響開始，底板位置的徑向荷載一直處于不斷減少的過程中，且荷載釋放的速率比較平穩(wěn)，每次開挖前后荷載釋放過程均沒有發(fā)生突變。此外，由于隧道底板位置不同于拱頂及邊墻，即使圍巖發(fā)生失穩(wěn)破壞也不會對隧道的整體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全造成太大的破壞，故隧道底板徑向荷載的釋放過程可以不作為研究分析的重點。

通過以上對臺階法開挖過程中隧道斷面上不同位置的圍巖荷載釋放過程的分析研究，發(fā)現(xiàn)在臺階法開挖過程中，隨著開挖的逼近，相同斷面不同位置的荷載釋放過程存在著一定的差異。受到上臺階首先開挖的影響，拱頂位置圍巖首先開始荷載釋放。并且在臺階法開挖逼近監(jiān)測斷面的過程中，拱頂及邊墻位置的圍巖在應(yīng)力調(diào)整過程中首先發(fā)生荷載集中現(xiàn)象，且不同位置的荷載集中程度不同。

所以說，通過對臺階法開挖過程中的洞壁荷載釋放過程分析，發(fā)現(xiàn)同一個斷面上不同位置的荷載釋放過程存在很大差異，這就需要對斷面整體荷載狀態(tài)進行綜合研究。

5 斷面整體荷載狀態(tài)研究

在斷面整體荷載釋放狀態(tài)的研究中，首先取上、下臺階開挖面位置的斷面整體荷載狀態(tài)進行單獨分析。

圖5為臺階法開挖過程中上臺階掌子面位置斷面整體荷載狀態(tài)，其中，黑色實線為隧道開挖輪廓，陰影部分的寬度表示洞壁該點的徑向荷載與初始應(yīng)力狀態(tài)徑向荷載比值的大小，黑色虛線為比值1的初始狀態(tài)曲線。由圖中曲線可知，上臺階開挖面上不同位置的荷載釋放程度存在很大差異，即在應(yīng)力調(diào)整的過程中，相同斷面不同位置的荷載的釋放是不同步的。上臺階的開挖主要對隧道上半斷面的圍巖的荷載釋放造成影響。圍巖徑向荷載從拱頂?shù)絻蓚?cè)邊墻的集中程度逐漸增加，拱頂位置荷載釋放最多，洞壁與上臺階開挖底面交界的位置的荷載集中程度達到最大，這兩個位置的荷載集中程度最大，也就意味著在上臺階開挖后這兩個位置圍巖向隧道內(nèi)發(fā)生變形和失穩(wěn)的趨勢最大，應(yīng)對此處圍巖加強支護及監(jiān)控量測頻率，以防此處巖體由于徑向荷載變化過大發(fā)生剪切破壞。而此時隧道未開挖部分的荷載釋放過程基本同步，且對已開挖臨空部分的穩(wěn)定基本沒有影響。

圖5 上臺階開挖面斷面整體荷載狀態(tài)Fig.5 Load condition of excavating section during upper bench cutting

圖6為臺階法開挖過程中下臺階掌子面位置斷面整體荷載狀態(tài)，由圖可知，在下臺階開挖過后不同位置的荷載釋放情況存在較大差異，拱頂位置在上臺階開挖過后荷載進一步釋放，當下臺階開挖到斷面位置時已經(jīng)趨近于全部釋放，但下半部分邊墻由于之前受到下臺階未開挖的鉗制作用，還殘存有較大的徑向荷載，這同時也說明了在下臺階開挖過后隧道斷面上徑向荷載最大，即最容易發(fā)生失穩(wěn)的位置為拱腳位置，在隧道開挖的過程中，下臺階開挖過后應(yīng)及時對隧道拱腳處施加支護，消除或者緩解拱腳處的徑向荷載集中程度，同時也說明在下臺階開挖過后應(yīng)該及時施作鎖腳錨桿以確保拱腳圍巖的穩(wěn)定的必要性。

圖6 下臺階開挖面斷面整體荷載狀態(tài)Fig.6 Load condition of excavating section during lower bench cutting

通過對上、下臺階開挖面的斷面整體荷載釋放狀態(tài)進行分析，有必要引入新的概念，用以衡量斷面的整體荷載釋放狀態(tài)。故定義斷面綜合荷載釋放率和荷載釋放差異系數(shù)概念如下：

（1）斷面平均荷載釋放率定義為開挖斷面上所有徑向荷載特征點荷載釋放率曲線包絡(luò)面積與初始地應(yīng)力條件下的荷載釋放率曲線包絡(luò)面積的比值；

式中：Rt為斷面平均荷載釋放率；Si為第i個特征點的徑向荷載釋放率；n為洞壁圍巖荷載釋放率特征點總數(shù)；ha為洞壁圍巖荷載釋放率特征點平均間距。

（2）荷載釋放差異系數(shù)定義為開挖斷面上所有徑向荷載特征點的徑向荷載釋放率與荷載釋放率平均值之差的平方和除以荷載釋放特征點總數(shù)得到的值。

式中：Nd為荷載釋放差異系數(shù)；Sa為斷面上所有特征點的徑向荷載釋放率平均值。

通過斷面綜合荷載釋放率和荷載釋放差異系數(shù)的定義，可以通過其描述隧道施工過程中某斷面整體的荷載釋放狀態(tài)，包括荷載釋放平均程度及荷載釋放進程的差異程度。

6 隧道施工過程模型試驗

通過數(shù)值分析方法的研究，對施工過程的隧道斷面整體荷載釋放過程有了一定的認識，在此基礎(chǔ)上，又進行了隧道開挖過程地質(zhì)力學模型試驗，監(jiān)測隧道開挖過程中洞壁不同位置的圍巖徑向壓力，進一步對隧道施工的荷載釋放過程進行研究

本次模型試驗主要針對隧道臺階法施工過程中的荷載變化過程進行研究，在開挖前應(yīng)首先模擬初始地應(yīng)力條件，故應(yīng)采用先加載后開挖的模型試驗設(shè)計方式。研究荷載釋放過程要首先明確隧道荷載的來源，本試驗中主要考慮巖土體壓力對隧道結(jié)構(gòu)的影響，故將圍巖壓力的變化過程作為主要監(jiān)測對象。相似材料是模型試驗?zāi)芊褓N近真實工程情況的重要一環(huán)，本次試驗采用山東大學自主研制并且已經(jīng)申請專利的鐵晶砂相似材料作為試驗用巖體相似材料[13]。根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)情況進行符合相似比的相似材料研制工作。

為了與數(shù)值模擬結(jié)論進行對比分析，模型試驗采用臺階法開挖，以監(jiān)測臺階法開挖中的荷載變化過程。圖7為模型試驗過程臺階法開挖方案示意圖（試驗相似比為1：50），圖8為模型試驗臺階法開挖過程正面觀察情況。

圖7 臺階法開挖方案設(shè)計Fig.7 Method of the excavation in the model test

圖8 模型試驗臺階法開挖過程Fig.8 Excavation process of tunnel in model test

試驗壓力監(jiān)測采用 DYB-1型微型土壓力盒作為監(jiān)測元件。其原理為微型單膜應(yīng)變式土壓力計，外形尺寸小、制作工藝成熟、測試范圍寬、分辨率高、性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)采集方便，是模型試驗中測量壓力的理想工具。

試驗壓力監(jiān)測斷面布置圖9所示，其中，洞壁壓力監(jiān)測點的壓力盒受壓面均平行于隧道輪廓線的切線方向。

圖9 壓力監(jiān)測斷面布置Fig.9 Arrangement of stress monitoring section in model test

通過數(shù)值方法對隧道洞壁徑向荷載釋放過程的分析，發(fā)現(xiàn)同一個斷面不同位置的荷載釋放過程存在很大差異，故對于同一個斷面不同位置的徑向壓力分布情況進行匯總分析。圖10、11分別為上、下臺階掌子面開挖至監(jiān)測斷面位置時刻洞壁各個壓力監(jiān)測點數(shù)據(jù)圖。

圖10 上臺階掌子面位置洞壁徑向圍巖壓力（單位：MPa）Fig.10 Pressures of wall rock during upper bench cutting (unit: MPa)

圖11 下臺階掌子面位置洞壁徑向圍巖壓力（單位：MPa）Fig.11 Pressures of wall rock during lower bench cutting (unit: MPa)

圖10為上臺階掌子面位置的洞壁徑向圍巖壓力分布圖，通過上臺階對開挖面洞壁徑向圍巖壓力分布情況的數(shù)據(jù)進行分析可知，上臺階開挖后拱頂?shù)焦凹缥恢脼檎麄€斷面上徑向圍巖壓力最大的位置，而上臺階開挖范圍以下直到隧道底板由于尚未受到開挖影響，徑向壓力值與初始狀態(tài)下基本沒有發(fā)生太大變化。

圖11為下臺階掌子面位置的洞壁徑向圍巖壓力分布圖，通過分析可知，在下臺階開挖后斷面的徑向壓力分布情況較之前有了較大的變化，邊墻位置的圍巖由于失去下臺階所開挖巖體的支撐作用，降低幅度較大。而拱肩位置相對其他位置仍分布有較大的徑向圍巖壓力。

通過對試驗數(shù)據(jù)進行分析可以發(fā)現(xiàn)，在隧道施工過程模型試驗中，隧道洞壁圍巖徑向壓力在掌子面推進的過程中發(fā)生了明顯的變化，且不同位置的壓力變化過程存在明顯差異，荷載釋放過程受開挖工法的影響較大，與之前進行的數(shù)值模擬得到的規(guī)律較為吻合。

7 結(jié) 論

（1）通過數(shù)值分析的方法對隧道臺階法開挖的荷載釋放過程進行了深入研究，認識到同一個斷面不同位置的荷載釋放過程在隧道施工過程中并不是同步的，而且由于開挖工法的不同存在著很大的差異；

（2）定義了斷面綜合荷載釋放率和荷載釋放差異系數(shù)的概念，用以描述隧道施工過程中某斷面整體的荷載釋放狀態(tài)，包括荷載釋放平均程度及荷載釋放進程的差異程度。通過這兩個指標，可以簡便地了解斷面整體荷載的釋放進程；

（3）通過開展隧道施工過程地質(zhì)力學模擬試驗，對數(shù)值分析中得出的結(jié)論加以驗證，進一步證明了隧道施工過程中相同斷面不同位置的荷載釋放進程存在明顯差異。同時也說明將斷面整體作為荷載釋放過程的研究對象是非常有必要的；

（4）現(xiàn)場監(jiān)測是獲取數(shù)據(jù)的重要手段，同時工程實際也是室內(nèi)數(shù)值研究和試驗研究的最終落腳點，通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)對文中得到的結(jié)論進行進一步深入研究是非常有必要的，也能夠?qū)ΜF(xiàn)有結(jié)論的正確性進行進一步驗證，是下一步研究的方向和重點。

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