上硬下軟地層鐵路大斷面隧道施工方法優(yōu)選

崔光耀，王李斌，荊鴻飛

(1.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144；2.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

隨著我國交通工程的快速發(fā)展，各種復(fù)雜地質(zhì)條件下的鐵路隧道也不斷涌現(xiàn)。如何選擇合適的施工方法，保證隧道結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性是當(dāng)前研究和解決的熱點(diǎn)問題。

目前，國內(nèi)外許多專家、學(xué)者對不同地質(zhì)條件下隧道施工方法的選擇進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1-3]依托實(shí)際工程，通過數(shù)值模擬分析了不同施工方法對軟弱圍巖隧道的影響，并得出最合理的施工方法；文獻(xiàn)[4-5]總結(jié)了上軟下硬地層隧道施工的關(guān)鍵技術(shù)；文獻(xiàn)[6-8]通過有限差分軟件對軟巖淺埋隧道施工方法比選發(fā)現(xiàn)，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖對隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移控制效果較好；文獻(xiàn)[9]提出了軟弱圍巖隧道安全快速施工方法。以上研究主要集中在軟弱圍巖及上軟下硬地層隧道施工方法優(yōu)選方面，對于上硬下軟地層隧道的施工方法優(yōu)選研究較少。因此，本文依托內(nèi)蒙古八蘇木鐵路隧道工程，利用有限差分軟件對上硬下軟隧道施工方法進(jìn)行優(yōu)選。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

八蘇木隧道是京包線集寧至包頭段增建第二雙線重點(diǎn)控制性工程，位于內(nèi)蒙古高原南緣之大青山低中山區(qū)。隧道施工至DK531+500段時(shí)發(fā)現(xiàn)圍巖分層十分明顯，掌子面上部為玄武巖，弱風(fēng)化，節(jié)理不發(fā)育，巖質(zhì)堅(jiān)硬，塊狀構(gòu)造；掌子面下部為泥巖，具有一定自穩(wěn)性，但遇水易崩解，穩(wěn)定性差。泥巖和玄武巖不整合面沿小里程方向逐漸降低。

1.2 隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隧道襯砌采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)厚20 cm，二次襯砌結(jié)構(gòu)厚40 cm。初期支護(hù)噴射C20耐腐蝕混凝土，二次襯砌模筑C25混凝土。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

以八蘇木隧道為依托工程建立計(jì)算模型，本構(gòu)模型為彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則。隧道埋深110 m，隧道下部和底部泥巖厚16 m，底部玄武巖厚34 m，隧道上部和頂部玄武巖厚100 m，地表強(qiáng)風(fēng)化玄武巖厚14 m，見圖1。模型中隧道兩側(cè)寬度均取50 m。兩側(cè)施加水平約束，底面施加垂直約束，頂面為自由面。

圖1 計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型中材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算工況

對上硬下軟地層采用4種施工方法進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算工況見表2。

表2 計(jì)算工況

2.4 測點(diǎn)布置

為分析隧道開挖過程中初期支護(hù)結(jié)構(gòu)位移及內(nèi)力的變化情況，分別在隧道初期支護(hù)拱頂、左右拱肩、左右邊墻、左右拱腳和仰拱布置8個(gè)測點(diǎn)。

2.5 計(jì)算結(jié)果與分析

2.5.1 位移

測點(diǎn)位移見表3。提取各工況隧道圍巖z向位移云圖(見圖2)，分析各施工方法對隧道圍巖z向位移的控制效果。

表3 測點(diǎn)位移 mm

圖2 隧道圍巖z向位移云圖(單位：m)

由表3和圖2可知：①三臺(tái)階七步開挖法隧道拱頂沉降最大，其值為5.05 mm；CRD法拱頂沉降最小，其值為4.32 mm。②臺(tái)階法隧道邊墻水平收斂最大，其值為15.60 mm;CRD法對隧道邊墻水平收斂的控制效果較好，水平收斂僅3.95 mm。③三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法對隧道拱腳水平收斂的控制效果最好，水平收斂僅8.59 mm;臺(tái)階法控制效果最差。④三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法對隧道圍巖z向位移控制效果最好，最大位移為10.99 mm；CRD法對于隧道圍巖z向位移控制效果最差，最大位移為12.42 mm。

2.5.2 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力

1)軸力

圖3 不同施工方法下軸力分布(單位：kN)

各工況隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力分布見圖3。其中:正值為受拉，負(fù)值為受壓。由圖3可知：在上硬下軟地層中隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力的分布極不均勻。CRD法由于開挖輪廓不圓順且豎向開挖，其初期支護(hù)軸力整體較大，最大軸力出現(xiàn)在左拱肩處，其值為-1 405 kN。而臺(tái)階法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法由于開挖斷面圓順，初期支護(hù)受力合理，軸力較小。三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法由于在支護(hù)過程中設(shè)有臨時(shí)仰拱，因此軸力控制方面又優(yōu)于臺(tái)階法。三臺(tái)階七步開挖法由于開挖步數(shù)比其他3種工法更多，應(yīng)力釋放更好，總體來講初期支護(hù)承受的軸力更小，雖然拱頂處最大軸力為-1 437 kN，但整體受力要小于臺(tái)階法和三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法。

2)彎矩

不同施工方法下彎矩分布見圖4?？芍涸谏嫌蚕萝浀貙又胁捎肅RD法、臺(tái)階法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工時(shí)隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩的分布較為均勻。采用三臺(tái)階七步開挖法施工時(shí)彎矩分布不均，彎矩最大、最小值分別出現(xiàn)在左拱肩和仰拱處，其值分別為98.6，0.2 kN·m。CRD法對于隧道拱頂彎矩控制效果最好，其值為2.9 kN·m；臺(tái)階法對于隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩整體控制效果較好，最大值出現(xiàn)在拱頂處，其值為7.9 kN·m；三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法對于隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩整體控制效果最佳，彎矩最大值為7.7 kN·m，最小值為0.4 kN·m。

圖4 不同施工方法下彎矩分布(單位：kN·m)

2.5.3 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

按照TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]對初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到不同施工方法下隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，見圖5。初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)見表4。

由圖5和表4可知：三臺(tái)階七步開挖法隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)分布最不均勻，且在4種施工方法中其最小安全系數(shù)(2.41)最小，出現(xiàn)在左拱肩處；三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)(9.64)最大，出現(xiàn)在右拱肩處，較三臺(tái)階七步開挖法的最小安全系數(shù)提高了3.00倍；其次是臺(tái)階法和CRD法，最小安全系數(shù)分別為9.04，8.01，較三臺(tái)階七步開挖法的最小安全系數(shù)分別提高了2.75倍,2.32倍。

圖5 不同施工方法下隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)

施工方法最小安全系數(shù)三臺(tái)階七步開挖法2.41三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法9.64臺(tái)階法9.04CRD法8.01

3 結(jié)論

1)從位移方面來看，CRD法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法、三臺(tái)階七步開挖法、臺(tái)階法對拱頂沉降的控制效果相差不大；CRD法對拱頂沉降、邊墻水平收斂的控制效果最好;三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法對拱腳水平收斂和圍巖z向位移控制效果最好;臺(tái)階法與其他方法相比，邊墻水平收斂和拱腳水平收斂相對較大，控制效果較差。整體而言，CRD法和三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法對隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的控制效果較好，臺(tái)階法控制效果最差。

2)從內(nèi)力方面來看，三臺(tái)階七步開挖法軸力和彎矩分布最不均勻，控制效果最差；三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法軸力和彎矩分布最均勻，控制效果最好。

3)從安全系數(shù)來看，不同施工方法下隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)均大于規(guī)范值，其中三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法的最小安全系數(shù)最大，其值為9.64，安全性最好。

綜合來看，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法在各施工方法中最優(yōu)。該施工方法已在工程中應(yīng)用，效果良好。