全风化花岗岩地层特大断面隧道施工过程支护受力分析

洪 军, 张俊儒

(1.赣龙复线铁路有限责任公司， 福建 龙岩 364000；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031)



全风化花岗岩地层特大断面隧道施工过程支护受力分析

洪 军1, 张俊儒2,*

(1.赣龙复线铁路有限责任公司， 福建 龙岩 364000；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031)

地下工程的施工过程是一个几何形状逐步变化的不完整结构在时间和空间上承受不断变化的施工荷载的受力过程。本文以新考塘隧道出口扩大段特大跨度隧道工程为背景，通过数值模拟方法，对第1次初期支护、临时支护、第2次初期支护的受力随施工过程的变化规律进行了研究。研究结果表明：支护受力体现施工过程相关性，并不一定终态是最不利状态，具体到本工程，④部作业相对最危险，⑤部作业反倒改善了支护结构受力； 从拆撑以后的双层初期支护受力来看，第2次初期支护是有效的，拆撑风险是可控的； 最小安全系数的量值分布呈现“第2次初期支护>第1次初期支护>临时支护”的规律。

特大断面隧道； 支护受力； 全风化花岗岩地层； 第1次初期支护； 第2次初期支护； 安全系数

0 引言

目前在铁路隧道设计过程中，支护结构计算仍然以不考虑施工过程的“荷载-结构”模式计算为主[1]，认为隧道一次开挖成形，终态即为最不利状态。随着隧道开挖跨度越来越大，传统的状态设计法或称终态设计法经常出现支护检算不通过；初期支护、二次衬砌之间围岩压力不知道如何分配，不能考虑临时支护的受力情况。尤其对于断面超过300 m2的软岩隧道，支护结构安全检算尚无成熟的方法或经验。

隧道与地下工程的施工过程是一个几何形状与材料特性逐步变化的不完整结构在时间和空间上承受不断变化的施工荷载的受力过程[2]。超大跨度、特大断面隧道，分部开挖、多部开挖不可避免，采取不同的开挖方案，围岩和支护结构的应力和应变都是有差异的，每一步施工不仅对本开挖部有直接影响，而且对后续的开挖部以及最终完整结构的受力状态均有不可忽视的持续作用。同样，后开挖部的施工对先建成结构亦有影响。文献[3-4]基于某四线铁路隧道多部开挖工法，分别对施工过程中的围岩松动圈演变和系统锚杆受力变化趋势等进行了研究，进而对系统锚杆进行非均衡参数设计的尝试； 赵斌等[5]采用FLAC3D软件分析了特大断面铁路隧道施工中的应力路径和安全系数的变化规律； 曲海锋[6]提出适合于扁平特大断面隧道荷载计算方法的基本思路，即过程荷载计算方法，并讨论了过程荷载计算方法与传统的状态荷载计算方法之间的区别与联系； C. N. CHEN等[7]对隧道施工过程中的平衡拱发展规律进行了研究； 马富奎等[8]以庙娅隧道为背景，采用FLAC3D对浅埋大跨段施工开挖力学响应进行了数值模拟，分析了开挖后围岩的应力场和位移场特征，研究认为计算结果与现场监测结果基本一致； 魏龙海等[9]以开挖断面达340 m2的滨海软土隧道拱北隧道为工程背景，基于超前管幕预支护下的多台阶分部开挖方案，采用ANSYS软件对五台阶15分区方案和四台阶8分区方案的隧道结构受力规律及安全性进行了数值研究； 文献[10-12]均开展了大断面黄土隧道在不同施工工法下(如CD法、CRD法、双侧壁导坑法、预留核心土法等)的力学和变形响应，体现施工过程相关性。

本文以改建铁路赣州—龙岩铁路扩能改造工程新考塘隧道出口扩大段为工程背景，该扩大段最大开挖跨度达30.26 m，开挖面积396.13 m2，且处于全风化花岗岩地层，修建难度较大，为此设计方提出了一种新型施工方法。文章拟通过数值模拟方法对该段支护结构在该种新型施工工法下的受力特征及其变化规律进行施工全过程分析，为工程建设提供指导。

1 工程概况

改建铁路赣州—龙岩铁路扩能改造工程新考塘隧道出口由于受龙岩地区南三龙铁路联络线影响，形成喇叭口渐变式大跨隧道结构[13]，出口最大开挖跨度达30.26 m，开挖面积396.13 m2，如何选择一种合理的施工方法具有重要的战略意义。新奥法作为一种隧道施工理念，目前已经得到广泛认可和普遍运用[14]，为本工程设计施工提供了思路。

该段隧道位于全风化花岗岩地层中，为确保开挖稳定性，将断面化大为小，多部开挖，采用如图1所示工法，为减小拆除拱部临时竖撑风险，以及确保在施作整体式二次衬砌前的较长时段内拱部大跨度结构安全，采用第2次初期支护设计概念，即在拆除临时竖撑的前一步一次性施作第2次初期支护。在双层初期支护的保护下，开挖核心土和仰拱，最后形成二次衬砌结构。

具体支护设计参数：拱部第1层初期支护为“35 cm厚C30喷混凝土(挂20 cm×20 cm的φ8钢筋网)+0.8 m间距HW200钢架+6 m长系统锚杆”； 拱部第2层初期支护为“25 cm厚C30喷混凝土+0.8 m间距180 mm格栅钢架”； 侧导洞初期支护为“25 cm厚C30喷混凝土+0.8 m间距I20型钢钢架+3 m长系统锚杆+C30混凝土靴型大边墙”； 仰拱初期支护为35 cm厚C30喷混凝土； 二次衬砌为全环90 cm厚钢筋混凝土，内外侧均设置φ25@100钢筋； 临时支撑采用“20 cm厚C25喷混凝土+0.8 m间距I20a型钢钢架”。

图1 本工程施工工法及支护结构示意图

2 基于施工过程的支护受力数值模拟分析

由于处于隧道出口段，埋深变化大，纵向力学效应不能忽略，不宜简化为平面应变问题处理。采用FLAC3D有限差分软件[15]对其进行三维数值仿真模拟。

2.1 计算模型与计算参数

计算范围取横向200 m，纵向47 m，竖向按设计图提供的地形地貌起伏。边界约束为前、后、左、右边界施加相应方向的水平约束，下边界施加竖向约束，上边界为自由面。初始应力仅考虑自重应力场的影响。围岩、第2次初期支护、靴型大边墙、二次衬砌均采用实体单元模拟，除围岩服从Mohr-Coulomb准则外，其余服从弹性准则；锚杆采用Cable单元； 第1次初期支护与临时支护喷射混凝土采用Shell单元，钢拱架的作用按其弹性模量折算成喷射混凝土考虑。由于处于洞口段，采用了双层水平旋喷桩内嵌大管棚的超前支护形式，在实际模拟时通过提高加固区的围岩参数实现。

计算模型如图2所示。

(a)正面

结合地勘资料和TB 10003—2005《铁路隧道设计规范》，围岩和支护结构计算参数选取见表1。

表1 围岩和支护材料计算参数

2.2 施工过程模拟

本文重点考察拱部双层初期支护的安全性，拱部的施工是在边墙导洞开挖、靴型大边墙施作后才开始的。隧道开挖施工过程模拟计算步骤见表2。

表2 隧道开挖计算步骤

2.3 安全系数计算

采用破损阶段法进行混凝土安全系数计算。

1)抗压安全系数

K压=φαRabh/N。

(1)

式中：Ra为混凝土极限抗压强度；N为混凝土截面的计算轴力；b为混凝土的截面宽度，取单位长度1 m；h为混凝土的截面厚度；φ为构件的纵向弯曲系数；α为轴向力的偏心影响系数，按规范取值。

2)抗拉安全系数

(2)

式中：Rl为混凝土的极限抗拉强度；e0为截面偏心距。

对混凝土矩形截面构件，当e0≤0.20h时，系抗压强度控制承载能力，按式(1)计算，反之按式(2)计算。

2.4 计算结果分析

由于本工程拱部采用双层初期支护方案，根据施工顺序对拱部第1次初期支护、临时支护、第2次初期支护的弯矩、轴力进行分步提取。

2.4.1 ③部开挖后

在两侧导洞施工完毕后，开始开挖③部，并及时进行初期支护。该步完成后，第1次初期支护和临时支护的弯矩、轴力如图3所示。图中显示最大弯矩为41.08 kN·m，位于第1次初期支护与临时支护连接处； 最大轴力为822.4 kN，位于第1次初期支护拱脚处。

(a)弯矩 (b)轴力

Fig. 3 Internal forces of first primary support and temporary support after excavation of part ③

2.4.2 ④部开挖后

开挖④部并完成初期支护施作后，第1次初期支护和临时支护的弯矩、轴力如图4所示。图中显示最大弯矩为98.65 kN·m，位于左侧(先施工侧)第1次初期支护与临时支护连接处； 最大轴力为1 242 kN，位于左侧第1次初期支护拱脚处。弯矩、轴力分布规律左、右侧类似，但量值表现出明显的左右不对称，体现施工过程相关性。

(a)弯矩

(b)轴力

Fig. 4 Internal forces of first primary support and temporary support after excavation of part ④

2.4.3 ⑤部开挖后

开挖⑤部并完成初期支护施作后，第1次初期支护和临时支护的弯矩、轴力如图5所示。图中显示最大弯矩为25.25 kN·m，位于左侧(先施工侧)第1次初期支护与临时支护连接处； 最大轴力为1 877 kN，位于左侧第1次初期支护拱脚处。由于初期支护的左右连接成整体受力，弯矩左右呈现不对称性减弱，且最大值的量值减小； 轴力已转变为左右基本对称，但量值仍在增加。

(a)弯矩

(b)轴力

Fig. 5 Internal forces of first primary support and temporary support after excavation of part ⑤

2.4.4 ⑥部开挖后

开挖⑥部之前，需要先施作第2次初期支护，然后拆除拱部临时支护。完成⑥部开挖后，第1次初期支护的弯矩、轴力如图6所示。图中显示最大弯矩为44.5 kN·m，位于左侧(先施工侧)第1次初期支护与临时支护连接处； 最大轴力为2 295 kN，位于第1次初期支护拱脚处(左右已基本对称)。

(a)弯矩

(b)轴力

Fig. 6 Internal force of first primary support after excavation of part ⑥

第2次初期支护的弯矩、轴力如图7所示。图中显示最大弯矩为4.268 kN·m，出现位置与第1次初期支护最值部位相近； 最大轴力为250.7 kN，位于左侧拆撑部位。

2.4.5 ⑦部开挖后

完成⑦部开挖后，第1次初期支护的弯矩、轴力如图8所示。图中显示最大弯矩为47.3 kN·m，位于左侧(先施工侧)第1次初期支护与临时支护连接处； 最大轴力为2 487 kN，位于第1次初期支护拱脚处(左右已基本对称)。

(a)弯矩

(b)轴力

Fig. 7 Internal force of second primary support after excavation of part ⑥

(a)弯矩

(b)轴力

Fig. 8 Internal force of first primary support after excavation of part ⑦

第2次初期支护的弯矩、轴力如图9所示。图中显示最大弯矩为13.79 kN·m，出现位置变为拱顶部位； 最大轴力548.6 kN，位于左侧拆撑部位。弯矩、轴力分布均左右不对称。

2.5 结构受力的安全性评价

从第1次初期支护、临时支护、第2次初期支护的弯矩、轴力分布图可以看出，随着施工过程的推进，不但最值在改变，而且分布形态也在调整，左右对称性也有变化。

(a)弯矩

(b)轴力

Fig. 9 Internal force of second primary support after excavation of part ⑦

为更好地评价结构受力安全性，根据2.3节方法计算相应的安全系数，见表3。

从表3数据可以看出：第1次初期支护的最大弯矩在施工过程中有增有减，最大轴力则表现为单调递增，安全系数的最小值也是有波动的，终态时并不是最小的。临时支护的最大弯矩、轴力均表现为先增加再减小，最小安全系数则表现为先减小后增大。因此，从第1次初期支护和临时支护的受力变化规律来看，④部作业相对最危险，⑤部作业反而改善了支护结构受力。

⑥部开挖之前虽然需要拆除临时支撑，但由于第2次初期支护的介入，起到了分担作用。双层初期支护的受力均有增加，但均在可控范围之内； 随着⑦部作业的继续推进，第1次初期支护受力小幅增加，第2次初期支护受力有较大增加，起到了更大的分担作用。说明本工程设计的第2次支护是有效的，拆撑风险是可控的。

整体最小安全系数的量值分布呈现“第2次初期支护>第1次初期支护>临时支护”的规律。

目前本工程已成功实施，施工全程未出现支护强度不足的问题，拱顶沉降和水平收敛等变形监测均在规范允许范围之内。

表3 支护结构的施工过程安全性评价

注：表中数据均为最值，并非同一个单元取值。其中最小安全系数是通过将相应结构(如：第1次初期支护、临时支护或第2次初期支护)的所有计算单元(element)提取弯矩、轴力后，逐一计算每个单元的安全系数并取最小值。

3 结论与讨论

相比以往普遍采用“荷载-结构”模式计算的终态分析法，本文考虑施工过程的相关性，对特大断面隧道多部开挖进行数值仿真模拟研究，得出以下结论。

1)从第1次初期支护、临时支护、第2次初期支护的受力随施工过程的变化规律可以看出：支护受力体现过程相关性，不但量值在变，而且分布形态也在调整，左右对称性也有变化。

2)从第1次初期支护和临时支护的受力变化规律来看，终态并不一定是最不利状态。具体到本工程，④部作业相对最危险，⑤部作业反而改善了支护结构受力。

3)从拆撑后的双层初期支护受力分担来看，第2次初期支护是有效的，拆撑风险是可控的。

4)从最小安全系数这一指标来看，其量值分布呈现“第2次初期支护>第1次初期支护>临时支护”的规律。

特大断面、超大跨度隧道的施工过程是一个极为复杂的动态加卸载力学过程，数值模拟结果可为现场施工决策提供预判和指导的依据，但同时由于计算过程中存在较多假设以及计算参数与工程实际存在差异等，现场监控量测不可或缺。通过信息化施工，一方面保证安全推进，另一方面现场实测数据反过来又可以修正计算模型，进一步完善上述结论。

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Analysis of Support Stress of Extra-large Cross-section Tunnel during Construction in Fully Weathered Granite Strata

HONG Jun1, ZHANG Junru2,*

(1.Ganzhou-LongyanDouble-trackRailwayCo.,Ltd.,Longyan364000,Fujian,China;2.KeyLaboratoryofTransportationTunnelEngineeringofMinistryofEducation,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

The construction process of underground engineering is a stress process of structure in time-space. The stress process of first primary support, second primary support and temporary support of extra-large span tunnel of enlarging section of Xinkaotang Tunnel Portal during construction is analyzed. The analytical results show that: 1) The support stress state shows the procedural dependency; and the final state is not always the worse. 2) The second primary support is effective; and the risk of support disassembling can be brought under control. 3) The safety factor of second primary support is the largest, followed by that of first primary support, and that of temporary support is the smallest.

extra-large cross-section tunnel; support stress; fully weathered granite strata; first primary support; second primary support; safety factor

2016-01-18;

2016-04-06

国家自然科学基金资助(51378435)

洪军(1967—)，男，福建龙岩人，1989年毕业于福州大学，土建工程专业，本科，高级工程师，主要从事铁路工程建设的技术和管理工作。E-mail：hongjun86@sina.com。*通讯作者：张俊儒， E-mail：swjtuzhjr@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.07.003

U 455.91

A

1672-741X(2016)07-0787-06