高铁隧道穿越不同岩性接触带施工方法研究

于 介，谷笑旭，尚应超，蒋雅君，杨文波

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043； 2.西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

引言

在隧道修建过程中，经常遇到穿越多种地层的情况。由于岩性、风化程度不同等原因，地层上下软硬不同，围岩在开挖过程中变形、受力不均匀，严重时可导致掌子面塌方、支护开裂影响施工安全。在已有隧道施工实例中不难看到隧道穿越不同岩性接触带时出现了不同程度的灾害：甘芳隧道在施工过程中，由于隧道穿越砂页岩与黄土接触带，且上半断面围岩自稳能力差，发生了塌方[1]。在土家湾隧道修建过程中，同样出现了塌方问题，主要是由于隧道穿越新老黄土接触带上下地层条件不同、支护不合理等方面原因[2]；为保证施工安全，对于不同岩性接触带隧道施工期间的关键技术问题的研究尤为重要，但目前国内外在这方面的研究较少；张会等研究了当隧道穿越不同岩性接触带时，红黏土土层厚度对隧道施工变形的影响[3]；袁矫等研究了隧道跨度对隧道施工的影响[4]；黄彬等阐述了黄土地区穿越不同岩性带大断面隧道的施工技术要点[5]；徐礼华等研究了开挖顺序、掌子面间隔距离和开挖深度不同的CRD法对隧道施工的影响[6]；杨凯等研究了隧道穿越既有隧道时工法和支护措施对围岩和支护结构的影响[7]；李明等研究了考虑流固耦合效应采用不同工法施工时初支受力及围岩变形规律[8]；严松宏等依托兰州地铁研究了双侧壁导坑法施工时围岩及初期支护的力学特征[9]；王新东依托宝兰客专提出黄土隧道依据不同的含水率采取不同的施工工法及支护措施[10]；汪冬兵等依托忻州隧道采用数值模拟的方式，分析了台阶法施工时围岩、初期支护及二次衬砌的变化规律[11]；刘俊平等分析红黏土与砂岩夹泥岩分界面位于隧道不同位置时支护结构的位移及应力变化规律[12]；梁佳佳研究了穿越不同岩性接触带地下水封洞库工程的空间布置优化设计[13]；孙文君等以某浅埋公路隧道为工程背景，分析了土石界面倾角对隧道开挖反应的影响[14]；刘洋等基于黑山隧道，运用FLAC3D对土石交界段爆破开挖时爆破振动对隧道稳定情况的影响进行了数值分析[15]；何金峰利用有限元软件ABAQUS模拟分析不同类型的土石交界地层隧道围岩，并对支护稳定性进行分析[16]；谢壮等采用现场测试和数值模拟手段，对土石交界过渡段隧道支护结构受力及围岩变形情况进行了现场测试与数值分析[17]；徐海延等为了保证海底隧道顺利通过风化深槽(囊)，在服务隧道土石交界不良地质段，进行了全断面超前预注浆试验[18]；方俊波等采用ANSYS软件，对厦门东通道五通端、位于陆海域土石交界段的行车洞初支结构进行了变形及承载数值模拟，通过对不同初支结构的受力及变形进行分析、对比，正确选择了合理的初支结构，确保了后续隧道施工安全及结构稳定[19]；刘晓云等构建了矿岩接触带巷道物理相似模拟试验模型，分析了接触带巷道顶板沉降变形规律[20]。

以银西高铁贾塬隧道为工程依托，探究大断面隧道穿越红黏土与砂岩夹泥岩接触带时合理的施工工法，并结合现场监测数据与数值计算结果进行比对验证，分析各工法适宜的条件，以便选取合理的施工工法保证施工的安全。

1 工程概况

贾塬隧道位于银西高铁甘肃段，双线单洞隧道最大埋深约为260 m，最小埋深约为14 m，总长约为11 860 m。隧道设计为双线单洞，跨度约为14 m，净高约为12 m，净空面积约为100 m2，隧道断面尺寸如图1所示。

图1 贾塬隧道内轮廓(单位：m)

根据设计资料，贾塬隧道3次穿越长段落不同岩性接触带，选取其中红黏土和砂岩夹泥岩的接触带作为研究对象，该接触带全长282 m，选取该区间中间位置为研究断面，研究断面施工现场接触带情况如图2所示。从图2掌子面情况可以看出两地层为整合接触，隧道上部穿越地层为红黏土，成分以黏粒为主，结构紧密，土体较致密，属于Ⅳ级围岩。下部穿越地层为砂岩夹泥岩，层状结构，强风化，属于Ⅳ级围岩。

图2 研究断面现场

2 数值模拟方法

本文采用FLAC3D[7]有限差分软件进行数值仿真模拟计算，应用ANSYS和CAD辅助建模。

2.1 隧道模型

根据隧道实际地质条件和设计要求构建数值模型，为减少模型边界效应的影响，模型尺寸为：横向宽度120 m，长度为40 m，隧道顶部距模型的上边界51 m，底部距下边界50 m。其中X为水平方向，Y为掘进方向，Z为竖直方向[8]。并在模型的底部边界采用竖向约束；前后左右边界均采用水平约束。并在模型的顶面加均布荷载来模拟实际隧道埋深，且仅考虑自重应力场。根据现场监测断面的实际情况，将接触带位置设在拱腰处，如图3所示。拱顶处设置深度为4 m的加固区，来模拟超前支护对隧道施工的影响，围岩和初期支护采用三维实体单元，初期支护和临时支护采用弹性模型，用shell单元进行模拟。围岩特性按均质弹塑性材料，采用摩尔-库伦屈服准则进行计算[9]。

图3 红黏土与砂岩夹泥岩接触带计算模型

2.2 模型参数

依据现场土工试验所测得的物理参数并结合实际施工断面，选取岩土体力学参数时，衬砌与支护构建的参数依据规范中的指标，如表1所示。

表1 模型计算参数

2.3 监测位置

为消除边界条件对数值计算结果的影响，取纵向中间位置为监测断面，监测断面测点布置如图4所示。为便于描述，1号监测点为拱顶，2、3号监测点为拱肩，4、5号监测点为拱腰，6、7号监测点为拱脚，8号监测点为仰拱[10]。

图4 监测断面测点布置

2.4 各工法开挖过程数值模拟

根据已有黄土地区大断面隧道的施工实例，为保证施工安全，减少对掌子面的扰动，选取台阶法进行施工[11]。结合现场实际施工情况，现选取三台阶法、三台阶预留核心土法、三台阶七步开挖法、三台阶临时仰拱法4种工法，进行数值模拟。各工法间台阶位置与台阶错距相同，上中台阶错距4.8 m，中下台阶错距6.4 m，核心土面积不少于台阶面积的一半。其中，三台阶临时仰拱法在各台阶开挖完成后，在底部喷射10 cm厚混凝土作为临时支护；三台阶七步开挖法的施工顺序如图5所示。

图5 三台阶七步开挖法施工顺序

3 计算结果分析

在研究不同施工工法时，选取相同开挖步数下的监测断面进行分析，并考虑模型的对称性，只对隧道一侧进行对比分析。

3.1 围岩变形

围岩监测点位置如图4所示，并根据拱顶、拱肩、拱脚、仰拱绘制竖向位移；根据拱肩、拱腰、拱脚绘制水平收敛时程曲线。其中图6中各台阶开挖是指监测断面各台阶开挖，第28步开挖为监测断面上台阶开挖，36步为监测断面中台阶开挖，44步为监测断面下台阶开挖，这样处理是为便于与施工现场的监测数据进行对比。通过对比各工法位移时程曲线发现，各工法位移变化规律相近，随开挖步数的增加逐渐收敛，现以三台阶法位移时程曲线为例对穿越接触带地层洞周位移变化规律进行说明。

图6 接触带地层下三台阶法位移时程曲线

(1)分析三台阶法竖向位移，发现拱顶、拱肩处沉降明显，而拱脚、仰拱略微隆起，拱腰无明显变化。分析水平收敛时程曲线，发现拱肩处的水平收敛相比于拱腰和拱脚很大，如图6所示。通过对比可知，穿越接触带地层的隧道与一般隧道开挖位移规律不同，为便于对比分析，另计算了均质地层条件下的围岩位移，地层条件为泥岩夹砂岩，模型建立与前述相同，均质地层下围岩位移时程曲线如图7所示。由地层可知，拱肩处于红黏土地层，拱脚处于砂岩夹泥岩地层，接触带地层条件下拱肩与拱脚竖向位移绝对值之差为30.06 mm，水平收敛绝对值之差为13.16 mm，而均质地层条件下，拱肩与拱脚两种位移绝对值之差分别为12.57 mm和0.85 mm。这说明，对于穿越不同岩性接触带的隧道而言，不同位置围岩位移不均匀，土层处的位移变形要远大于岩层处部的变形。

(2)对于穿越不同岩性接触带隧道而言，由于掌子面上方地层为红黏土，受开挖扰动较大，拱顶竖向位移、拱肩水平位移的变形主要发生在上台阶开挖，占总体位移变形的60%～70%。

(3)通过上述分析发现隧道位于红黏土地层区域的位移明显，则重点分析各工法之间拱顶、拱肩处的位移。各工法拱顶处的竖向位移变化规律相同，随着隧道开挖不断增大，并逐渐收敛，其中三台阶法位移最大为51.88 mm，然后依次为三台阶预留核心土法、三台阶临时仰拱法、三台阶七步法最小为36.21 mm，如图8所示。

图8 各工法拱顶位移时程曲线对比

(4)分析拱肩位移，不同工法拱肩竖向位移与拱顶变化规律相同，不再赘述。而拱肩处水平收敛变化规律则有所不同，拱肩水平收敛最小的工法并不是三台阶七步法而是临时仰拱法。通过水平位移与竖向位移平方和开根号后，可以计算拱肩总体位移。拱肩总体位移最小的工法依旧是三台阶七步法,为15.64 mm，位移最大的工法为三台阶法,为34.19 mm，如图9所示。

(5)所以对洞周位移控制能力由强到弱的工法依次为，三台阶七步法、三台阶临时仰拱法、三台阶预留核心土法、三台阶法，几种工法的主要区别在于对掌子面的扰动和支护封闭两方面。相比于三台阶法，预留核心土法和三台阶七步法对掌子面的扰动较小，所以对位移的控制更好；而临时仰拱法能够做到支护的及时封闭，对洞周整体的位移控制较好，且其水平收敛的控制要优于三台阶七步法。

图9 各工法拱肩位移时程曲线对比

3.2 围岩应力与围岩塑性区

围岩应力能够反应隧道开挖过程中土体的受力情况，通过应力云图容易发现围岩受力最差、最容易出现破坏的部位，而为围岩塑性区则能反应土体塑性变形区域。

(1)各工法在开挖过程中，位于下台阶与拱腰相交处均出现较为明显的压应力集中现象，图10(a)为三台阶法监测断面下台阶开挖过程中围岩受力，黑色圆圈为应力集中位置，与三台阶预留核心土法、三台阶七步法应力集中位置相同，最大值在15～16 MPa。而三台阶临时仰拱法开挖过程中的压应力集中现象不太明显，如图10(b)所示，且最大值降至13 MPa，且应力集中带范围较大，说明利用喷射混凝土形成的临时封闭对于改善施工过程中围岩压应力分布有着较好的效果。

图10 开挖过程中围岩应力

(2)通过各工法开挖后围岩应力对比(图11)，不难发现以接触带分界面为界限，各工法隧道上部的压应力普遍小于1 MPa，而隧道下部的压应力可达到13 MPa。这是因为上部土体通过位移释放了大部分应力。

图11 各工法开挖后围岩应力对比

(3)在开挖完成后，拱腰处有明显的压应力集中带，三台阶法、三台阶预留核心土法、三台阶临时仰拱法最大应力值均可达到13 MPa且应力集中影响范围依次增大，而三台阶七步法的最大应力值仅为11 MPa，且压应力值突变现象不再明显。

(4)观察对比各工法塑性区范围，发现塑性区范围主要分布在隧道上层，这与围岩应力分布相吻合，进一步说明了不同岩性接触带的特点。且几种工法间塑性区范围相近，均未超过加固区范围。仅三台阶七步法塑性区右侧略大，这是由于三台阶七步法开挖工序不对称导致的。图12为三台阶法大塑性区与三台阶七步法塑性区对比。

3.3 支护应力

通过对围岩变形和围岩应力的分析，可以推断出接触带上下地层条件的不同会使支护受力不均匀，现对比4种不同工法在开挖完成后监测断面支护的受力情况。由于开挖过程中，支护结构的最小主应力对支护的安全性影响较大[10]，更能反映支护受力情况，故仅对最小主应力进行对比分析，根据数值计算中支护压应力云图得到监测断面各测点压应力，最终绘制的初期支护压应力分布如图13所示。

(1)各工法下结构支护随着隧道开挖压应力数值逐渐增大，在开挖完成后达到最大值。压应力最大值从大到小的排序依次为：三台阶临时仰拱法、三台阶法、三台阶预留核心土法、三台阶七步法。

图12 各工法开挖后塑性区对比

图13 各工法开挖后监测断面支护压应力对比(单位：MPa)

(2)各工法中，结构支护的最大压应力值均出现在拱肩处，因此在施工过程中应当注意拱肩处支护结构受力。

(3)根据支护结构最大压应力不难发现，三台阶预留核心土法、三台阶七步法压应力分布更加均匀。从相邻位置压应力差值即可看出这一点，按照图中排序各工法拱肩与拱腰处压应力差值依次为：6.56，5.39，6.66，5.23 MPa，拱脚与仰拱处压应力差值依次为：11.24，8.58，12.28，4.52 MPa。所以采用三台阶法和三台阶临时仰拱法时更易出现支护结构受力不均匀的情况。

4 现场监控量测分析

为研究现场施工过程中围岩实际变化情况与数值计算之间的差异，现选取监测里程DK278+410处为监测断面，根据现场施工人员对该断面的监控量测日报进行对比。该断面接触带位置与数值分析绘制的接触带位置相近，且现场采用三台阶预留核心土法。

虽然模型中的测点选取与现场一致，但由于现场监控量测日报是根据开挖天数进行记录而不是根据开挖步数进行记录，则需对数值计算结果进行处理。现场施工循环进尺约为1.6 m，模型纵向每单元格为0.8 m，则每两步为一天。处理后现场监测数据与数值计算数据对比结果如图14所示。由于拱腰位移变化不明显，故不进行对比分析，且现场监控量测受开挖条件限制，无法在下台阶开挖前测量拱脚处位移值，在图14(c)中，数值计算位移记录时间较实测时间提前。

图14 现场监测与数值计算位移对比

通过对比，可以看出：现场监测数据与数值模拟计算得到的数据变化规律一致，数值接近，所以计算结果可靠性较高；数值模拟计算在下台阶开挖前便能对拱脚处的位移值进行监控量测，但施工现场在开挖前不能进行量测，所以数值模拟计算对位移监测更为全面；数值模拟计算得到的位移值要略大于实测位移值，结果偏于保守。

5 结论

以贾塬隧道工程为依托，通过数值模拟和现场监测，分析了不同施工工法的围岩应力、围岩位移和支护应力，得出以下结论。

(1)隧道穿越不同岩性接触带与均质地层时围岩变形规律有明显差异，接触带两种地层的围岩变形值相差较大。说明隧道穿越接触带时围岩位移受地层条件影响大，围岩变形不均匀。

(2)隧道采用不同的施工工法通过不同岩性接触带时，施工过程中围岩会出现不同程度的应力集中现象。其中，三台阶法施工应力集中现象最为明显；三台阶七步法无明显应力集中现象。

(3)不同岩性接触带地层，采用不同的工法施工，隧道初期支护最大压应力均出现在拱肩处，但初期支护的整体应力分布有所不同。采用三台阶七步法与三台阶预留核心土法施工，初期支护压应力图呈云状分布，各位置处支护压应力差别较小。采用三台阶法与三台阶临时仰拱法施工时，初期支护压应力图呈蝴蝶状分布。

(4)隧道穿越不同岩性接触带时，建议采用三台阶七步法进行施工，围岩变形及初期支护受力均较为合理。