铁路凝灰岩隧道掌子面稳定性控制技术研究

岳康 YUE Kang

（中铁十七局集团第二工程有限公司，西安710038）

0 引言

随着铁路建设的快速发展，逐渐向偏远地质条件复杂的山区延伸，遇到的复杂地质情况越来越多，因此施工中由不良地质引起的工程难题也越来越多。在隧道施工中经常遇到凝灰岩地质，凝灰岩是软岩之一，凝灰岩的工程性质与软岩的工程性质相似[1]。掌子面开挖揭示节理裂隙发育，遇水膨胀变形量大，揭露后容易风化崩解[2]，隧道开挖后，掌子面前后围岩变形严重，容易出现拱架侵限，拱顶及掌子面溜塌等影响安全和质量的问题[3][4]。因此有必要研究凝灰岩隧道掌子面，围岩变形机理及发展演化规律，并采取有针对性的支护技术与方法控制掌子面溜塌。

1 工程概况

新建大理至临沧铁路白石头隧道位于临沧市云县境内，隧道全长9375m，为单线铁路隧道，区域地质构造复杂。隧道DK157+650～DK159+120段，埋深150～220m，主要为三叠系中统忙坏组凝灰岩，呈灰、深灰，测区内一般分布于印支花岗岩边缘地带，与其侵入接触，与古生界澜沧群绢云片岩夹炭质片岩等呈断层接触或不整合接触，混合多种岩性，节理裂隙极其发育。在施工经常发生掌子面溜塌，图1所示为凝灰岩掌子面失稳溜塌情况。在施工过程中对凝灰岩隧道掌子面进行数值模拟分析，改善隧道支护方案，有效控制了凝灰岩隧道掌子面稳定。

图1 掌子面溜塌

2 凝灰岩围岩受力分析及支护方案

2.1 凝灰岩隧道掌子面受力分析

本次对凝灰岩隧道掌子面数值模拟分析应用FLAC3D有限差分析软件，对隧道掌子面及拱部取微单元见图2。

图2 围岩不同位置取单元体

位于隧道掌子面及拱顶岩体破坏莫尔圆[5][6]见图3。拱部岩体最大主应力为水平应力，掌子面岩体最大主应力为垂直应力，由于隧道开挖的卸压作用，拱顶岩体垂直应力增大，即σ1增大，纵向应力σ3减小，从而导致掌子面岩体垂直应力σ1减小，纵向应力σ3增大。由于莫尔圆变大，围岩剪切应力增大，围岩塑性区范围增大，导致隧道在开挖和支护过程中产生大变形。

图3 隧道顶板围岩莫尔圆变化

2.2 斜向系统锚杆控制溜塌

受隧道开挖循环扰动，隧道岩体应力挤压塑形区域内围岩，以及凝灰岩吸水膨胀作用的影响，围岩松动圈向岩体深部延伸扩展，破裂区岩体范围扩大使得围岩与初期支护之间无法形成稳定结构，从而导致围岩失稳。支护的作用是将支护单元与围岩形成稳定的耦合体[7][8]，从而控制围岩的弹塑性变形、碎胀变形和凝灰岩的吸水膨胀变形。

由于凝灰岩揭露易风化崩解，遇水软化后强度迅速降低，所以系统锚杆施作对凝灰岩隧道掌子面稳定起重要作用，设计系统锚杆为垂直径向打设，在施工过程中由于凝灰岩的特性，开挖时掌子面易溜塌，通过试验将掌子面周边范围系统锚杆采用倾斜一定角度打设，如图4所示。对系统锚杆严格进行注浆，将拱部围岩固定到斜上方稳定的围岩上，发挥围岩的自承载能力，同时有效的解决了钢拱架挂网喷射混凝土支护与围岩的耦合性，系统锚杆增加初支与凝灰岩围岩的整体性，控制掌子面稳定。可以改善系统锚杆对围岩的加固性能，有效控制了掌子面稳定性。

图4 掌子面范围斜向系统锚杆示意图

2.3 降低上台阶高度控制溜塌

原设计采用台阶法施工，上台阶高为4m左右，开挖后掌子面经常发生溜塌的情况，针对以上特点，改为三台阶微台阶预留核心土开挖工法，降低上台阶高度，减小上台阶临空面以控制溜塌发生。上台阶高度控制在2.8m，长度控制在3～5m，围岩过分软弱地段可留少量核心土，中、下台阶高度控制在2.5m左右，长度3～5m，通过实践此工法可有效控制掌子面溜塌，并为仰拱、二衬紧跟提供了条件。另外各工序开始前人员、材料、设备必须到作业面附近准备，做到工序零衔接、负交接[9][10][11]。工法示意详见图5～图6。

图5 微台阶留核心土施工示意图

图6 微台阶留核心土现场施工图

3 数值模拟分析

3.1 数值计算模型

通过在有限元分析软件划分网格，最终导入拉格朗日差分程序FLAC3D中生成模型，模型尺寸为XYZ=80m×50m×60m，共35000个单元格，36771个节点。如图7所示。

图7 数值模型

隧道断面为四心圆，模拟隧道埋深取210m，边界取至5倍洞径处，约束x、y方向边界水平位移，z方向下边界竖向位移，上边界为自由面，并施加1.18MPa压应力。隧道开挖初支采用shell单元模拟，系统锚杆打设分垂直和倾斜20°打设两种工况，模型共计算5000step，图8为边界条件示意图。

图8 边界条示意图

3.2 模拟参数确定

根据隧道软弱凝灰岩段落的岩体采样土工实验，得出凝灰岩岩体参数见表1，掌子面稳定措施为超前锚杆和钢拱架挂网喷混凝土等效力学参数见表2～表3。

表1 围岩力学参数

表2 初支力学参数

表3 锚杆力学参数

3.3 掌子面稳定性分析

通过对计算后模型进行切片处理，可得到掌子面施作超前锚杆和钢拱架挂网喷射混凝土初支状态下，系统锚杆垂直打设和倾斜20°打设两种情况的模型。如图9。

图9 支护条件对比模型

在两种情况下，根据模拟计算分析，得到相应的塑性破坏区域如图10和应力如图11所示。可知在垂直打设系统锚杆时掌子面塑性区深度2m，而倾斜20°打设系统锚杆时，掌子面塑性区深度1m。通过应力图对比可知，相对于垂直打设系统锚杆，倾斜20°打设系统锚杆掌子面斜上方锚固区范围内垂直应力szz显著减小，由0.76MPa减小到0.53MPa，说明倾斜打设系统锚杆支护条件下，支护抗力更有效的减小了掌子面斜上方围岩塑性压力[12]，对掌子面上方围岩有更好的支护效果。而掌子面纵向应力syy增大，由1.09MPa增加到1.41MPa，相当于增加了掌子面的约束力，说明倾斜系统锚杆打设有效改善掌子面围岩应力状态，对控制掌子面围岩溜塌起到了一定作用。

图10 掌子面围岩纵向塑性破坏对比图

图11 径向应力szz变化对比图

4 结论

本文以大临铁路白石头隧道为依托，对凝灰岩隧道软弱破碎，节理裂隙发育段落，预防掌子面溜塌进行了研究。采用FLAC3D分析软件将系统锚杆倾斜一定角度情况下打设，隧道掌子面区域围岩应力状态进行力学分析并进行数值模拟。通过实践相互验证，结合施工工法调整，有效的控制了软弱破碎凝灰岩段落掌子面溜塌。得出以下结论：

图12 纵向应力syy变化对比图

①对于软弱凝灰岩揭露易分化崩解，强度迅速降低，遇水易软化的岩层特性，采取倾斜20°打设系统锚杆可有效增强初支结构和围岩的耦合性，有效改善掌子面围岩应力状态，提高了围岩开挖后的稳定性并减小变形收敛。②严格控制台阶开挖长度和高度，减少上台阶临空面，保持掌子面稳定，有效的降低了掌子面拱顶溜塌的几率。③在各个工序的施工中加入时间要素，通过对工序时间的控制，做到了复杂地质条件下的快挖、快支、快成环。