何克 中国铁建大桥工程局集团第五工程有限公司 561500
摘要：为安全、优质、快速完成在建的刘家庄隧道，在现场测试和室内试验、计算基础上，优化施工方案，提出大断面隧道穿越偏压富煤软岩施工应对措施，以期为刘家庄隧道以及类似工程安全、快速及高质量完成提供指导和借鉴。
关键词：富煤软岩；铁路客专；影响分析；安全、快速施工1 概述
我国是一个多山国家，发展铁路交通不可避免地要遇到隧道的建设问题。隧道现场监控量测，是从个体到群体解决隧道与地下工程力学、设计、施工问题的一种重要手段和主要途径。
因各条隧道的地质条件不同，随着断面增大，其围岩稳定性变化加大。
若围岩比较软弱，则岩体整体强度低，自稳能力差，隧道开挖后自稳时间仅为几个小时，甚至没有自稳时间，易出现冒落破坏，形成安全事故。因此，在大断面隧道穿越富煤软岩施工中经常出现不均匀受力（存在应变梯度）、荷载（应力）多次重复作用、边界受有约束、达到相同应力值的途径不同等复杂的受力状态问题。为安全、优质、快速完成该隧洞的施工，课题依托在建的刘家庄隧道，在现场测试和室内试验、计算基础上，优化施工方案，提出大断面隧道穿越偏压富煤软岩施工应对措施，以期为刘家庄隧道安全、快速及高质量完成工程提供指导。
2 穿越富煤软岩偏压古滑体地层大断面铁路客专隧道开挖后变形特点根据施工多个循环的跟踪观察、数据收集、结果分析。基本确定该隧道开挖变形经历了缓慢变形阶段、变形加速阶段、缓慢变形阶段及变形逐步稳定阶段。隧道初期支护变形的特点表现为拱顶沉降量相对较小而周边收敛变形相对较大。由于偏压线路右侧相对线路左侧收敛值大。上台阶开挖后拱顶沉降变形约在7 d 逐步趋于稳定。中、下台阶及仰拱开挖后发生明显3 次变形，变形速率明显增大；初期支护喷射混凝土产生裂缝，且局部发生脱落。
3 穿越富煤偏压地层大断面客专隧道施工各项参数对隧道安全和稳定的影响分析3.1 数值模型参数及相关假定由于实际施工中是采用三台阶仰拱法施工，故数据模拟分析也以三台阶仰拱法为例。
数值模拟中作如下假定：①介质均为各向同性的连续均匀介质，忽略节理、层理与剪切带等地质软弱面造成的介质不连续情况；②不考虑地下水对隧道造成的影响；③模型按照弹性来考虑；④初期支护中的钢架和网片等可按照刚度等效原则等效到初期支护中来模拟，计算采取壳单元来模拟初期支护与临时支护。初始地应力包括初始自重应力和构造应力。然而目前构造应力的影响很难被预计，故在分析中略去这一因素，直接用自重应力场来代表初始应力场。根据圣维南原理，对于山岭隧道，数值计算中的围岩尺寸一般取隧洞开挖断面的3～5 倍的洞径（或洞跨），模型边界沿模型x 方向取50m，沿负x 方向也取50m，沿负y 方向取40m，沿y 方向取60m ， 沿负z 方向取为60m ， 整个隧道模型建成后大小为100m*100m*60m，隧道开挖轴线方向2m 一个网格，模拟施工中的步距。
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3.2 三台阶仰拱法施工模拟步骤沪昆客专刘家庄隧道出口三台阶仰拱法施工各分部情况主要施工模拟步骤如下：（1）建立三维实体模型，施加重力加速度和边界条件，求解，得到初始应力场；（2）开挖上台阶土体，纵向开挖至2m 处，及时施作初期支护，求解；（3）上台阶土体继续开挖以及继续及时施做初期支护，开挖步距为2m，开挖一步，求解一步，当上台阶开挖至4m 时，同时开挖中台阶土体至2m 处，及时施作初期支护，求解；（4）上、中台阶同时开挖以及同时及时施做初期支护，开挖步距为2m，开挖一步，求解一步，当中台阶开挖至6m 时，同时开挖下台阶土体至2m 处，及时施做初期支护，求解；（5）上、中、下台阶同时开挖以及同时及时施做初期支护，开挖步距为2m，开挖一步，求解一步，当下台阶开挖至12m 时，同时开挖底部仰拱部分土体至2m 处，及时施做初期支护，求解；（6）各分部同时向前开挖，开挖步距为2m，开挖后及时施作初期支护，求解，开挖一步，求解一步。
3.3 围岩累计沉降位移场分析当隧道采用三台阶仰拱法穿越研究断面时，隧道施工中各分部穿越研究断面所形成的研究模型中研究断面上的围岩累计沉降位移：（1）上台阶穿越研究断面后，研究断面上拱部上侧附近围岩出现了较大的累计沉降位移，最大沉降点出现在拱顶。上台阶底部全部向上隆起，最大隆起点出现在上台阶底部中点。这是因为研究断面上上台阶分部突然被开挖，围岩向隧道内移动，应力释放，导致出现了较大的沉降位移与较大的上隆位移。
（2）中台阶穿越研究断面后，研究断面上拱部上侧附近围岩出现了更大的累计沉降位移，最大沉降点任在拱顶出现。中台阶底部出现了更大的围岩隆起，隆起现象更加严重。（3）下台阶穿越研究断面后，研究断面上拱部上侧附近围岩大规模大位移沉降现象得到缓解，但拱顶附近沉降任在继续增加。下台阶底部围岩大规模大位移隆起现象也得到缓解。中台阶边墙附近围岩累计沉降位移较小。（4）底部仰拱穿越研究断面后，研究断面上的初期支护得以封闭成环，拱部附近围岩沉降已基本上得到控制，仰拱底部围岩上隆也基本上得到了控制，没有再产生过大的异常变形。这说明初期支护封闭成环后，整个结构已基本上趋于稳定。
通过以上分析可知，当隧道采用三台阶仰拱法穿越研究断面时，各分部分别穿越研究断面对研究断面围岩造成的影响很大，这种影响的变化也很大，该施工方案虽然对断面划分较少，但各分部支护不能立即成环，各分部穿越研究断面所引起的研究断面上累计沉降区域较大，围岩上隆区域也较大。
4 穿越富煤软岩偏压古滑体地层大断面铁路客专隧道施工力学效应特征4.1 隧道围岩应力场分析当隧道采用三台阶仰拱法施工时，研究模型中研究断面上围岩最大主应力图可知：（1）当上台阶穿越研究断面后，研究断面上围岩中上台阶底部靠近左右拱脚处出现了较小的应力集中，且为拉应力，最大值为1.13MPa，三台阶底部出现方形拉应力区，应力值都很小，隧道附近围岩除此处拉应力区外，其余皆为压应力区。原因在于，研究断面上上台阶部分被开挖，造成了相当大的临空面，拱顶附近围岩在竖向压力作用下向隧道内移动，迫使拱脚分别向隧道两侧围岩内移动，使得上台阶底部出现拉应力区，尤以底部靠近拱脚处为最大。（2）当中台阶穿越研究断面后，研究断面上围岩中中台阶底部出现了弓形拉应力区，中台阶底部靠近拱脚附近出现了拉应力集中，最大值为0.597MPa，比上台阶穿越研究断面后产生的最大拉应力值小了47%，但拉应力区域有所增大。中台阶拱脚处出现了较大的压应力集中，最大压应力值为0.92MPa。（3）当下台阶穿越研究断面后，研究断面上围岩中下台阶底部虽出现了拉应力区，但比起中台阶穿越研究断面产生的围岩拉应力区，不仅区域变小，最大拉应力值也小了10.5%。中台阶拱脚处有较大的压应力区域，但比起中台阶穿越研究断面产生的中台阶拱脚处围岩压应力区域要小很多。（4）当底部穿越研究断面后，研究断面上隧道附近围岩中均出现了压应力区域，拱顶上侧附近围岩与仰拱下侧附近围岩中出现了较小的压应力区域，隧道左右边墙附近围岩中出现了较大的压应力区域，从整体上看，隧道附近围岩中并无出现应力集中现象。
4.2 初期支护结构应力分析当隧道采用三台阶仰拱法施工完毕后，初期支护结构的最大与最小主应力：当隧道采用三台阶仰拱法完成施工后，针对最大主应力场进行分析，初期支护拱顶外测大部分区域受压，只在洞口处出现小范围的拉应力区，最大压应力值为0.465MPa。初期支护结构拱顶内测区域全部受拉，洞口处部分区域发生拉应力集中，其最大值为24.6MPa，此区域在施工中要特别注意，及时加强此区域的初期支护，必要时要加一些临时支护来确保此区域的初期支护不被拉裂。
参考文献：【1】国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程【S】.北京：中国法制出版社，2010【2】铁路瓦斯隧道技术规范.（TB10120-2002/J160-2002）【S】.北京：中国铁道出版社，2002【3】关宝树.隧道工程设计要点集.【M】.北京：人民交通出版社，2003【4】国家安全生产监督管理总局令第19 号.防治煤与瓦斯突出规定【S】.2009【5】关宝树.隧道施工安全的评价方法.【J】.隧道及地下工程.1990（8）
论文作者:何克
论文发表刊物:《基层建设》2015年1期供稿
论文发表时间:2015/8/27
标签：断面论文; 围岩论文; 应力论文; 隧道论文; 台阶论文; 初期论文; 拱顶论文; 《基层建设》2015年1期供稿论文;