高铁隧道穿越不同岩性接触带施工方法研究论文_郑向南

摘要：随着我国高速铁路在西部地区的大力发展，铁路隧道经常需要穿越不同岩性接触带地层。隧道在穿越接不同岩性触带的施工过程中，易出现围岩塌方、变形过大、支护开裂等问题。本文就高铁隧道穿越不同岩性接触带施工方法进行了分析和探讨。

关键词：铁路隧道；接触带；施工方法

1 工程概况

贾塬隧道为位于银西高铁甘肃段，双线单洞隧道最大埋深约为260m，最小埋深约为14m，总长约为11860m。设计为双线单洞，跨度约为14m，净高约为12m，净空面积约为100m2。

根据设计资料，贾塬隧道三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282m，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1所示。从图1中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，成份以黏粒为主，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1研究断面现场

2 数值模拟方法

本文采用FLAC3D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120m，长度为40m，隧道顶部距模型的上边界51m，底部距下边界50m。其中X为水平方向，Y为掘进方向，Z为竖直方向。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2所示。拱顶处设置深度为4m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。

图2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 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。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、三台阶临时仰拱四种工法，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4.8m，中下台阶错距6.4m，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10cm厚混凝土作为临时支护。

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

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。

（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。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。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30.06mm，水平收敛绝对值之差为13.16mm，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12.57mm和0.85mm。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51.88mm，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36.21mm。

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3（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，最大值均在15到16MPa之间。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3（b）所示，且最大值降至13MPa，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3开挖过程的中围岩应力

（2）我们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1MPa，而隧道下部的压应力可达到13MPa。这是因为上部土体通过位移释放了大部分应力。

（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13MPa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11MPa，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。

结束语

本文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。

参考文献：

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论文作者:郑向南

论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期

论文发表时间:2020/4/30