軟弱圍巖鐵路隧道三臺(tái)階帶仰拱一次開挖工法臺(tái)階高度優(yōu)化研究

李鵬宇 崔光耀 王慶建

(1. 北方工業(yè)大學(xué)， 北京 100144；2. 中鐵隧道集團(tuán)四處有限公司， 南寧 530000)

隨著我國西南地區(qū)鐵路交通的持續(xù)發(fā)展，在鐵路隧道建設(shè)過程中不可避免需要穿越軟弱圍巖。因此，在選定開挖工法情況下，臺(tái)階高度的選擇對(duì)隧道施工的安全性和穩(wěn)定性有著重要的影響。

目前，國內(nèi)外專家、學(xué)者對(duì)軟弱圍巖條件下隧道施工的安全性及穩(wěn)定性開展了研究，主要有：軟弱圍巖隧道不同施工方法力學(xué)行為分析[1-2]；依托實(shí)際工程利用數(shù)值模擬對(duì)下臺(tái)階含仰拱一次開挖的工法受力特性進(jìn)行研究[3-4]；利用數(shù)值模擬軟件對(duì)軟弱圍巖隧道變形及其控制技術(shù)進(jìn)行研究[5-6]；依靠實(shí)際工程探究軟巖隧道臺(tái)階法帶仰拱開挖技術(shù)的應(yīng)用[7]；采用實(shí)驗(yàn)方法分析復(fù)雜圍巖隧道變形特征[8-10]。以上研究僅針對(duì)軟弱圍巖隧道帶仰拱開挖工法的力學(xué)行為與圍巖變形及其控制技術(shù)，對(duì)軟弱圍巖鐵路隧道特定開挖工法的優(yōu)化研究鮮有報(bào)道。因此，本文依托玉磨鐵路新平隧道工程，利用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件，對(duì)軟弱圍巖鐵路隧道三臺(tái)階帶仰拱一次開挖工法的臺(tái)階高度進(jìn)行優(yōu)化研究，研究成果可為類似工程施工提供參考。

1 新平隧道工程概況

1.1 地質(zhì)條件

玉磨鐵路新平隧道(D1K 46+290～D1K 60+780)起于大開門河雙線大橋，穿越魯奎山、寫莫村、揚(yáng)武西，止于揚(yáng)武中橋，全長 14 835 m。地形左高右低，山間溝壑縱橫，地面高程為 1 150～1 782 m，相對(duì)高差約為632 m，最大埋深約為578 m。隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，不良地質(zhì)段落幾乎涵蓋了整座隧道，管段內(nèi)基本以軟巖為主。

1.2 隧道結(jié)構(gòu)

隧道為馬蹄形斷面，初支厚25 cm，采用噴射C25混凝土支護(hù)；二襯厚50 cm，采用C25模筑混凝土。隧道高11.7 m，跨度為14.2 m。

圖1 計(jì)算模型圖

2 研究情況

2.1 計(jì)算模型

以新平隧道為研究背景，建立計(jì)算模型，如圖1所示。計(jì)算模型模擬地層的范圍為：隧道底部與上部取3～5倍洞高，約60 m，總高度為120 m；橫向兩端取3～5倍洞徑，約60 m，總寬度為120 m。模型的邊界條件為：上邊界無約束，下邊界為垂直約束，四周為水平約束。

2.2 施工方案

該段隧道采用三臺(tái)階帶仰拱一次開挖法，施工順序?yàn)椋孩匍_挖上臺(tái)階；②施作拱部初期支護(hù)；③開挖中臺(tái)階；④施作左右邊墻支護(hù)；⑤開挖下臺(tái)階及仰拱；⑥同時(shí)施作左右墻角支護(hù)及仰拱，根據(jù)圍巖變形及現(xiàn)場(chǎng)情況施作二次襯砌。施工方法示意如圖2所示。

圖2 施工方法示意圖

2.3 計(jì)算工況

為研究臺(tái)階高度對(duì)施工安全性及穩(wěn)定性的影響，建立5組計(jì)算工況，如表1所示。

表1 計(jì)算工況表

2.4 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型的材料物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 2材料物理力學(xué)參數(shù)表

2.5 測(cè)點(diǎn)布置

為了解開挖過程中圍巖的動(dòng)態(tài)信息，并據(jù)此判斷施工的安全性和合理性，在二襯結(jié)構(gòu)的拱頂、右拱肩、右邊墻、右拱腳等共8個(gè)位置設(shè)立監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采集各測(cè)點(diǎn)位置的應(yīng)力信息，測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 位移分析

提取各工況隧道及圍巖位移云圖如圖4～5所示。

圖4 隧道及圍巖豎向位移圖

圖5 隧道及圍巖水平位移圖

由圖4、圖5提取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并計(jì)算拱頂沉降、拱肩收斂和邊墻收斂，如表3所示。

表3 初期支護(hù)位移值表

由表2可知，工況4的拱頂沉降值、拱肩收斂值和邊墻收斂值均為5種工況中最小，分別為22.30 mm、3.17 mm、11.9 mm，明顯小于其他4種工況。

3.2 內(nèi)力分析

將提取出的隧道初支結(jié)構(gòu)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)計(jì)算量測(cè)數(shù)據(jù)代入式(1)～式(4)，計(jì)算結(jié)構(gòu)的軸力、彎矩和安全系數(shù)[11]。

(1)

(2)

KN≤φαRabh

(3)

(4)

式中：ε內(nèi)、ε外——結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)應(yīng)變；

b——截面寬度，取1 m；

M——彎矩；

N——軸力；

E——彈性模量；

h——截面厚度；

α——軸向力偏心影響系數(shù)；

φ——構(gòu)件縱向彎曲系數(shù)；

Rl——混凝土抗拉極限強(qiáng)度；

Ra——混凝土抗壓極限強(qiáng)度；

K——安全系數(shù)。

3.2.1軸力

處理計(jì)算所得數(shù)據(jù)并繪制監(jiān)測(cè)斷面軸力分布圖，如圖6所示。

由圖6可以看出，5種工況軸力分布規(guī)律相似，均處于壓應(yīng)力狀態(tài)。軸力絕對(duì)值峰值均出現(xiàn)在拱頂位置，分別為 4 579 kN、4 490 kN、4 781 kN、3 974 kN、5 003 kN。工況4軸力絕對(duì)值峰值最小且基本小于其他4種工況相應(yīng)位置的軸力絕對(duì)值。

圖6 監(jiān)測(cè)斷面軸力圖(kN)

3.2.2彎矩

處理計(jì)算所得數(shù)據(jù)，繪制監(jiān)測(cè)斷面的彎矩分布圖，如圖7所示。

圖7 監(jiān)測(cè)斷面彎矩圖(kN·m)

由圖7可以看出，5種工況彎矩分布規(guī)律相似。彎矩絕對(duì)值峰值均出現(xiàn)在拱頂位置，其峰值分別為24.6 kN·Wm、25.5 kN·m、23.8 kN·m、19.1 kN·m、28.1 kN·m。工況4邊墻為負(fù)彎矩，其彎矩絕對(duì)值峰值最小且小于其他4種工況相應(yīng)位置的軸力絕對(duì)值。

3.2.3安全系數(shù)

提取數(shù)據(jù)，計(jì)算得到各監(jiān)測(cè)斷面安全系數(shù)，繪制監(jiān)測(cè)段面安全系數(shù)分布圖，如圖8所示。提取各工況的最小安全系數(shù)并與工況1進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)計(jì)算安全系數(shù)增大百分比，如表4所示。

圖8 監(jiān)測(cè)段面安全系數(shù)分布圖

表4 最小安全系數(shù)表

由圖8、表3可知，5種工況的安全系數(shù)分布規(guī)律相似，最小安全系數(shù)出現(xiàn)在拱頂部位。5種工況的最小安全系數(shù)分別為2.46、2.51、2.35、2.83、2.25。其中，工況4的最小安全系數(shù)最大，相對(duì)于工況1提高了15.03%，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

本文依靠玉磨鐵路新平隧道工程，利用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件flac3D，對(duì)軟弱圍巖鐵路隧道三臺(tái)階帶仰拱一次開挖工法的臺(tái)階高度進(jìn)行優(yōu)化研究，得出以下主要結(jié)論：

(1)在5種計(jì)算工況中，工況4(上臺(tái)階高度4 m、中臺(tái)階高度3.2 m、下臺(tái)階高度5 m)的拱頂沉降值、拱肩收斂值、邊墻收斂值均為最小，分別為22.30 mm、3.17 mm、11.9 mm。

(2)在5種計(jì)算工況中，工況4的結(jié)構(gòu)安全性最高，最小安全系數(shù)最大，為2.83。

(3)綜合結(jié)構(gòu)位移及內(nèi)力分析，新平隧道軟弱圍巖段建議采用工況4的臺(tái)階高度進(jìn)行施工。