铁路隧道仰拱设计施工关键技术分析

吴明友

(铁道部建设管理司,北京 100038)

1 概述

据不完全统计,目前我国在建铁路隧道总长度已超过7 900 km。隧道在铁路工程中所占比重越来越大,隧道建设安全直接关系到人民生命财产安全,关系到又好又快地实施铁路高标准大规模建设,关系到《中长期铁路网规划》的顺利实施。

当前以及今后一段时期内,采用矿山法修建隧道仍然是铁路隧道建设主要技术方法之一。在采用劳动密集型的矿山法施工时,如何防止隧道塌方,确保隧道建设人员生命及财产安全仍然是我们长期面临的重大课题。

隧道塌方安全事故中,开挖仰拱时发生的隧道失稳塌方是最危险的一种。这种塌方失稳具有规模较大,发生突然的特点,往往直接掩埋仰拱作业人员造成重大人员伤亡,或形成隧道“关门塌方”事故,即仰拱前方掌子面作业人员因塌方阻隔受困在隧道里面等待抢险救援。今年发生的多起铁路隧道安全事故均是发生在仰拱开挖施工中。因此对铁路隧道仰拱施工过程进行力学分析,研究塌方发生的原因,采取有效措施进行安全控制,防止隧道失稳塌方,具有十分重要的意义。

从隧道工程力学来看,塌方就是围岩的局部或整体变形失稳,属于隧道稳定性问题。前人对于隧道围岩稳定性进行了广泛的研究,本文不一一赘述。然而,国内外专门针对仰拱开挖施工安全的隧道稳定性的综合多因素进行全面分析不多[1～7]。

由于我国地质条件的多样性和复杂性,围岩岩土性质及应力变化的复杂性和不确定性,隧道工程仰拱设计施工尚且存在诸多问题。本文针对上述问题,从隧道施工过程力学机理分析入手,详解了目前隧道仰拱施工塌方原因,提出了相应设计施工安全控制关键措施,以供铁路隧道建设各方进行安全管理时参考。

2 仰拱施工过程力学机理分析

隧道施工中,仰拱作为衬砌结构的重要组成部分,对维护隧道整体稳定有着重要的作用。隧道仰拱能明显地提高支护结构的整体刚度,有效地约束围岩的变形,改善整个衬砌的受力状态,并减少隧道结构病害的发生。但是,软弱围岩及不良地质隧道常采用分部开挖、分部支护的方式施工,围岩压力、围岩变形、支护结构内力随着施工动态过程在空间及时间上发生动态变化。从隧道施工过程力学的角度来看,仰拱施工又恰恰是隧道成隧过程中最不利、最危险的时刻,其力学机理如下。

2.1 成隧过程及体系转换

开挖仰拱前,隧道初期支护体系还没有封闭成环,拱墙初期支护抵抗侧向压力以及竖向承载能力均较差。仰拱施工完毕才形成完整闭合的隧道支护,围岩与支护内力重新分布调整,隧道支护体系转换完成。

分部开挖、分部支护的成隧过程,其力学实质是一个对围岩反复卸载、加载的过程。围岩荷载、围岩应力、初期支护内力等将随着应力历史和应力路径的变化,会发生荷载变化、应力重分布、应力集中、应力损伤、塑性区开展及破坏等现象。

以台阶法为例,施工过程数值模拟计算及实践表明,开挖上台阶时,塑性区主要集中在拱脚部位；上台阶开挖支护完毕,开挖下台阶部分后,塑性区范围由上台阶的拱脚处扩展到下台阶拱脚部位,仰拱开挖后塑性区范围进一步扩大。

2.2 最不利状态

仰拱开挖一般是隧道的最后一步开挖,此时,隧道洞室尺寸达到最大值,围岩荷载达到最大值。数值计算及监控量测表明,此时洞周围岩应变、初期支护弯矩轴力等达到最大值,塑性区范围最大,拱脚出现塑性区和应力集中,拱顶下沉、收敛变形量测值急剧增长。当应力增长超过岩体强度,支护与围岩形变超过极限平衡状态时,隧道就会失稳坍塌。

图1 塑性区分布

研究表明[1～2],隧道有仰拱比无仰拱时.周边围岩内塑性区范围减小30%以上(图1),洞周位移特别是拱顶和仰拱部位的位移减小55%以上,隧道二次衬砌安全系数提高了22%以上。因此在仰拱开挖后,仰拱初期支护喷混凝土达到强度前隧道处于最不利的荷载条件。

2.3 时空效应

隧道逐循环向前开挖的施工过程中,荷载的增加取决于开挖面推进速率和喷混凝土刚度增加的速率以及开挖和支护的设置过程。隧道洞室一方面由于开挖而导致围岩变形,同时,也会受未开挖围岩和深部围岩的挟制以及支护的限制作用而趋于稳定。一般认为,隧道的空间效应范围约在(1.5～2)D。

初期支护岩体与时间空间相关的特征以及施工过程如果在隧道支护的设计和施工中未加以考虑和重视,其结果就会造成仰拱开挖面附近的安全问题。

3 仰拱施工塌方原因分析

隧道是建于岩土介质中的结构物,由于岩土介质本身的复杂性以及岩土介质与结构共同作用的不确定性,隧道设计施工判断和措施与实际状态仍然可能存在较大的偏差,隧道仰拱开挖过程中仍然可能出现意外的塌方事故。通过对近年来发生的铁路隧道仰拱开挖塌方事故进行分析,可以总结出以下主要原因。

3.1 初期支护不力,导致仰拱施工时结构失稳

初期支护不力,不能有效抑制和平衡围岩变形，仰拱开挖后就会发生塌方。塌方的原因可能是设计措施不强,也有可能是施工措施不力。

当前设计通行的隧道结构设计计算,一般采用荷载结构模型,平面杆系有限元法。支护参数的确定以工程类比为主,辅以结构数值分析检算。计算时,初期支护为主要承载结构。Ⅱ～Ⅲ级围岩二次衬砌作为安全储备,按承受围岩荷载的30%检算,Ⅳ～Ⅴ级围岩二次衬砌作为承载结构,分别按承受围岩荷载的50%～70%检算,得出荷载与结构安全系数、配筋量关系曲线,并与工程类比法相互佐证,合理确定参数值,计算中考虑仰拱与衬砌共同作用。

隧道工程与一般地面结构在力学机制上不同,由于岩体初始应力不易确定、岩体材料非均质非线性各向异性、岩体力学参数难以准确获取、岩体与开挖支护相互作用的不确定性等特点,在实际隧道设计过程中,如果支护设计参数采用工程类比或套用规范、通用图,如果设计分析检算采用对完整隧道一次性平面模型计算,当围岩与实际状态存在较大的差异时,通常就会在仰拱开挖这个最不利环节发生塌方。其原因可用收敛约束原理解释(图2)。

图2 收敛约束原理示意

当然,如果施工过程中偷工减料,出现钢架与围岩不密贴等质量缺陷,初期支护刚度由于施工质量不能达到设计要求,通常也会在仰拱开挖时结构安全系数急剧下降而发生整体隧道失稳塌方。

3.2 忽视上部结构变形对下部施工的影响

支护压力是隧道收敛闭合的函数,监控量测可以反馈围岩和初期支护结构动态,通过量测数据优化支护参数,保证施工安全。施工中,上下台阶开挖支护后,围岩支护变形应该进入基本稳定状态,荷载位移达到稳定值,仰拱开挖后,支护结构在一定时间内尚能保持稳定或平衡。这时,仰拱施工才会安全。

如果仰拱开挖时,拱墙变形不稳定或刚刚处于极限平衡状态,此时开挖仰拱必然会导致结构安全系数不足,隧道整体失稳塌方。

3.3 未及时调整施工步距和措施

隧道工程成败的关键在于设计和施工人员依据围岩地质状况,正确判断,选用合适的支护系统和开挖方式,并不断根据监控量测信息进行支护修正和工法改良。

即使上下台阶断面开挖支护时围岩应力状态保持平衡状态,如果仰拱一次开挖长度过长,开挖处纵横向空间“桥冠”作用减弱消失,围岩应力迅速重分布,初期支护变形急剧增加,导致仰拱开挖段的初期支护先发生破坏,接着带动两侧支护一起破坏而发生严重塌方事故。

3.4 施工组织不合理、施工管理不到位

隧道安全事故发生可划分为三个层次：一是由于自然的复杂性人们没有正确的认识；二是认识了,没做好,能力有限；三是无知者无畏,不按规程、规范和作业指南施工。

施工组织不合理、施工管理不到位,当隧道施工碰到较差的地质条件,在最不利的环节,出现塌方事故的概率就迅速增大。

4 设计施工控制关键技术

由于地下工程岩体具有非均质、各向异性及非连续的特性,所以采用连续体力学计算时,由于其假设条件与实际岩体不符,因而其计算结果往往是隧道拱、墙、顶、底均匀变形。而非连续体数值模拟结果与工程实践均证实,地下工程开挖后,地下工程围岩位移量并不是均匀的,而是首先从地下工程某一个或者某几个部位开始位移破坏,从而导致整个地下工程支护体失稳,这些首先破坏的部位就是支护的“关键部位”。进行隧道仰拱施工安全控制应做好以下关键方面工作。

4.1 设计加强措施

(1)软弱围岩及不良地质隧道设计检算时,应进行施工过程检算。设计应充分考虑下台阶、仰拱开挖时支护体系转换对支护结构稳定性的影响,采取相应的加固措施,如扩大拱(墙)脚、锁脚锚杆(管)、钢架基础加固等。

(2)施工过程中,设计应根据地质条件变化和监控量测信息,及时调整支护参数、施工工艺及工序。

(3)施工图设计中应明确管棚、小导管、锁脚锚杆(管)注浆,钢架基础加固等施工要求。

4.2 施工加强措施

(1)仰拱开挖前,必须按设计完成拱墙锁脚锚杆、钢架、钢架连接及喷射混凝土等初期支护施工。

(2)仰拱施工中,应加强上部初期支护变形的监控量测。变形速率异常时,应暂停仰拱及掌子面施工,并及时分析原因,采取处理措施,对上部初期支护进行补强后方可继续进行仰拱施工。

(3)仰拱及下部施工时,应配置专职安全员,控制仰拱开挖预留量、随时观察洞身初期支护的情况。挖装机械作业必须配专人指挥,严禁大型机械开挖时触碰或钩挂钢架脚部和锁脚锚杆(管)。

(4)初期支护与围岩间应密贴,对空洞、脱空现象必须进行初支后充填注浆。

(5)富水、软弱围岩地段仰拱开挖后,必须采用喷混凝土及时封闭,并强化排水、严禁长时间浸泡基底。

(6)锁脚锚杆(管)应按设计要求进行注浆,注浆应饱满密实。

(7)仰拱一次开挖进尺不得过大,一般控制在3 m,便于施工展开和快速封闭。仰拱开挖后应立即快速施作初期支护封闭,一般应于12～18 h内完成仰拱开挖、架设钢拱架、喷射混凝土封闭作业,确保仰拱快挖、快支、快速封闭。

4.3 安全管理措施

(1)仰拱施工应制订安全应急措施。针对仰拱开挖易发生塌方的风险,制定相应的防范预案和物资材料储备,并保证安全投入到位。

(2)优化施工组织,合理安排施工工序,加强施工技术交底和现场指导,保证人员、机具设备、材料和混凝土等要素到位,实现仰拱施工的连续性和及时浇筑。

5 结论

隧道在开挖过程中的变形受到诸多非确定性因素的影响。围岩是非确定性系统,常规试验方法获取围岩物理力学参数进行稳定性分析和设计必然会产生较大误差。开挖分步方式和顺序会影响围岩支护构件的应力重分布或集中。本文从仰拱开挖破坏的力学机理角度入手,提出了加强隧道仰拱施工安全的关键措施。

(1)仰拱开挖作为最后一道隧道开挖工序,力学机理分析和监控量测实践表明,此时隧道支护最不利状态出现。隧道设计施工应把握仰拱施工过程力学机理,重视仰拱开挖面附近的安全性问题,采取有力的控制措施。

(2)钢架接头固定和纵横向连接、拱墙脚扩大或注浆处理、锁脚锚杆(管)、基础排水避免浸泡软化、喷混凝土密实、钢架密贴围岩等是防止隧道失稳破坏的关键所在,针对性采取设计施工加强措施对于仰拱施工安全控制非常有效。

(3)隧道仰拱施工安全与围岩条件、分步开挖方法、支护顺序及拱墙支护变形密切相关。仰拱闭合成环的时机既要考虑到仰拱距开挖面的距离,又要考虑到上部拱墙变形基本稳定。仰拱施工中应加强拱顶沉降和拱墙收敛变形等的监控量测,当变形速率异常时,应首先对拱墙初期支护进行补强处理,不能盲目开挖仰拱。

(4)仰拱一次开挖进尺控制在3 m有利于施工展开和快速封闭。仰拱施工应遵循快挖、快支、快速封闭的原则,开挖后应立即快速施作初期支护封闭,一般应于12～18 h内完成仰拱开挖、架设钢拱架、喷射混凝土封闭作业,确保隧道体系转换安全。

(5)仰拱施工应制定安全应急预案,加强管理。软弱围岩和不良地质隧道仰拱开挖应有专人巡视指挥施工,必要时应暂停掌子面施工作业,进行仰拱单工序作业,确保施工安全。

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