沪昆高铁壁板坡隧道大跨断面施工力学特性

曾鹏，肖粤秀，王薇，杨新安

（1.中铁五局四公司，广东韶关512031；2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804）

沪昆高铁壁板坡隧道大跨断面施工力学特性

曾鹏1，肖粤秀2，王薇2，杨新安2

（1.中铁五局四公司，广东韶关512031；2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804）

以沪昆高铁壁板坡特长隧道合分修段大跨断面为工程背景，应用MIDAS/GTS建立不同尺寸大跨断面以及高速铁路普通双线隧道断面的二维计算模型，对施工过程中围岩及支护结构力学特性进行了研究，并对比分析初支混凝土轴向应力计算值与实测值。结果表明:右上台阶施工是大跨断面采用中隔壁法开挖时决定隧道结构稳定的重要工序，断面尺寸是影响大跨断面围岩变形的主要因素，分步开挖、及时施作仰拱能有效改善大跨断面墙脚处应力集中、优化结构受力，保证围岩与支护结构的稳定。

高速铁路隧道；大跨断面；合分修；力学特性；数值计算

合分修是目前在复杂地质条件下修建公路、铁路隧道的一种新的设计形式，它由大跨隧道、连拱隧道逐渐过渡到上、下行分离的双洞隧道。沪昆高铁壁板坡隧道采用“进口合俢、出口分修”的设计方案，其合分修段中大跨断面最大跨度达到24.84 m，高度达到16.03 m，开挖面积高达338.61 m2，是三、四车道公路隧道的2～3倍，可见高铁隧道合分修段大跨断面跨度更大、高跨比更小、开挖面积更大，属于超大断面。

大跨断面施工过程中受力较为复杂，加上施工期间诸多工序的相互影响、围岩的多次扰动、支护结构相互之间的非同步施工等诸多因素，围岩及支护结构受力复杂［1-2］。目前，对于大跨断面隧道国内尚未形成统一的设计与施工标准，研究对象以三、四车道公路隧道［3-7］以及地铁区间与车站大跨断面隧道［8］为主，主要探究大跨断面围岩压力、结构内力与跨度的关系以及对施工方法、支护结构的优化［9］。对于高速铁路隧道大跨断面的研究较少。本文对沪昆高铁壁板坡隧道合分修段大跨断面施工过程中围岩及支护结构施工力学特征进行研究，以期为高铁隧道大跨断面隧道施工提供参考。

1　工程概况

壁板坡特长隧道合分修段，起讫里程为D1K978 +580—D1K979+020，全长440 m，沿隧道轴线方向依次划分为D，C，B，A 4种断面，相邻断面之间采用台阶形式过渡，断面示意如图1。合分修段中各大跨断面情况见表1，合分修段所在岩层为P1m弱风化灰岩，围岩等级为Ⅲ级。支护参数见表2。

图1　壁板坡隧道合分修段大跨断面示意（单位：m）

表1　壁板坡隧道合分修段断面情况

2　大跨断面数值模拟分析

为了全面、客观地反映合分修段大跨断面施工过程中围岩位移和应力变化、支护结构的受力特征以及大跨断面与普通断面的差异，应用MIDAS/GTS计算程序建立二维平面应变模型，对壁板坡隧道合分修段中A，B，C，D 4种大跨断面以及高速铁路普通双线隧道断面（以下简称为O断面）的施工过程进行模拟分析。

2.1计算模型的建立

假设岩体为理想弹塑性材料，服从摩尔库伦屈服准则，采用实体单元模拟，初期支护为理想弹性材料，采用梁单元模拟初期支护、采用桁架单元模拟锚杆。模型上边界定为自由边界，仅施加与埋深相对应的竖向均布荷载以模拟地层竖向应力，模型两侧及底部采用位移约束。O，C，D断面尺寸为150 m×150 m，A，B断面尺寸为280 m×180 m。

根据地质勘测资料与《铁路隧道设计规范》［10］中Ⅲ级围岩的物理力学指标、工程经验确定围岩与支护结构的计算参数，见表3。

表2　壁板坡隧道合分修大跨段支护参数

表3　材料的物理力学参数

2.2计算结果与分析

2.2.1典型大跨断面围岩位移、应力分布规律

壁板坡隧道合分修段中A断面跨度为24.84 m，高度为16.03 m，采用中隔壁法施工。通过分析其围岩位移、应力分布规律，初步了解大跨断面施工力学特性。

1）围岩位移

A断面关键点（图2）水平、垂直位移随施工过程变化曲线见图3。其中正值表示水平向右，垂直向上。

由图3（a）可知，左、右两侧上台阶施工过程中，左1、右1处围岩发生水平向外的挤出变形，随着后续工序的进行，逐渐向隧道内收敛，最终水平位移为3.7，2.7 mm。左2、右2与左3、右3处围岩的水平位移也有相同的变化规律，其中左3和右3即左、右墙脚处水平向外的挤出变形最大。由于开挖台阶高跨比小，在深埋竖向压力作用下拱顶下沉、临时底板隆起，临时墙脚则发生向隧道外的挤出变形。

图2　A断面关键点示意

图3　A断面关键点位移随施工过程变化曲线

由图3（b）可知，垂直位移远远大于水平位移，尤其是拱顶与底板处。隧道施工完成时，拱顶下沉32.6 mm，底板隆起28.6 mm。其中，右侧上台阶施工过程中拱顶下沉与底板隆起量分别占最终值的64%，52%。这说明右侧上台阶的施工是整个断面开挖过程中的重要环节，若能有效控制该环节围岩垂直方向的变形，则能有效降低最终的围岩变形。

2）围岩应力

A断面施工完成后水平拉应力主要集中于拱顶和底板，极值点位于底板中心，为0.53 MPa；水平压应力主要集中于两侧拱脚及墙脚处，极值点位于左侧墙脚，为15.24 MPa；垂直拉应力主要集中于拱顶和底板区域，极值点位于底板，靠近墙脚，为0.37 MPa；垂直压应力集中于左右两侧拱脚、边墙、墙脚处，极值点位于墙脚，为40.54 MPa。

2.2.2不同形式断面施工力学特性对比分析

1）围岩位移

不同断面开挖、支护完成后水平与垂直位移极值见表4。由表4可知：①普通断面与大跨断面左、右边墙水平位移存在显著差异，普通断面左右边墙向隧道内收敛变形，而大跨断面均向隧道外挤出变形，且前者的水平位移绝对值大于后者。②随着大跨断面尺寸的增大，左、右边墙水平位移极值、拱顶下沉与底板隆起极值均逐渐增大。A断面拱顶下沉量和底板隆起量约为D断面的2倍，说明隧道断面尺寸才是拱顶下沉量与底板隆起量的主要影响因素，开挖方法是次要影响因素。O断面拱顶下沉量与底板隆起量数值相当，约为13 mm，小于大跨断面。

表4　不同形式断面水平与垂直位移极值mm

2）围岩应力

B，C，D大跨断面的应力分布规律与A断面基本一致，数值上存在差异。不同形式断面开挖支护完成后，围岩水平和垂直应力极值见表5。

表5　大跨断面围岩水平、垂直应力极值MPa

由表5可知：随着大跨隧道断面尺寸的增大、开挖方式的变化，水平、垂直拉应力的极值点始终位于隧道底板处且数值变化不大，水平拉应力约1.2 MPa，垂直拉应力约0.4 MPa；水平、垂直压应力极值点均位于墙脚，其变化规律不甚明显，O，D型断面均采用两台阶法开挖，而O断面墙脚处水平、垂直压应力极值均大于D断面；C断面虽采用三台阶法开挖，但由于断面尺寸大于D断面，其墙脚处水平、垂直压应力极值明显大于D断面；A，B断面采用中隔壁施工，虽然其断面尺寸大于C断面，但墙脚最终水平压应力极值均小于C断面，垂直压应力极值略大于C断面。

3　模拟计算值与实测值的对比

提取壁板坡隧道合分修段A断面仰拱施工前、后对应测点初支混凝土轴向应力计算值，与实测值进行对比，见图4。图中数值均表示压应力。

图4　A断面初支混凝土轴向应力实测值与计算值对比（单位：MPa）

由图4可知：仰拱施工前后初支混凝土均受压，实测值与计算值的分布规律基本一致；右侧初支混凝土轴向压应力分布不均，由拱部至拱脚初支混凝土轴向应力逐渐增大，沿边墙逐渐减小，极大值点位于拱墙交界处；总体上初支混凝土轴向应力的实测值略大于计算值。

对比图4（a）和图4（b）可知，在实际工程中和模型计算中仰拱施工对初支混凝土受力状态的影响存在差异。仰拱施工后，右侧初支混凝土轴向应力实测值整体呈增长趋势，尤其是中台阶D测点，由15.30 MPa增长至19.02 MPa。右侧上台阶初支混凝土轴向应力计算值略有增长，且增长幅度远小于实测值；中、下台阶初支混凝土轴向应力计算值减小，与实测值的增长存在明显差异，尤其是边墙F点，由13.81 MPa减小至5.29 MPa。这是因为数值计算中仰拱施工后初支混凝土闭合成环，有助于调整初支混凝土中的应力分布，减少边墙处初支混凝土轴向应力；实际工程中，仰拱施工远远落后于上台阶开挖，仰拱开挖支护时上部围岩应力释放已基本稳定，对初支混凝土应力分布的影响小。实际工程中应按要求及时施作仰拱封闭成环，改善墙脚处围岩受力集中情况。

4　结论

1）与高速铁路隧道普通双线断面施工后左、右边墙向隧道内收敛变形不同，壁板坡隧道合分修段大跨断面开挖后左、右边墙向隧道外挤出变形，其拱顶下沉量和底板隆起量大于前者，且随断面尺寸的增大而增大，说明断面尺寸是影响围岩变形的主要因素。

2）大跨断面采用中隔壁法开挖时，右上台阶施工过程中拱顶下沉与底板隆起量分别占最终值的64%，52%，说明右上台阶的施工是控制拱顶下沉、底板隆起的关键，是决定隧道结构稳定的重要工序。

3）不同尺寸大跨断面施工后围岩的水平、垂直压力分布规律基本相同；随着断面尺寸的增大，拉应力极值变化不大，垂直压应力极值逐渐增大；采用分步开挖、及时施作仰拱封闭成环能有效缓解大跨断面墙脚压应力集中，并优化结构受力，保证围岩与支护结构的稳定。

［1］管振祥.扁坦大跨隧道施工过程的三维数值模拟［J］.铁道建筑，2008（8）：64-66.

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［10］中华人民共和国铁道部.TB 10003—2005铁路隧道设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

（责任审编葛全红）

Mechanical Characteristics on Construction of Bibanpo Large Profile Tunnel on Shanghai－Kunming High Speed Railway

ZENG Peng1，XIAO Yuexiu2，WANG Wei2，YANG Xinan2
（1.The Fourth Engineering Corporation of China Railway No.5 Engineering Group，Shaoguan Guangdong 512031；2.The Key Laboratory of Road and Traffic Engineering，Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China）

T akingthelargeprofileconstructionofforkedpartintheBibanpoextra-longtunnelon Shanghai-Kunming high speed railway as the engineering background，2D numerical calculation model of tunnel sections with different large profile in common double lines of high speed railway was built to study the mechanical properties of surrounding rocks and supporting structures during the construction process and compare the calculated and measured values of initial supporting concrete axial stress by using M IDAS/GT S.T he results show that the construction of right-upper bench is a decisive process for tunnel structure stability with large profile by CD excavation method，the section size is the main factor that affects the surrounding rock deformation of large profile tunnel，excavation by steps and inverted arch construction in time could improve the stress concentration at the wall foot of large profile，optimize the structure stress and ensure the stability of surrounding rock and supporting structure.

High speed railway tunnel；Large profile；Forked part；M echanical properties；Numerical calculation

U455.4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.15

1003-1995（2016）10-0055-04

2016-08-23；

2016-09-20

曾鹏（1978—），男，工程师。