铁路双线隧道Ⅲ级围岩段全断面(含仰拱)开挖法应用研究

张卫霞

(中铁十二局集团第二工程有限公司，山西 太原 030032)

隧道施工采用台阶法等分部开挖法存在作业空间相对狭小的弊端，致使大型机械设备不能充分发挥作用，如何确保大断面开挖既安全又高效是业界关注的问题。有工程实践证明全断面法较台阶法开挖累计变形量更小、质量易于控制[1]，在Ⅳ级围岩段采用4 m进尺全断面法开挖可行[2-3]。本文以怀邵衡铁路黄岩隧道施工为实例，对Ⅲ级围岩段采用带仰拱一次性全断面(含仰拱)开挖法进行总结，并通过建立时变本构数值模型，对隧道开挖后围岩的位移和应力进行时效分析，为类似工程提供参考。

1 全断面(含仰拱)开挖法技术特点

1.1 全断面(含仰拱)开挖法介绍

全断面(含仰拱)开挖法是在隧道采用凿岩台车、湿喷机械手等大型装备快速施工条件下发展起来的一种工法。开挖掌子面测量放线后，采用凿岩台车在隧道轨面以上部分与仰拱同时钻孔，并一次爆破以达到开挖断面全环成型。拱墙和仰拱初期支护同步施作，仰拱部位初支完成后采用洞砟临时回填至掌子面附近，平整后满足凿岩台车等设备的作业空间。将回填洞砟清除后施工仰拱及填充混凝土，依次循环作业，快速开挖支护。隧道全断面(含仰拱)开挖法断面示意如图1。

图1 全断面(含仰拱)开挖法断面示意

1.2 全断面(含仰拱)开挖法优点

1)仰拱开挖不单独作为一个工序，隧道断面全环一次性开挖，减少了仰拱开挖多次爆破，有利于围岩稳定。

2)缩短了初支封闭时间，与台阶法施工相比，围岩变形量明显减少，有利于隧道围岩稳定和施工安全。

3)施工空间大，有利于大型机械设备运行，加快了施工进度；人力投入减少，降低了施工安全风险。

4)与台阶法施工相比，全断面(含仰拱)开挖法可使初支钢架连接单元数量和接头数量减少，初支喷射混凝土质量易控制，有利于避免环向钢架单元连接易出现的质量问题。

5)采用带仰拱一次全断面(含仰拱)开挖法，仰拱部位钻眼作业较仰拱单独开挖作业空间大，有利于底板眼外插角的精度控制，可提高仰拱开挖成形质量。

1.3 全断面(含仰拱)开挖法适用条件

通过全断面(含仰拱)开挖法在黄岩隧道Ⅲ级围岩段的应用，综合岩体物理力学参数测试以及数值模拟结果，将全断面(含仰拱)开挖法适用条件总结于表1。

表1 黄岩隧道全断面(含仰拱)开挖法适用条件

1.4 全断面(含仰拱)开挖法施工要点

1)每循环开挖进尺

对设格栅钢架的支护，每循环开挖进尺小于2.5 m；对不设置格栅钢架的支护，每循环开挖进尺小于3.5 m。

2)钻爆设计

采用光面爆破技术。根据工程地质和水文地质情况，以及开挖断面、循环进尺、爆破器材等因素进行爆破设计，合理选择爆破参数。严格控制周边眼装药量，采用空气间隔装药，药量沿炮眼均匀分布。选用低密度、低爆速、低猛度的炸药，采用非电毫秒雷管起爆和微差爆破，周边眼采用导爆索起爆。

3)钻眼爆破

采用三臂凿岩台车进行钻孔。台车臂应分区，先钻周边眼和掏槽眼，再钻辅助眼，清底后钻底板眼。

采用全站仪对开挖断面检查并将分析结果反馈给施工人员，不断优化爆破参数。

4)仰拱和拱墙初期支护

初期支护应做到快挖、快支、快封闭，爆破后应在12 h内完成开挖、出砟、架设拱架、喷射混凝土、打设锚杆。喷射混凝土采用湿喷机械手。喷射作业应分段、分片、分层，由下至上进行。采用锚杆钻机或风动凿岩机成孔,在拱部设中空注浆锚杆，检查注浆质量合格后将垫板拧紧；在边墙设全长粘结砂浆锚杆，向孔内注满早强砂浆后将锚杆打入，待砂浆达到设计强度后安装垫板和螺帽。采用拱架安装机或作业台架安装格栅钢架。钢架下端设在稳固的地基上，拱脚开挖超深时应加设混凝土垫块，安装后利用锁脚锚管定位，拱背喷填同级混凝土使支护与围岩密贴。

5)设备配置

合理选用机械化配套设备，尽量缩短作业循环时间。各道工序应平行流水作业，缩短衔接时间。

2 黄岩隧道工程概况

黄岩隧道为新建怀化-邵阳-衡阳铁路控制性重点工程，隧道起讫里程为DK17+828—DK34+858，全长 17 030 m，设计为单洞双线隧道，采用CRTSⅠ型双块式无砟轨道。线路设计行车速度200 km/h。黄岩隧道设5座斜井，分11个作业面，采用钻爆法施工。洞身穿越的岩体以Ⅲ级围岩(总长度 9 928 m)、Ⅳ级围岩(总长度 6 200 m)为主，少量V级围岩(总长度902 m)，其中Ⅲ级围岩段占隧道总长的58.3%。隧道穿越地层岩性主要为砂质板岩。隧址区褶皱、断裂构造发育，穿越3处向斜和15处断裂构造带，地质条件较复杂。

3 Ⅲ级围岩段全断面(含仰拱)开挖法数值模拟分析

3.1 Ⅲ级围岩时变本构模型的确定

根据工程设计资料及相关文献[4-6]，弹塑性围岩采用DP模型，流变性围岩采用指数型流变模型。时变本构方程为

(1)

式中：ε为蠕变应变；σ为蠕变应力；A,m,n为材料参数；t为时间。

利用有限元软件ANSYS进行反分析，选择ANSYS提供的12个常用隐式蠕变方程中与式(1)相关的方程进行时变参数反演，进而得到Ⅲ级围岩时变本构方程

ε=C1σC2tC3+1e-C4 /T/(C3+1)

(2)

式中：C1，C2，C3，C4为蠕变参数。

3.1.1 特征断面位移量测和考虑空间效应数据修正

取Ⅲ级围岩段DK25+380断面为特征断面，拱顶设沉降监测点1个；最大跨度处左右两侧设水平收敛监测点共2个。

由于受空间效应影响，开挖面到达前地层中已经发生的损失位移不能由仪器测取，将损失位移与实际发生的总位移的比值称为空间效应系数[7]。利用现场实测位移作为反演分析输入数据时，须将损失位移与实测位移相叠加，得到总位移。空间效应系数计算公式为

(3)

式中：U为总位移；U′为实测位移；η为空间效应系数。

综合确定Ⅲ级围岩空间效应系数为0.25。

3.1.2 二维平面计算模型的建立

参考相关文献[8-9]中对围岩边界范围的研究，数值模型的范围为：隧道两侧岩体宽度取3～5倍洞径(洞径13.1 m)，隧道上下部岩体高度取3～5倍隧道高度(净高10.98 m)。取模型宽度为100 m，高度为90 m。计算参数见表2。

表2 Ⅲ级围岩数值模拟计算参数

3.1.3 时变本构模型参数反分析

2009年9月对营27斜3井实施补孔混排下水力喷射泵措施。9月25日下午16时下泵生产，仅1 h就发现混合液含砂。含砂量0.1%左右，该井开井时最高含砂量2%。9月27日下午16时见油，随着生产时间的延长，含砂量也逐渐减少。稳定后日产液达到15.5t，日产油7.1t，含水率54.5%，措施实施取得了理想的效果，长停2年后成功开井。

进行反分析前需指定反分析参数的设计初始值及取值范围。经查阅文献[10]，初始值C1取1.0×10-12,C2取1，C3取-0.62,C4取0。

采用ANSYS优化反分析后，得到Ⅲ级围岩(砂质板岩)的时变本构方程

ε=8.486 6×10-12σt0.38

(4)

3.1.4 位移反分析结果验证

通过Ⅲ级围岩时变本构方程进行计算，隧道开挖完成后7 d水平收敛为17.2 mm，拱顶沉降为14.2 mm，与实测修正值(水平收敛实测12.1 mm，修正后16.1 mm；拱顶沉降实测11.7 mm，修正后15.6 mm)的误差分别为6.8%和8.9%，均在允许的误差10%之内，表明模型参数取值合理。

3.2 基于时变本构模型的全断面(含仰拱)开挖时效分析

3.2.1 计算方法

为分析隧道开挖过程中围岩的变形与应力的时变过程，采用有限元分析软件ABAQUS建立二维数值计算模型。计算范围、边界条件与3.1节一致。数值模型参数的取值：A=3.224 9×10-12；m=-0.62；n=1.00。通过模型计算，得出隧道断面开挖后不同时刻围岩的竖向位移、水平收敛云图和最小主应力云图，提取出特征点的时程曲线进行分析。

3.2.2 Ⅲ级围岩段全断面(含仰拱)开挖时效分析

1)位移分析

图2 Ⅲ级围岩段位移时程曲线

Ⅲ级围岩段位移时程曲线见图2。可见：隧道开挖刚完成时拱顶沉降为2.77 mm，在隧道开挖完成12 h 拱顶沉降增大至8.06 mm；随后，拱顶沉降的变化速率减缓，48 h拱顶沉降为9.89 mm。

隧道开挖刚完成时水平收敛为1.75 mm,12 h水平收敛增大至5.90 mm；随后，水平收敛的变化速率逐渐减缓，48 h水平收敛为8.09 mm。

2)应力分析

Ⅲ级围岩段各特征点处最小主应力时程曲线见图3。

图3 Ⅲ级围岩段各特征点处最小主应力时程曲线

由图3可见：隧道开挖完成后各特征点处最小主应力均为负值，表明这些位置围岩均处于受压状态；拱顶和拱底处的最小主应力随时间的延长缓慢增大，而拱腰、拱脚及边墙处的最小主应力随时间的延长缓慢减小;各特征点处的应力值在隧道开挖12 h后趋于稳定。最小主应力时程变化情况：拱底处由0.4 MPa增至2.53 MPa；拱顶处由0.9 MPa增至4.0 MPa；拱腰处由14.6 MPa减小至9.1 MPa；边墙处由17.3 MPa减小至11.2 MPa；拱脚处由18.3 MPa减至12.3 MPa。各特征点处最小主应力从大到小排序依次为：拱脚>边墙>拱腰>拱顶>拱底。

4 结论与建议

1)隧道施工采用全断面(含仰拱)开挖法能达到“三少一快”，即对围岩扰动减少、钢架连接和喷射混凝土接缝减少、作业工序减少、施工进度加快。

2)全断面(含仰拱)开挖法开挖和支护施工有利于大型机械设备充分应用，提高工效，通过缩短开挖和支护时间，确保围岩稳定和施工安全。

3)基于ANSYS优化反分析，考虑空间效应修正实测数据，对黄岩隧道砂质板岩的蠕变参数进行反演分析，得到时变本构方程。

4)数值模拟分析表明：采用机械化配套设备施工的全断面(含仰拱)开挖法能保证围岩稳定，Ⅲ级围岩段可采用全断面(含仰拱)开挖法施工。

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