红黏土接触带不同施工台阶高度对隧道结构的影响研究

宁睿 李科 张世年 范世鸿

摘要：为对不同岩层接触带隧道施工参数进行深入研究，文章以银西铁路贾塬隧道为工程背景，选择红黏土-砂岩夹泥岩接触带为典型地层，并建立FLAC3D模型，研究施工过程中台阶高度对隧道支护结构受力特征和变形规律的影响，得出以下结论：隧道穿越红黏土与砂岩夹泥岩接触带，采用三台阶核心土法时，随着上台阶高度的增加拱顶沉降值越来越大，仰拱隆起值越来越大，初期支护的应力逐渐增大，塑性区面积也逐渐增大;上台阶高度对拱腰的水平位移影响较小;隧道穿越红黏土与砂岩夹泥岩接触带时，在保证上台阶施工空间的基础上应尽量减小上台阶的高度。

关键词：红黏土与砂岩夹泥岩接触带;施工工法;隧道支护结构;台阶高度;数值模拟

0 引言

在不同岩性接触带施工措施研究方面，对于采用盾构法施工的隧道，遇到软硬不均地层时，许多学者都进行了研究，但对于采用矿山法修建的隧道，遇到土石交界地层的情况，目前学者研究较少。石常艳[1]对于隧道穿过土石地层的情况，以位于陕西省延长县郑庄镇的阳山隧道为例，提出了隧道修建的总体施工方案和专项施工技术，有效预防因隧道爆破而引起的滑塌和拱部坍塌事故，为以后类似工程提供了借鉴。黄彬[2]根据中南铁路黄土隧道遭遇土石分界地层的情况，阐述了类似情况下矿山法施工的技术要点，包括开挖顺序、台阶高度长度等，有效降低了其风险性。王丽庆[3]对隧道穿越富水土石地段的施工措施进行了阐述，并分析了土石地层隧道特点，为类似隧道施工提供了依据。朱望瑜[4]结合太中银铁路土石分界地层隧道项目，通过数值模拟计算，分析不同开挖参数对隧道稳定性的影响，并对注浆技术在治理土石分界地层裂隙水问题中的应用进行了简要介绍。傅洪贤、牛晓凯[5]对大连石门山隧道，以下部爆破上部机械开挖的方法，穿越了某复杂地段，提出了大跨度复杂性隧道开挖的适用方法。戚长军[6]对位于土岩地层交界的隧道进行方法比选，得出先墙后拱开挖最优的结论。

随着计算机技术的不断提高和广泛应用，采用数值模拟方法进行隧道围岩计算模拟分析越来越广泛，可靠性也得到提高。熊良宵、袁学武[7]针对软硬岩层的不均匀分布，利用FLAC3D软件分析了隧道掘进面围岩的应力状态，探讨了围岩应力的影响规律。汪宏、蒋超[8]采用ANSYS软件模拟了隧道施工力学行为，结果显示土石交界地层围岩力学性质的差异是其灾害发生的原因之一，根据模拟结果，提出了某隧道进洞时出现塌方的解决方案，并在实践中得以运用。赵艳纳、何俊辉[9]利用FLAC3D软件，对土石混合岩体破碎带进行围岩稳定性分析，并与实际工程相比较，证明了軟件分析的可靠性。

但由于国内在红黏土-砂岩夹泥岩接触带此类复杂地层中的施工经验较少，可借鉴的有效施工参数有限，比如开挖工法、开挖顺序、分部开挖时台阶设置的长度和高度、锚杆长度和间距等参数，不能得到已有的可靠结论。隧道开挖引起掌子面或前方软硬围岩不均时，常常发生围岩变形、受力不均的情况，如果施工不慎或支护不当，极大可能引起围岩塌方或支护开裂等灾害，造成工期延误、经济损失甚至人员伤亡。由此有必要研究不同施工参数对围岩稳定性及支护内力和变形的影响。根据研究规律，在保证围岩稳定及施工安全的情况下，调节施工参数，以提高施工效率，对于此类隧道工程的建设具有非常重要的指导意义。但目前缺乏针对此类地层的成套施工技术标准，这就需要对施工参数的选择展开深入研究，确保隧道施工的安全和质量。

本文围绕银西铁路贾塬隧道，针对该隧道典型的红黏土-砂岩夹泥岩接触带，建立FLAC3D模型，对其隧道台阶法施工的不同台阶高度对隧道结构的影响进行研究，以此分析类似岩层接触带的适宜施工台阶高度。

1 工程概况

本文以银西高速铁路为背景，依托该线贾塬隧道的修建开展研究。西安北站至银川站正线长度为618 km，主要位于高原型黄土塬及黄土梁峁区、董志塬黄土台塬及沟壑区，隧道穿越世界最大黄土塬——董志塬。其中贾塬隧道位于甘肃省庆阳市庆城县贾塬村，为双线隧道，全长11 865.92 m，是银西铁路甘宁段第二长隧道，也是银西铁路建设中的重点控制工程之一。隧道三次穿越岩层接触带，其中一段为第三系红黏土与白垩系上统砂岩夹泥岩的接触带，接触带埋深240～270 m。

该段接触带实际工程开挖工法为三台阶法预留核心土，穿越里程为DK285+275～DK286+256，预支护范围为拱部140°;锚杆设置在边墙处;二次衬砌采用复合式衬砌，具体支护手段见表1。

2 数值模拟

2.1 计算模型的确定

根据贾塬隧道的现场实际情况和施工设计资料，以红黏土-砂岩夹泥岩接触带分界面位于拱腰位置为模型的原型基础，考虑上台阶高度分别为2 m、3 m、3.73 m及4.73 m四种工况建立数值计算模型。

建模时以隧道中线位置为中心，X轴方向尺寸为+60 m、竖向取仰拱底部以下50 m、拱顶以上取隧道实际埋深，山体范围沿隧道纵向取40 m。

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。隧道围岩特性按弹塑性材料考虑，采用莫尔-库仑准则，初期支护采用shell单元，钢拱架采用beam单元。监测模型沿隧道轴向24 m处的断面。计算模型如图1所示。

2.2 计算参数选取

隧道围岩参数主要依据贾塬隧道地层土工试验物理力学参数。对于施工中采用的拱部 140°超前小导管支护，根据以往经验[10]，可采用加固区的形式来模拟预支护，即提高预支护范围内围岩材料参数。本次模拟中，将加固区参数提高一倍左右，具体计算参数如表2所示。

2.3 开挖参数及支护步骤

根据设计资料和现场实际情况，数值模拟计算中采用三台阶核心土法开挖。具体计算步骤如下：

第一步：施作超前支护，提高加固区围岩参数。

第二步：台阶开挖并通过施加节点反力的方式释放30%的地层应力。依次开挖拱部弧形导坑、左右两侧中台阶和上台阶核心土、左右两侧下台阶和中台阶核心土、仰拱和下台阶核心土，施加70%的节点反力计算平衡，模拟开挖时围岩应力释放。

第三步：施作初期支护。依次施作上台阶、中台阶、下台阶和仰拱的初期支护，去除节点反力，计算平衡。

模拟开挖时循环进尺为1.6 m（两榀钢拱架），臺阶长度依次为：上台阶长度为4.8 m，中台阶长度为4.8 m，下台阶长度为4.8 m。

3 计算结果及分析

3.1 拱顶沉降计算结果分析

提取四种台阶高度情况下拱顶沉降数据，绘制拱顶沉降时程曲线如图2所示。由图2可知：拱顶沉降随着隧道开挖逐渐增加，在开挖掌子面通过监测断面后，拱顶沉降值有收敛的趋势。观察最后的拱顶沉降值可知，上台阶高度为4.73 m时拱顶沉降值最大，为6.18 cm;上台阶高度为3 m时，变形值为5.68 cm;上台阶高度为2 m时变形值最小，为5.48 cm。由此可知，随着上台阶高度的增加拱顶沉降值越来越大。

3.2 拱腰水平位移计算结果分析

提取四种台阶高度情况下拱腰水平位移数据，绘制拱腰水平位移时程曲线如图3所示。由图3可知：该工况下拱腰水平位移随着隧道开挖逐渐增加，在开挖掌子面通过监测断面后，拱腰水平位移值有收敛的趋势。观察最后的拱腰水平值可知，上台阶为2 m时拱腰水平位移最大，最大值为0.93 cm;上台阶高度为4.73 m和3 m时拱顶沉降值相同，均为0.92 cm。由此可知，上台阶高度对拱腰的水平位移影响较小。

3.3 仰拱隆起计算结果分析

提取四种台阶高度情况下仰拱隆起数据，绘制仰拱隆起时程曲线如图4所示。由图4可知：该工况下仰拱隆起随着隧道开挖逐渐增加，在开挖掌子面通过监测断面后，仰拱隆起值有收敛的趋势。观察最后的仰拱隆起值可知，上台阶高度为4.73 m时仰拱隆起值最大，最大值为2.69 cm;上台阶高度为3 m时，变形值为2.62 cm;上台阶高度为2 m时变形值最小，为2.59 cm。由此可知，随着上台阶高度的增加仰拱隆起值越来越大。

3.4 初期支护应力计算结果分析

四种工况下初期支护应力云图如图5所示。由图5可知：不同上台阶高度工况下，初期支护均在上台阶和中台阶交界处出现应力集中。其中，当上台阶高度为4.73 m时初期支护的应力最大，最大值为11.3 MPa;上台阶高度为3.73 m时初期支护的应力次之，为10.6 MPa;上台阶高度为3 m时初期支护的应力为10.3 MPa;当上台阶高度为2 m时，初期支护的应力最小，最小为10 MPa。由此可知：随着上台阶高度的减小，初期支护的应力逐渐减小。

3.5 塑性区计算结果分析

四种工况下塑性区分布图如图6所示。由图6可知：不同上台阶高度工况下，塑性区均在隧道拱肩处发展深度最大，随着上台阶高度的逐渐增加，围岩塑性区面积逐渐增大。

4 结语

本文以银西铁路贾塬隧道为工程背景，对隧道穿越不同岩性接触带隧道施工参数进行深入研究。选择红黏土-砂岩夹泥岩接触带为典型地层，研究施工过程中台阶的高度对隧道支护结构的受力特征和变形规律的影响，并提出适用于不同岩性接触带隧道施工的合理台阶高度。从计算结果中可以得到：

（1）从隧道位移情况来看，随着上台阶高度的增加拱顶沉降值越来越大，仰拱隆起值越来越大。上台阶高度对拱腰的水平位移影响较小，其中对隧道拱顶沉降值影响最大。

（2）从初期支护应力计算结果来看，随着上台阶高度的增加，初期支护的应力逐渐增大。不同上台阶高度工况下，初期支护均在上台阶和中台阶交界处出现应力集中。四种工况初期支护的应力最大值分别为10 MPa 、10.3 MPa、10.6 MPa、11.3 MPa。

（3）从塑性区计算结果来看，不同上台阶高度工况下，塑性区均在隧道拱肩处发展深度最大，随着上台阶高度的逐渐增加，围岩塑性区面积逐渐增大。

（4）综上所述，随着台阶高度的增加，隧道位移、初期支护应力、塑性区面积均有所增加，对隧道不利。故隧道穿越红黏土与砂岩夹泥岩接触带时，在保证上台阶施工空间的基础上应尽量减小上台阶的高度。

参考文献：

[1]石常艳. 浅谈隧道土石分界段施工技术[J]. 工程科技，2017（7）：198-199.

[2]黄 彬.大断面黄土隧道土石分界段施工技术[J].现代隧道技术，2013，50（1）：139-142.

[3]王丽庆. 穿越土石界面富水的单线隧道设计与施工[J]. 石家庄铁道大学学报（自然科学版），2013（26）：288-290.

[4]朱望瑜. 太中银铁路土石分界地层隧道施工工艺参数选择和优化[J]. 现代隧道技术，2015（5）：90-97.

[5]傅洪贤，牛晓凯. 跨度超浅埋复杂岩层隧道爆破开挖方案研究[J]. 工程爆破，2005，11（4）：32-34.

[6]戚长军，佘芳涛，邵兵厂. 隧道围岩变形及其衬砌内力特征研究[J]. 水利与建筑工程学报，2010，8（2）：94-96.

[7]熊良宵，袁学武. 隧道掘进面接近地质界面时围岩的应力特征研究[J]. 水文地质工程地质，2012，39（2）：38-44.

[8]汪 宏，蒋 超.浅埋偏压隧道洞口坍方数值分析与处治[J]. 岩土力学，2009，30（11）：3 481-3 485.

[9]赵艳纳，何俊辉.基于FLAC3D的破碎带对四方山隧道围岩稳定性影响分析[J].西部交通科技，2013（5）：70-73.

[10]高 峰，谭绪凯.隧道围岩注浆加固效应模拟方法研究[J].铁道工程学报，2014，31（11）：82-86.