第三系富水弱胶结砂岩隧道施工方案对比

丁祥 侯宗政 朱永全 樊浩博

1.中铁第五勘察设计院集团有限公司， 北京 102600；2.石家庄铁道大学 省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室， 石家庄 050043

第三系富水弱胶结砂岩稳定性差、结构脆弱，遇水浸润（泡）或长时间暴露易产生结构破坏［1-3］。在该类地层中修建隧道时围岩容易变形，不同施工方案对隧道的安全影响较大。国内外学者对隧道开挖工法及变形问题做了大量研究。李国良等［4］研究了第三系泥质弱胶结富水粉细砂岩隧道设计、施工关键技术。邵珠山等［5］研究了典型软岩隧道的变形特征，得到了泥质砂岩的应变-时间曲线。王秀英等［6］对桃树坪隧道、胡麻岭隧道穿越含水弱胶结砂岩进行了现场测试，得到了较为合理的施工方法。司剑钧［7］针对富水泥质弱胶结粉砂岩地层开展了洞内降水、超前加固、施作支护结构、径向注浆等施工工序的论证分析，为隧道施工参数的选择提供了依据。韩赟［8］对比了交叉中隔壁（Cross Diaphragm，CRD）法和双侧壁导坑法的优缺点及适用性，为隧道工法的选择提供了借鉴。来弘鹏等［9］针对砂土地层盾构隧道小角度斜穿既有隧道的技术难题，给出了施工参数建议值。王玉锁等［10］探讨了砂土地层隧道围岩黏聚力的影响因素，总结了砂土密实程度、含水率对黏聚力的影响规律。祁卫华［11］总结了第三系富水砂岩隧道的工程性质和施工方法优缺点，提出了重降水、辅注浆、强支护、快封闭的设计、施工理念。

上述文献对弱胶结砂岩物理特性、施工方法等开展的研究，对隧道穿越弱胶结砂岩区的安全施工有重要指导意义，也对第三系富水弱胶结砂岩隧道施工方案的选择提供了借鉴。本文依托中兰高速铁路香山隧道，采用数值模拟对第三系富水弱胶结砂岩隧道的施工方案进行比选，分析不同施工方案对隧道施工安全的影响，并将模拟结果与现场监测数据进行对比。

1 工程概况

香山隧道位于宁夏回族自治区中卫市沙坡头区，全长17.763 km，为单洞双线高速铁路隧道，设计时速250 km。DK43 + 953.3—DK44 + 347.0 段地层主要为第三系富水弱胶结砂岩夹泥岩，围岩等级为Ⅴ级。隧道平均埋深为140 m。地下水主要为基岩裂隙水，隧道位于地下水位线以下。隧道进入该区段后掌子面泥化严重，无法自稳。掌子面、边墙、基底等部位出现涌砂，部分围岩劣化成稀粥状，施工风险大、进度慢。为了提高围岩的稳定性，采用超前周边注浆预加固地层，每一循环注浆长度为15 m，纵向搭接3 m，注浆圈厚度为3 m。

2 隧道施工方案数值模拟

2.1 计算模型

分别模拟三台阶预留核心土法（简称预留核心土法）、三台阶临时仰拱法（简称临时仰拱法）和CRD 法对隧道、围岩稳定性的影响。模型尺寸为90.00 m（长） × 40.00 m（宽） × 85.32 m（高），隧道开挖高度、跨度分别为12.32、14.42 m，如图1所示。模拟隧道埋深为130 m 的工况，拱顶距模型上边界40 m，上部剩余90 m 的土层以均布荷载的形式施加在模型上。围岩、初期支护分别采用摩尔库伦、弹性本构模型。模型底部及四周均施加法向位移约束，上部为自由边界。荷载主要为结构自重。

图1 计算模型（单位：m）

2.2 计算参数

土层计算参数根据地勘资料并结合TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》取值，各土层抗拉强度均为1.75 MPa。其他计算参数见表1。隧道支护结构计算参数见表2。

表1 土层计算参数

表2 隧道支护结构参数

模拟计算时，钢拱架的弹性模量与喷射混凝土一起考虑，折算后初期支护的弹性模量为

式中：E、I分别为折算后初期支护的弹性模量和惯性矩；E混、I混分别为喷射混凝土的弹性模量和惯性矩；E钢、I钢分别为钢拱架的弹性模量和惯性矩。

折算后初期支护的弹性模量为26.38 GPa。

2.3 开挖工况

预留核心土法、临时仰拱法以及CRD 法开挖横断面如图2所示。

图2 隧道开挖横断面

以预留核心土法为例，将隧道从上至下分为四层，分别是上台阶、中台阶、下台阶和仰拱。上台阶循环进尺为0.5 m，中、下台阶循环进尺为1.0 m。上台阶距中台阶、中台阶距下台阶、下台阶距仰拱的距离分别为5、20、10 m，仰拱开挖深度为5 m，如图3 所示。临时仰拱法、CRD 法的台阶长度与预留核心土法类似。

图3 预留核心土法开挖设置（单位：m）

2.4 计算结果

2.4.1 隧道竖向位移

采用不同工法，上台阶分别开挖至40 m 时，隧道洞口的竖向位移见图4。可知：预留核心土法和临时仰拱法的竖向位移规律较相似，隧道最大竖向位移均位于拱肩，其次为拱顶；CRD 法的最大竖向位移则出现在拱顶。

图4 上台阶开挖至40 m时，隧道洞口的竖向位移（单位：m）

不同上台阶开挖深度下隧道洞口处拱顶竖向位移见图5。可知：采用预留核心土法和临时仰拱法时，隧道拱顶竖向位移均随着开挖深度的增加而增大，上台阶开挖至40 m 时累计拱顶竖向位移分别为20.87、15.13 cm，采用临时仰拱法时隧道拱顶竖向位移比采用预留核心土法减小27.5%。采用CRD 法时拱顶竖向位移随着隧道开挖深度增加变化较小，上台阶开挖至40 m 时累计拱顶竖向位移为7.01 cm，比前两种工法分别减小66.4%和53.7%，CRD 法对拱顶竖向位移的控制效果最好。CRD 法将隧道断面分为若干块封闭的临时支护体系，增强了支护结构对围岩变形的抵抗能力，因此，对于松散的富水砂岩地层建议采用CRD法施工。

图5 不同上台阶开挖深度下隧道洞口处拱顶竖向位移

2.4.2 隧道水平位移

采用不同工法，上台阶分别开挖至40 m 时，隧道洞口的水平位移见图6，不同上台阶开挖深度下隧道洞口处最大水平位移见图7。由图6和图7可知：三种工法下隧道最大水平位移均位于边墙中下部，采用预留核心土法与临时仰拱法时隧道的水平位移较大，CRD 法对隧道水平位移控制效果最好。上台阶开挖至40 m 时，采用预留核心土法、临时仰拱法和CRD 法最大水平位移分别为29.01、26.10、3.65 cm，采用CRD 法时的水平位移比采用预留核心土法及临时仰拱法分别减少87.4%、86.0%。预留核心土法在开挖中台阶（上台阶开挖至6 m）时隧道水平位移增加显著，临时仰拱法在开挖下台阶（上台阶开挖至26 m）时水平位移迅速增大，此阶段还需要拆除临时仰拱，两施工步骤均会造成隧道位移增加。因此，隧道施工时应加强各台阶开挖、拆除临时仰拱等施工步骤的质量控制。

图6 上台阶开挖至40 m时，隧道洞口的水平位移（单位：m）

图7 不同上台阶开挖深度下隧道洞口处最大水平位移

2.4.3 围岩塑性区

各工法下围岩塑性区分布云图见图8。可知：预留核心土法对围岩扰动最大，上台阶开挖至40 m 时围岩最大塑性区厚度为16.0 m，位于拱肩。因此，隧道施工时应重点控制拱肩部位的施工质量。采用临时仰拱法和CRD 法时围岩最大塑性区厚度分别为8.5、3.0 m，CRD法对围岩扰动最小。

图8 各工法下围岩塑性区分布云图（单位：m）

综合隧道位移和围岩塑性区厚度来看，采用CRD法施工对围岩的扰动最小，对隧道变形的控制效果最好，可应用于掌子面自稳性差的富水砂岩地层。但该工法施工工序繁琐、经济性差，选择施工方案时还应兼顾经济性和施工便捷性。

3 现场监测

3.1 监测区段

为了保证施工进度，考虑到大型机械作业方便，香山隧道穿越砂岩区段采用预留核心土法施工，并在DK44 + 120和DK44 + 150布置了位移测点。

3.2 监测结果

隧道上台阶进尺约1 m/d，将上台阶开挖至40 m时的数值模拟结果与现场监测前40 d 的位移结果进行对比，见图9。可知：监测结果与数值模拟结果基本一致，模拟结果可靠。随着开挖深度的增加，隧道拱顶竖向位移、最大水平位移均增大，当上台阶开挖至40 m 时，测点DK44 + 120 和DK44 + 150 的累计拱顶竖向位移分别为21.86、21.60 cm，最大水平位移分别为30.04、29.54 cm，满足设计要求，变形量小于40 cm。可见，采用预留核心土法能保证香山隧道施工安全。

图9 数值模拟结果与现场监测结果对比

4 结论

本文以香山隧道为依托，采用数值模拟开展了富水弱胶结砂岩隧道施工方案的对比研究，分析了不同施工方案对隧道、围岩稳定性的影响，并通过现场监测数据对数值模拟结果进行了验证。主要结论如下：

1）在富水弱胶结砂岩地层，隧道采用预留核心土法、临时仰拱法和CRD 法施工时，其竖向和水平位移均随着开挖深度的增加而增大。由数值模拟结果可知，采用预留核心土法施工对围岩扰动最大，当上台阶开挖至40 m 时隧道累计拱顶竖向位移、最大水平位移分别为20.87、29.01 cm。

2）采用预留核心土法、临时仰拱法和CRD 法施工时，围岩最大塑性区厚度分别为16.0、8.5、3.0 m，CRD 法施工对围岩的扰动最小。采用预留核心土法和临时仰拱法围岩最大塑性区位置均位于拱肩。

3）现场监测结果与数值模拟结果基本一致，说明数值模拟可靠。通过监测可知，采用预留核心土法施工时隧道拱顶竖向位移、水平位移均满足设计要求。

4）预留核心土法施工简单、施工速度快，可应用于富水弱胶结砂岩隧道；CRD 法对隧道、围岩稳定性控制效果好，可应用于掌子面自稳性差的富水砂岩地层。在选择施工方案时，应综合考虑安全性、经济性和施工效率，选取最优方案。