高铁隧道穿越断层破碎带施工工法研究

摘要：为了分析穿越断层破碎带隧道在不同施工工法下衬砌的力学特征，选择对围岩变形控制比较好的三台阶分步法和CD法施工进行数值模拟，分析比较两种工法开挖引起的拱顶沉降、边墙收敛位移以及围岩应力变化规律。经计算分析可知，采用三台阶分步法施工时衬砌受力明显低于CD法施工，而对于控制围岩变形方面而言，CD工相比与三台阶分步法来说则有明显的优势。

关键词：应力；断层破碎带；施工控制；围岩

0 引言

在山区进行高铁建设时受各种条件的限制，隧道难免会穿越断层破碎带。断层本身作为一种地质构造，会对隧道工程的安全性产生影响，鉴于此，相关规范如《公路隧道设计细则》《铁路隧道设计规范》《岩土工程勘察规范》中，都对线路穿越断层做了相关的规定。断层对隧道结构安全性的影响主要表现为错断以及地震破坏。崔光耀[1-2]等在汶川地震后，对川内百余所隧道开展了震害调查。

从调查结果可以看出，除了隧道洞门会产生破坏之外，隧道洞身穿越断层破碎带段也会产生衬砌开裂、崩落甚至塌方等。以上断层运动对隧道产生的破坏主要是在隧道运营阶段。而对于施工阶段来讲，断层破碎带围岩成分复杂，工程地质性质特殊，如果处理不当，隧道施工时可能会引起大变形甚至产生塌方事故，造成生命财产损失[3-4]。

本文基于学者对隧道穿越断层破碎带的相关研究，总结了现有常用施工工法，并以贵南高铁永兴一号隧道为工程依托，选择对围岩位移控制效果较好的CD法和三台阶分步法进行施工模拟，对比二者工法对本工程的适用性。

1 工程概况

1.1 工程基本情况

永兴一号隧道位于广西境内环江至河池区间，入口位于广西河池市环江县思恩镇，出口位于广西河池市金城江区东江镇，设计时速350km，为单洞双线隧道，隧道全长10130m，最大埋深480m，属特长隧道。

隧址区属中低山溶蚀峰丛洼地地貌，洞身地段多为峰丛、洼地和槽谷，地形起伏较大，坡陡沟深，绝对高程195～800m，相对高差最大达605m，自然坡度一般20～60°，山顶孤峰多为陡崖。洞身山体坡面覆土一般较薄，植被发育，多乔木、灌木林。

1.2 工程地质状况

隧道进、出口山体地形险峻陡峭，危岩为弱风化的灰岩、白云岩，石质坚硬，节理裂隙、裂缝较发育。隧区发育2条区域性断层带，龙友正断层为区域性扭性断裂，隧区范围断层轴向为N10°W，倾向SW，倾角为40°，位于隧道DK277+680～DK278+900段右侧沟槽内，距线路约180～330m。断层两盘地层均为石炭系中统灰岩、白云岩，断层带具角砾岩化、硅化及方解石化特征。

东江正断层为区域性张扭性断裂，断层轴向为N40°E，倾向SE，倾角为75°，在线路附近断层上下盘地层均为二叠系下统栖霞组灰岩夹白云质灰岩，断层NW盘产状主要为N80°E/27°S，SE盘产状主要为N30°W/18°S。断层带具有角砾岩化、硅化及方解石化特征，断层破碎带宽度约20～50m。

2 穿越断层破碎带常用施工工法

目前常用的隧道施工工法主要有台阶法、台阶分部开挖法、中隔壁法（CD法及CRD法）、单侧壁导坑法以及双侧壁导坑法等。

2.1 各工法特点

2.1.1 台阶法

台阶法的优点是灵活多变，适应性强，并且能够快速转变为其他工法，因此台阶法施工渐成为国内外软弱地层隧道施工的趋势。台阶法也有它的缺点，如上下部作业互相干扰、各台阶开挖对围岩的扰动大、掌子面稳定性不足、拱顶沉降较大等，但是可通过一些措施，如控制台阶长度、采用超前支护、施作临时仰拱、增设锁脚锚杆等，来弥补这些不足之处。台阶法相对比中隔壁法、导坑法来说，造价低、施工速度快，在遇到不良地质的时候，还可快速转为其他施工工法施工，如木寨岭隧道开始时采用三台阶分步法，后改为双侧壁导坑法。

2.1.2 中隔壁法

中隔壁法（CD法或者CRD法）适用于软弱地层。这是由于各部封闭成环的时间短，再加上支护结构刚度大，有效抑制了围岩的变形。中隔壁法也是软弱地层大断面隧道施工常用的工法。例如，分水关隧道、郑州地铁１号线农业东路站、集乎商速公路旗下营双向六车道隧道和云阳山隧道都采用了中隔壁法施工。

2.2 工法选择

断层破碎带地层隧道施工工法与支护结构、辅助手段应当是相匹配的。在断层破碎带隧道施工中只有支护及时，支护强度、辅助措施与工法匹配得当，台阶长度适当，才能更好保证围岩的稳定。本文根据实际施工设计资料，拟选用CD法和三台阶分步开挖法作为两种比选施工方案，进行施工控制技术研究。

3 不同施工效果对比

3.1 计算参数选择

本文计算旨在比较CD法和三台阶分步开挖法作为两种施工方案时，从拱顶沉降、边墙收敛、支护受力以及位移情况等几个方面，来分析不同施工方法对隧道开挖围岩稳定性的影响。选取穿越断层破碎带的横断面进行计算，衬砌跨度14.38m，高度11.17m，二衬厚度为0.6m，钢筋混凝土标号为C30。围岩的力学参数，按照地勘报告中的所提供的参数进行计算。支护结构初支为C25混凝土，二衬为C30混凝土。计算模型的左、右、下边界均取为隧道跨3倍（45m），上边界取至地表（埋深103m）。建立的数值模型如图1所示。

3.2 开挖模拟

CD法施工流程如下：将隧道断面从中间分成6个部分，使上、下台阶左右各分成3个部分，每一部分开挖并支护后形成独立的闭合单元。按照此顺序进行开挖模拟，先进行自重平衡，然后提取每一步计算得到的围岩应力云图及支护结构的受力情况。CD法分部开挖应力云图如图2所示。

三台阶分步开挖法施工流程如下：在三台阶法的基础上将每一台阶分为2～3个部分，先进行上部圆弧形导坑开挖，然后开挖中台阶的左右两侧导坑，接着开挖下台阶的左右侧导坑，最后进行上下中台阶中心预留核心土的开挖。按照此顺序进行开挖模拟，先进行自重平衡，然后提取每一步计算得到的围岩应力云图及支护结构的受力情况。三台阶分部法开挖应力云图如图3所示。

3.3 施工效果分析

隧道变形受力控制指标统计如表1所示。距离掌子面不同距离所引起的拱顶沉降值如图4所示。分析比较两种工法开挖引起的拱顶沉降、边墙收敛位移以及围岩应力，可得出以下结论：

3.3.1 围岩变形分析

在隧道开挖中，控制隧道开挖引起的围岩变形是评判工程质量好坏的标准之一。CD工法开挖断面小，将大跨化为小跨，每次开挖引起的土体扰动小，同时中隔壁的支撑作用，加大了结构刚度，有效地抑制了结构变形。

由计算结果得出，CD工法开挖引起的拱顶沉降、边墙收敛位移和地表沉降比三台阶分步工法开挖引起的小。因此，对于控制围岩变形方面而言，CD工法相比与三台阶分步工法来说具有明显的优势。

3.3.2 应力分析

CD工法开挖引起的围岩最大、最小主应力极值，比三台阶分步工法开挖引起的围岩最大、最小主应力极值小，分别减少了27%、18%。CD工法开挖引起的围岩最大竖向应力，比三台阶分步工法开挖的围岩最大竖向应力小，与后者相比减小了12.8%。两种工法开挖引起的围岩最大竖向应力都发生在仰拱处。

CD工法开挖引起的围岩最大水平应力，比三台阶分步工法开挖的围岩最大水平应力小，与后者相比减小了46.6%，两种工法开挖引起的围岩最大水平应力都发生在拱腰处。

在该地质条件下，两种工法开挖都会在拱顶、拱肩、拱腰围岩处出现拉应力，围岩不能承受拉应力，所在隧道开挖时，要采用超前支护确保隧道的安全性。

3.3.3 弯矩、轴力与剪力值分析

三台阶分步法施工围岩位移明显大于CD法施工，在一定程度上发挥了围岩的自承载能力，因此在三台阶分步法施工时围岩的应力水平高于CD法。从支护结构受力情况来看，三台阶分步法施工时初支的弯矩、轴力、剪力值分别为854kN·m、613kN、509kN。而CD法施工时初支的弯矩、轴力、剪力值分别为1210kN·m、1170kN、524kN。后者比前者分别增加41.7%、90.9%、2.9%。为此采用三台阶分步法施工时衬砌受力明显较好。

4 结束语

本文以永兴一号隧道隧道为工程依托，选用CD法和三台阶分步开挖法作为两种比选施工方案，通过建立考虑断层破碎带的三维模型，从拱顶沉降、边墙收敛、支护受力以及位移情况等几个方面来分析不同施工方法对隧道开挖围岩稳定性的影响，进行施工控制技术研究。得到了以下结论：

CD工法开挖引起的围岩最大、最小主应力极值，比三台阶分步工法开挖引起的围岩最大、最小主应力极值小，分别减少了27%、18%。CD工法开挖引起的围岩最大竖向应力比三台阶分步工法开挖的围岩最大竖向应力小，与后者相比减小12.8%，两种工法开挖引起的围岩最大竖向应力都发生在仰拱处。

CD工法开挖引起的围岩最大水平应力比三台阶分步工法开挖的围岩最大水平应力小，与后者相比减小了46.6%，对于控制围岩变形方面而言，CD法相比与三台阶分步法来说有明显的优势。

从支护结构受力情况来看，三台阶分步法施工时初支的弯矩、轴力、剪力值分别为854kN·m、613kN、509kN；而CD法施工时初支的弯矩、轴力、剪力值分别为1210kN·m、1170kN、524kN；后者比前者分别增加41.7%、90.9%、2.9%。为此采用三台阶分步法施工衬砌受力明显较好。

参考文献

[1] 崔光耀，刘维东，倪嵩陟，等.汶川地震公路隧道普通段震害分析及震害机制研究[J].岩土力学，2015，36（S2）：439-446.

[2] 陶双江，蒋雅君.汶川地震隧道震害影响因素的统计和分析[J].现代隧道技术，2014，51（3）：15-22.

[3] 王一鸣.隧道塌方时空特点及其诱发因素分析[J].四川建筑，2019，39（2）：132-134.

[4] 邹超，徐林生.浅埋偏压高速公路隧道施工风险评估及控制研究[J].四川建筑，2020，40（4）：345-347.