浅埋偏压富水膨胀性泥岩地段隧道施工工法研究

夏 小 勇， 王 东 东

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610031)

1 概 述

高速铁路隧道多为山岭隧道，穿越地层复杂多变, 印尼雅万高铁项目尤其如此，其泥岩段具有高孔隙率、高孔隙比、高透水率、高压缩比、高膨胀性，因此，隧道开挖方法的合理选择将直接影响到隧道施工安全。一般而言，根据地质情况、开挖断面、施工条件等因素,隧道常用的开挖方法有全断面法、台阶法(两台阶和三台阶)、CD法、CRD法、双侧壁导坑工法等。CD法、CRD法和双侧壁导坑法主要是将大断面分割成小块,具有施工工序转换复杂,作业空间较小,不便于施工机械作业,施工效率较低,且临时支护拆除时应力需重新分布，仰拱封闭成环施工周期长等特点，存在一定的安全隐患，因此，上述方法仅在控制软弱围岩变形情况下选取。而台阶法能够提供较为宽敞的作业空间，便于施工机械发挥而在绝大部分隧道施工中普遍使用[2]。

以印尼雅万高铁2号隧道工程为依托,根据现场围岩情况及施工技术条件,提出了一种改进的三台阶工法(即三台阶四步快速开挖快速封闭的工法),结合现场工程实践情况对其施工工效进行了评价。所取得研究成果可为大断面高速铁路隧道工程快速施工提供参考。

2号隧道位于丘陵区，地势起伏较大。隧道进口里程为DK74+020，出口里程为DK75+050，中心里程为DK75+535，全长1 030 m，隧道最大埋深约53.6 m。隧道进口至DK74+200范围内纵坡为17‰的上坡，隧道出口至DK75+050范围内纵坡为30‰的上坡。地表自然坡度约为10°～30°，植被发育。

隧道洞身穿越第三系中新统subang组W4(全风化)泥岩，泥岩为薄～中厚层状，具有中等膨胀性，自由膨胀率为68%～80%，局部可见构造擦痕面，掌子面泥岩照片见图1。开挖后因膨胀导致泥岩开裂，加之渗水影响，岩体在暴露一段时间后逐渐破碎，自稳能力变差，易塌方掉块。该隧道设计为V级围岩、部分段落变更为Ⅵ级围岩。其隧道衬砌断面见图2，初期支护参数见表1。

图2 隧道衬砌断面图

表1 初期支护参数表

2 施工工法比选

2.1 工法选择

项目部技术人员在研究时选取2号隧道Ⅴ级软弱围岩段采用Midas GTSNX建立大断面软岩隧道三维模型，网格划分情况见图3。为方便计算，对实际工程条件进行了适当简化，将围岩视为理想弹塑性介质，仅考虑岩体自重而不考虑地下水及构造应力等因素的影响，岩体力学特性遵循摩尔-库伦破坏准则。

在综合考虑《铁路隧道设计规范》(TB10003—2016)与工程地质勘探报告及设计资料、同时对比其他相似工程资料后确定的饱水状态下土体物理力学参数见表2，支护结构物理力学参数见表3。

表2 饱水状态下土体物理力学参数表

图3 大断面隧道三维模型图

表3 支护结构物理力学参数表

鉴于隧道开挖工法的选择直接关系到工程安全及能否顺利施工等问题，因此，研究不同的开挖工法对隧道围岩变形空间效应及其稳定性影响具有重要意义[3]。技术人员选取了5 种常见的开挖工法、辅以注浆加固措施对大断面软岩隧道进行了开挖模拟：三台阶临时仰拱法见图4，三台阶临时仰拱加地表袖阀管注浆加固法见图5，三台阶临时仰拱加超前注浆加固法见图6，CRD法见图7，双侧壁导坑法见图8。5种施工方法下模拟隧道监测断面竖向位移绝对值见图9，初期支护喷混凝土应力最大值见图10。

图4 三台阶临时仰拱法图

图5 三台阶临时仰拱加地表袖阀管注浆加固法示意图

图6 三台阶临时仰拱加超前注浆加固法示意图

图7 CRD法示意图

图8 双侧壁导坑法示意图

图9 模拟隧道监测断面竖向位移绝对值示意图

随着掌子面的推进，不同工法下监测断面处拱顶沉降各有差异(图9)。由图9 可知：不同开挖工法对围岩的变形影响很明显：三台阶临时仰拱法开挖扰动范围最大，拱顶沉降变形在开挖后拱顶竖向位移绝对值最大达到98.9 mm，而三台阶临时仰拱+地表注浆及三台阶临时仰拱+超前注浆2 种工况下拱顶竖向位移绝对值分别为46.2 mmm 和22.2 mm；5种工况下初期支护喷混凝土应力最小值为三台阶临时仰拱+地表注浆以及三台阶临时仰拱+超前注浆，分别为11.36 MPa和9.94 MPa，这与注浆对地层泥岩加固改良有很大关系,与实测结果规律基本一致。从以上变形情况及初期支护喷混凝土应力情况分析，在考虑工期影响的情况下，最终决定采用三台阶临时仰拱+地表注浆加固的方式进行2号隧道软弱泥岩段的施工。

图10 初期支护喷混凝土应力最大值示意图

2.2 台阶高度的比选

为了研究隧道台阶高度对围岩变形空间效应的影响[4]，选取了3 种上台阶高度进行分析，台阶高度分别为3 m、3.5 m、4 m，隧道埋深、围岩及衬砌支护参数和开挖工法等条件均相同，图11为隧道拱顶围岩竖向位移绝对值，图12为围岩应变值；台阶高度对拱顶位移及围岩应变对比情况见表4(不同台阶位移计及围岩应变分析表)。

表4 不同台阶位移计及围岩应变分析表

由表4对比分析可知：随着台阶高度的增加，拱顶位移亦随之增加，但整体差距不大，拱顶应力与围岩应变在台阶高度为3.5 m时最小。因此，建议优先选择的台阶高度为3.5 m。

2.3 台阶长度的比选

为了研究隧道台阶长度对隧道变形空间效应的影响[5]，技术人员选取上、中台阶3种台阶长度且仰拱步距为30 m的工况条件下进行了对比分析，分别为上台阶长度3 m、5 m、5 m以及中台阶长度6 m、9 m、12 m的条件下，其他隧道埋深、围岩及衬砌支护参数和开挖工法等条件均相同，各台阶长度组合及位移统计情况见表5。

表5 各台阶长度组合及位移统计情况表

图11 隧道拱顶围岩竖向位移绝对值示意图

图12 围岩应变值示意图

对比分析(表5)可知：上台阶设置的长度对隧道位移影响最大，其次是中台阶，下台阶的施工长度对隧道位移影响最小；上台阶长度3 m、中台阶长度6 m、下台阶长度21 m为控制隧道位移的最优布置方式。最终建议软弱围岩隧道按此步距实施控制。

3 结 语

以雅万高铁2号隧道为研究背景，通过数值模拟的方法分析了隧道开挖过程中围岩的变形及应力情况，结合现场数据验证，最后利用数值模拟的方法分析了隧道工法、台阶高度、台阶长度对隧道施工的影响，结论如下:

软弱泥岩段隧道施工采用三台阶临时仰拱+掌子面超前注浆加固的方式控制隧道变形为最有效的方式。在工期紧张的情况下，可以采取三台阶临时仰拱+地表袖阀管注浆预加固的方式；对比分析上台阶施工高度后最终将高度设置为3.5 m时位移及应力值最小；台阶长度的设置对隧道变形影响较大，在对比了9种台阶长度组合模拟隧道变形情况，得出了上台阶长度3 m、中台阶长度6 m、下台阶长度21 m时隧道沉降变形情况最小的结论。该结论可为大断面软岩隧道施工方案的制定提供一定的参考。