跨软弱断层隧道开挖工法优化研究

金 鹏

(中铁十六局集团第二工程有限公司，天津 300162)

1 工程概况

成昆铁路扩能工程峨眉至米易段站前工程EMZQ-7标吉布甲隧道位于四川省凉山彝族自治州境内甘洛县境内，吉布甲隧道起点里程DK288+485，终点里程D1K298+340，长9 855 m。吉布甲隧道洞身穿越3条断层，其中碧鸡脚逆断层与线路相交于DK293+588处，为向南西倾斜走向逆断层，破碎带主要由泥岩、砂岩构成断层角砾岩、糜棱岩，破碎带宽约2～5 m，断层与线路近似垂直。磨房沟拉尔逆断层与线路相交于DK295+144处，该断层属向南西倾斜走向逆断层，岩性主要为钙质粉砂质粘土岩、灰岩、生物碎屑灰岩、方解石组成断层角砾岩、糜棱岩，破碎带宽约20 m，与线路近似垂直。该文主要对磨房沟拉尔逆断层进行分析研究。

2 数值计算模型及方案设计

主要以数值模拟的手段拟定不同的开挖工法对跨断层隧道开挖工法进行优化分析。通过查阅相关文献可知，断层隧道施工时常采用台阶法施工，基于Midas GTS/NX有限元数值模拟软件，通过变化台阶数量以及核心土，从衬砌的主应力以及变形等方面，对跨断层隧道施工时的开挖工法进行优化研究。这里对围岩断层数值模拟时，主要采用参数弱化的方法对断层进行模拟，根据吉布甲隧道实际情况，断层倾角和夹角近似90°，断层厚度为20 m，围岩等级为ⅴ级围岩。断层弱化参数取值具体如表1所示。

初期支护中系统锚杆采用4 m长锚管，喷射混凝土采用C25混凝土，仰拱和拱墙厚度为27 cm，全环采用I20b型钢作为钢架。计算时通过提高初期支护的弹性模量等参数，利用等效方法对钢架的支护作用进行简化，等效公式为

式中，E为折算后喷射混凝土的弹性模量；E0为原喷混凝土的弹性模量；Sg为钢拱架的截面积；Eg为钢材的弹性模量；Sc为混凝土的截面积。

表1 围岩参数取值

相关钢材、混凝土参数选取根据《铁路隧道设计规范》(TBJ1003—2016)和《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)确定，初期支护数值模拟参数取值如表2所示。

表2 初期支护参数取值

数值模拟时，地层结构模型几何尺寸理应与实际情况相当。为尽量的控制计算误差并减少计算量，这里拟定三维模型尺寸为X×Y×Z=宽度×纵向×高度=80 m×60 m×90 m，埋深为50 m左右；数值模拟时，地层采用摩尔-库伦模型进行计算，采用三维实体单元模拟，整体网格划分采用六面体网格为主的划分方式，且隧道开挖断面附近采用较为细密的网格划分，较远的地层围岩采用较为稀疏的网格划分，如图1所示，保证计算精度的同时减少不必要的计算量。

进行开挖工法优化时，二次衬砌主要作为安全储备，初期支护为主要承载结构，故模拟时主要考虑初期支护，忽略二次衬砌的作用。初期支护主要由钢拱架和喷锚结构组成，拱架混凝土视为整体采用二维板单元模拟，锚杆采用一维植入式桁架单元模拟，初期支护结构示意图如图2所示。

3 数值模拟方案设计

模拟计算时，喷混支护落后开挖一步进行。进行模拟时，控制相同的封闭距离，拟定不同的开挖工法进行优化分析，工况统计如表3所示，计算模型如图3～图5所示，开挖时，仰拱全部单独开挖，其中开挖进尺均选择2 m，然后保证封闭距离一致。

表3 拟定工况统计表

对隧道关键部位的位移变形进行监测，对称结构这里只取一侧的相关部位进行监测即可，监测点布置如图6所示，其中拱顶和仰拱监测竖向位移变化，边墙拱脚附近监测水平位移变化。

4 不同开挖工法衬砌应力分析

开挖完成后，对衬砌应力进行分析，由于模型统一取断层厚度为20 m，这里只取断层中间一环的衬砌进行应力分析即可，3种不同工况的衬砌的最大主应力与最小主应力如图7～图12所示，极值统计如表4所示。

表4 不同开挖工法衬砌应力统计表

通过对图7～图12以及表4进行分析可知，各工况的衬砌最大主应力以及最小主应力云图较为相似，压应力较大，拉应力较小，断层内衬砌以受压为主，随着开挖工法从工况Ⅴ-1到Ⅴ-3变化，台阶开挖以及留核心土和临时仰拱法时应力极值虽有增大，但应力分布更为均匀，应力集中情况减少，应力较大情况占比减小，从衬砌受力角度分析，跨软弱断层隧道施工时宜采用台阶法进行开挖，且三台阶法要优于两台阶法，且预留核心土对衬砌受力情况有一定程度的改善。

5 不同开挖工法围岩变形分析

开挖完成后，对围岩变形进行分析，由于模型统一取断层厚度为20 m，这里取模型中间横剖面的围岩变形进行分析即可，围岩变形极值统计如表5所示。

表5 不同开挖工法围岩变形统计表

各开挖工法的围岩变形云图分布相似。从表5可知，不管开挖工法如何变化，从竖向位移来看，隆起极值要大于沉降极值；从水平位移的角度分析，水平相对称的位置的水平位移相差不大。随着开挖工法从两台阶法变化到三台阶法以及三台阶预留核心土法，不管是隆起、沉降亦或是水平位移都有不同程度的减小；当台阶法预留核心土后，对围岩变形控制效果较好，因此从围岩整体变形的角度考虑，跨断层隧道施工时宜选择台阶法进行开挖，且三台阶法稍优于两台阶法开挖，且三台阶预留核心土法对围岩变形的控制效果和保持围岩稳定性的作用最为明显。

6 不同断面型式监测点位移时空变化分析

对于断层隧道施工时监测点位移变化的时空分析，取整体隧道各开挖进尺的相关监测点的位移进行统计分析，不同开挖工法的监测点位移随开挖距离变化曲线绘制如图13～图15所示，由于结构和围岩同为对称，这里拱脚分析只取一侧拱脚进行分析。

通过对比进行分析可知，不管是竖向位移还是水平位移，各工法的位移变化曲线类似，由于边界原因，模型前后会有部分增减，这里不予分析。整个隧道施工过程中的位移极大值均出现在断层中，拱顶沉降、仰拱隆起、拱脚处向隧道内收敛；施工时的监测点位移变化，进入断层后各监测点的竖向和水平位移均发生突增，出断层后又恢复正常，易出现位移突增突减的情况，尤其是拱顶位移变化，出断层时的变化尤为明显；随着开挖工法从两台阶开挖到三台阶再到预留核心土，普通围岩中的位移变化并不是很明显，但软弱断层中的围岩整体各部位位移明显减小。

7 结 论

a.跨软弱断层隧道施工时，各开挖工法情况下，衬砌均以受压为主。随着开挖工法从两台阶到三台阶法再到预留核心土开挖，台阶法开挖时应力极值虽有所增大，但应力分布更为均匀，应力集中情况减少，衬砌的整体受力情况有所改善，预留核心土后对衬砌的受拉情况有所改善。

b.随着开挖工法从两台阶法变化到三台阶法以及三台阶预留核心土法，不管是隆起、沉降亦或是水平位移都有不同程度的减小，且预留核心土对围岩变形控制效果较好。

c.对监测点的位移时空变化进行分析，不管是竖向位移还是水平位移，随着开挖工法从两台阶开挖到三台阶再到预留核心土，普通围岩中的位移变化并不是很明显，但软弱断层中的围岩整体各部位位移明显减小，且控制减小了开挖受断层影响的范围。

综上分析，不管是出于衬砌受力还是围岩变形以及围岩稳定性控制的角度出发，跨软弱断层隧道施工时宜选择台阶法进行开挖，且三台阶法稍优于两台阶法开挖，在台阶法基础上可以考虑预留核心土开挖，对围岩变形的控制效果和保持围岩稳定性的作用更为明显。