浅埋偏压软弱围岩高铁隧道施工技术

宁宇

（中铁十六局集团 第三工程有限公司，浙江 湖州，313000）

浅埋偏压软弱围岩高铁隧道施工技术

宁宇

（中铁十六局集团 第三工程有限公司，浙江 湖州，313000）

通过建立FLAC 3D模型，对浅埋偏压Ⅴ级围岩条件下高铁隧道CRD施工的关键技术进行了数值模拟，结果表明：临时支撑对控制围岩竖向位移及初期支护封闭成环控制水平收敛各自起到重要作用； 通过改变施工顺序，先开挖埋深小的一侧导洞可减小围岩塑性区，围岩水平收敛也可得到一定程度的控制，但对地表沉降影响不大； 仅靠改变施工顺序提高围岩稳定性效果有限，应注重管棚、小导管注浆等加固措施。

浅埋； 偏压； 软弱围岩； CRD； 数值模拟

近年来，随着高速铁路建设的飞速发展，高铁隧道建设积累了大量的经验，但高铁隧道与普通铁路隧道相比需要考虑更多的因素，如空气动力、减震和运行舒适度等。2009年颁布的高速铁路设计规范［1］（TB10020-2009）是参照公路和铁路隧道设计规范发行的试行规范，相关技术规程还有待完善。目前，针对隧道施工技术有大量相关研究，如：奚家米［2］、石熊［3］分别研究了台阶法、双侧壁和CRD法施工对围岩及支护结构受力的影响； 谭忠盛等［4］通过现场试验分析了大跨小间距隧道的施工顺序、支护系统及施工方法； 乔春江［5］、朱小坚［6］、任少强［7］分别对不同地质条件和施工环境下隧道施工关键技术进行了分析； 郑康成等［8］对特大断面隧道施工过程中压力拱的动态变化进行了研究； 李书静［9］、史超凡［10］分别对不良环境隧道施工关键技术进行了分析。本文以沪昆高铁云南境内某浅埋偏压软弱围岩高铁隧道为依托，进行CRD工法施工关键技术研究，研究成果可供类似工程参考。

1　工程概况

隧道位于云南省境内，双线隧道，左右线间距5.0 m，隧道纵坡位于7.4‰和11.3‰组成的单面上坡上，变坡点里程为D2K1113 + 600。隧道左线全段位于半径10 000 m的左偏曲线上，右线全段位于半径10 005 m的左偏曲线上。进口里程D2K1113 + 215，出口里程D2K1113 + 610，全长395 m。洞身岩性主要为泥岩、断层角砾。隧道进口处穿越断层，山体边坡坡比为1.00～1.75，隧道最大埋深约40 m。

隧道按速度目标值 350 km/h客运专线隧道设计，建筑限界及内轮廓执行《高速铁路设计规范（试行）》（TB10621-2009 J971-2009）规定。洞内采用CRTS-型双块式无砟轨道，铺设 60 kg/m钢轨，内轨顶面至道床底面高度为515 mm。隧道开挖断面关键参数与支护结构如图1所示。

全隧道为Ⅴ级围岩，隧道进口段穿越活动断层，受断层影响，隧道采用Ⅴ级0.4g活动断裂带衬砌。根据新奥法原理组织施工，光面爆破，锚喷挂网初期支护。采用 CRD工法施工，初期支护封闭成环位置距掌子面不大于35 m。仰拱紧跟开挖面，分段整体灌注。拱部系统锚杆采用 Φ25中空锚杆及超前注浆小导管，边墙采用Φ22砂浆锚杆支护。

图1　隧道断面及支护结构

2　隧道模型建立

2.1模型网格

依据设计断面参数，建立FLAC 3D模型。隧道最大埋深40 m，坡比1.75，左右边界170 m，上下边界113 m，进深5 m，建立浅埋偏压隧道CRD开挖平面应变模型，其网格划分见图2。

2.2模型参数

根据地质勘察资料有Ⅴ级围岩参数：重力密度 21 kN/m3，体积模量1.7 GPa，剪切模量0.64 GPa，内摩擦角26º，内聚力90 kPa，抗拉强度 50 kPa。围岩服从摩尔—库伦屈服准则，初始地应力场由自重形成。

锚杆弹性模量40 GPa，长度4.5 m，直径25 mm，注浆加固范围直径250 mm，水泥浆加固区法向刚度15 MPa，黏聚力2 MPa。初期支护喷射混凝土厚度25 cm，弹性模量9 GPa，密度2 500 kg/m3。临时支撑厚度30 cm，弹性模量9 GPa，密度3 500 kg/m3。

图2　模型网格划分

2.3开挖顺序

开挖及支护顺序见表1。

表1　施工工况

3　计算结果分析

各工况下围岩塑性区分布见图3。图3表明，围岩塑性区主要沿拱腰和墙脚发展，拱部开挖完后（工况2），塑性区基本成形，工况3未导致塑性区明显发展，工况4直接导致拱腰塑性区与地表贯通，工况5拆除临时支护导致塑性区有较大发展。

图3　围岩塑性区

从工况1至工况5，埋深大的一侧拱腰处有较大范围过去剪切破坏区（shear-p），该类塑性区在工况2和工况4得到较大发展，通过改变施工顺序或支护方法，以改变应力路径，可以达到减小该部位塑性区的效果。

左拱腰塑性区在工况4与坡面贯通，其塑性区有较大范围过去剪切破坏区（shear-p），一定条件下，通过改进施工方法可以避免塑性区与坡面贯通。拆除临时支护会使过去剪切破坏状态（shear-p）区再度进入屈服破坏状态，因此，要避免塑性区与坡面贯通，不宜过早拆除临时支撑。

从图4围岩位移曲线可以看出，工况1造成地表和拱顶的沉降最大，工况5对拱顶也造成较明显的沉降，但对地表沉降影响不明显，说明临时支撑对控制围岩沉降有重要作用。工况2明显造成水平收敛发展，而工况5对水平收敛的影响较小，说明封闭成环比临时支撑对围岩水平收敛控制作用更明显。

图4　位移曲线

围岩剪应变增长率分布见图5，剪应变增长率较大的部位在左边墙和右墙脚。施工过程中可通过增加锁脚锚杆、尽早封闭初期支护及二衬限制塑性应变进一步发展。

锚杆轴力分布见图6。从图6可以看出，除右边墙极少锚杆外，其他锚杆均起到抗拉作用，左边墙、左拱腰、右边墙均是锚杆拉力较大部位，施工中应对该部位加强支护。

为了提高施工过程中围岩的稳定性，可改变开挖顺序，按表1中图例先开挖2部分，再开挖1、3、4部分。其他条件不变，改变施工顺序后塑性区计算结果见图7。

通过改变施工顺序，过去剪切破坏区（shearp）得到了减少，但是塑性区贯通至坡面的情况没有改变，说明仅靠改变施工顺序提高围岩稳定性效果有限，应注重管棚、小导管注浆等加固措施。改变施工顺序前后位移曲线对比见图8。从图8可知，通过改变施工顺序，虽然围岩水平收敛得到了一定程度控制，但对地表沉降影响不明显。

图5　剪应变增长率

图6　锚杆轴力分布

图7　改变施工顺序前后围岩塑性区

图8　改变施工顺序前后位移曲线对比

4　结论

本文通过建立浅埋偏压高铁隧道CRD工法模型，分析了施工过程中围岩力学特,

结果表明：临时支撑对控制围岩竖向位移有重要作用，不宜过早拆除，封闭成环对控制水平收敛有重要作用，宜尽早封闭成环； 改变开挖顺序，先开挖埋深小的导洞可减少围岩塑性区，且水平收敛也有一定程度的减小，但地表沉降没有明显减小； 2种施工顺序的模拟结果也表明，仅改变开挖导洞的顺序不能解决围岩塑性区与坡面贯通的问题，应该注重管棚、小导管注浆等加固措施。

［1］ TB10020-2009，高速铁路设计规范（试行）［S］. 北京：人民交通出版社，2009.

［2］ 奚家米，王明明，徐锋，等. 超大断面浅埋隧道施工方法的数值模拟［J］. 西安科技大学学报，2015，35（5）：602-610.

［3］ 石熊，张家生，刘宝琛. 大断面浅埋偏压隧道CRD法施工工序研究［J］. 现代隧道技术，2015，52（3）：193-199.

［4］ 谭忠盛，孟德鑫，石新栋，等. 大跨小间距黄土隧道支护体系及施工方法研究［J］. 中国公路学报，2015，28（11）：82-89.

［5］ 乔春江，陈卫忠，王辉. 浅埋破碎地层隧道施工方法研究［J］. 岩土力学，2011，32（增2）：455-468.

［6］ 朱小坚. 浅埋软弱破碎围岩隧道变形监测与分析——以贵州省三穗至黎平高速公路的锦所隧道为例［J］. 湖南文理学院学报（自然科学版），2016，28（1）：75-78.

［7］ 任少强，谭忠盛，张德华. 碎屑流地层大断面铁路隧道施工技术研究［J］. 土木工程学报，2015，48（增1）：368-372.

［8］ 郑康成，丁文其，金威，等. 特大断面隧道分步施工动态压力拱分析研究［J］. 岩土工程学报，2015，37（增1）：72-77.

［9］ 李书静. 铁路富水、破碎白云岩隧道施工方法探讨［J］. 铁道工程学报，2013（1）：61-65.

［10］ 史超凡，马石城. 隧道开挖对既有管线沉降的影响［J］. 湖南文理学院学报（自然科学版），2015，27（3）：62-67.

（责任编校：江河）

Study of shallow buried bias weak rock high-speed rail tunnel construction technology

Ning Yu
（The 3rd Engineering Co Ltd，China Railway 16th Bureau Group，Huzhou 313000，China）

by establishing the FLAC 3D model，the key technology of high-speed rail tunnel that under the condition of shallow buried bias Ⅴ level surrounding rock CRD construction is numerically simulated. The results show that the temporary support control the surrounding rock vertical displacement，and initial support closed loop control level convergence play an important role respectively； by changing the construction order，first excavating the more depth side of pilot tunnel can reduce part of the plastic zone，horizontal convergence of surrounding rock have been controlled，but less impact to surface subsidence； changing construction in order to improve the effect of the stability of surrounding rock is limited，and it should be aware of pipe roof，small duct grouting reinforcing measures.

shallow surrounding rock； bias； weak surrounding rock； CRD； numerical simulation

U 455.4

1672-6146（2016）02-0070-04

10.3969/j.issn.1672-6146.2016.02.016

宁宇，564335122@qq.com。

2016-01-28