深埋大断面隧道穿越大型隐伏溶洞施工工法比选裴树林 (中铁十二局集团有限公司，山西 太原 030031) 摘 要 依托新建仁化—博罗公路李洞隧道工程，运用有限元软件对比分析了不同施工工法下溶洞位置对隧道洞周位移及初期支护结构受力的影响。研究结果表明:在上覆地层荷载和下部地基抗力的作用下，大断面隧道主要为上下压缩变形;不同工况下全断面法控制水平收敛的效果最好，CRD法控制拱顶沉降及仰拱隆起的效果最好;溶洞位置对隧道洞周位移及初期支护结构的受力均有一定的影响，溶洞会增大隧道靠近溶洞侧的位移和正弯矩，减小其负弯矩;采用全断面法开挖隧道初期支护结构内力较大，不利于稳定。综合考虑洞周位移及初期支护结构受力，对于洞门等较为危险位置采用CRD法施工，洞内采用安全性较高、施工速度较快的台阶法施工，并同时配合一些辅助性支护措施。 关键词 铁路隧道;施工工法;数值计算;溶洞;洞周位移;受力特征 1 工程概况李洞隧道位于广东省韶关市翁源县南浦镇丰山村至龙仙镇李洞村，设计为分离式隧道，隧道断面宽17.21 m，高11.31 m，呈158°方向展布。起讫桩号左线里程ZK341+956—ZK343+894，长1 938 m;右线里程YK341+930—YK343+885，长1 955 m。进洞口设计标高:左线277.68 m，右线276.89 m。出洞口设计标高:左线326.39 m，右线326.06 m。隧道最大埋深约238 m，属长隧道。 由于隧道洞身岩性多为灰岩及泥质灰岩，且地下水较为丰富，导致该类地层岩溶发育。隧道穿越地区节理裂隙发育。隧道施工过程中揭露大量溶洞。 2 隧道施工数值模拟2.1 模型建立本文将隐伏溶洞简化为类圆形［1-2］。根据隧道力学相关理论，为消除模型边界效应的影响，隧道左右下各取4倍洞径的距离［3］，竖向高度取至地表，则三维模型高90 m，宽120 m，纵向延伸40 m，并在三维模型的前后、左右及底部边界均施加法向约束［4］。现场揭露情况及超前地质资料显示李洞隧道埋深约200 m，故数值计算中对埋深200 m下的岩溶隧道开挖进行模拟分析。为减少计算工作量，距地面150 m以上地层采用一定的竖向荷载代替，将隧道埋深简化为50 m，并在隧道周围建立相应隐伏溶洞。李洞隧道跨度为17.21 m，高为11.31 m，初期支护采用 Shell单元，围岩采用三维实体单元。 2.2 计算参数李洞隧道岩溶地段主要为Ⅳ级围岩。本次计算围岩材料根据地勘资料和《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)取值。隧道初期支护设计参数见表1。初期支护均设置于拱墙。运用刚度等效的原则将钢拱架和钢筋网强度折算成混凝土强度，从而求得初期支护物理力学参数［5］，围岩及初期支护的力学参数见表2。 表1 李洞隧道初期支护设计参数  C25喷射混凝土厚度/cm/m 22 20×20 3.5 1.2×1.0(环×纵)Φ8钢筋网格间距/cm C22药卷锚杆长度/m 间距/m I20b型钢拱架间距0.8 表2 围岩和初期支护力学参数  围岩和初期支护弹性模量/GPa泊松比黏聚力/kPa摩擦角/(°)密度/(kg/m3)3.0 0.3 300 30 2 100初期支护围岩26.6 0.2 2 300 为了计算钢拱架的受力情况，将I20b钢拱架和混凝土弹性模量按式(1)折算成综合弹性模量。  式中:E为综合弹性模量;Eg为钢拱架弹性模量;Ec为喷射混凝土弹性模量;Sg为钢拱架横截面积;Sc为喷射混凝土横截面积。 计算模型忽略钢筋网的作用，将钢筋网作为结构的安全储备，并作了如下假定:①围岩为各向同性的弹塑性材料;②初期支护与围岩严格密贴，二者共同承载，共同变形;③忽略地下水渗流可能带来的荷载;④初期支护中钢拱架与包裹在钢拱架四周的混凝土粘结良好，共同承载及变形［6］。 2.3 计算工况及量测项目主要分析溶洞位于隧道拱顶、拱腰、边墙及仰拱处，分别采用全断面法、三台阶法以及CRD法开挖时，隧道洞周位移的变化规律［7］。数值计算中溶洞直径取6 m，距离隧道3 m。隧道与溶洞的三维空间关系见图1。 选择隧道的拱顶、拱肩、拱腰、边墙、仰拱处作为初期支护内力监测点;同时，在开挖过程中监测目标断面的洞周位移［8］。  图1 隧道与溶洞的三维空间关系 2.4 结果与分析2.4.1 隧道开挖过程中的洞周位移采用不同工法开挖隧道，溶洞位于隧道拱顶、拱腰、边墙和仰拱不同位置时目标断面(纵向Y=20 m)的洞周位移随开挖步的变化曲线见图2。  图2 不同工况下隧道洞周位移随开挖步的变化曲线 从图2可见:①采用同种工法开挖，溶洞位于不同位置时，洞周位移随开挖步的变化趋势大致相同;②洞周最终位移值的大小与工法关系较为密切，受溶洞位置的影响较小;③同种工法中，深埋大断面隧道洞周位移变化规律为拱顶沉降＞仰拱隆起＞水平收敛。 2.4.2 隧道开挖完成后的洞周位移溶洞位于不同位置，隧道开挖完成后洞周位移见表3。可见:当溶洞位置一定、采用不同工法开挖时，隧道最大拱顶沉降及最大仰拱隆起的大小顺序均为:三台阶＞全断面＞CRD;而水平收敛的大小顺序大致为:CRD＞三台阶＞全断面。因此，采用CRD法施工可有效减小隧道拱顶沉降及仰拱隆起，但对水平收敛不利。 2.4.3 隧道开挖完成后初期支护内力1)溶洞位于拱顶时 表3 隧道开挖完成后洞周位移  溶洞位置 工法 最大拱顶沉降/mm-40.63 35.97 5.58拱顶 三台阶 -43.89 40.43 5.15 CRD -35.86 24.40 6.84全断面 -40.16 36.44 5.33拱腰 三台阶 -45.70 40.58 6.47 CRD -35.81 24.50 6.14/mm全断面最大仰拱隆起/mm最大水平收敛全断面 -39.84 36.31 5.48边墙 三台阶 -44.86 41.12 6.53 CRD -36.06 24.72 8.30全断面 -39.35 38.62 5.50仰拱 三台阶 -44.36 41.49 6.27 CRD -35.58 25.12 6.57 溶洞位于拱顶，采用不同工法施工时隧道初期支护内力见图3。  图3 溶洞位于拱顶时初期支护内力 由图3可得:①采用不同工法开挖时，弯矩图分布形态各不相同，轴力图分布形态则大致相同，但量值存在很大差异。②隧道边墙处承受较大负弯矩(外弯)，存在一定的应力集中现象。不同工法的仰拱弯矩值有较大的变化，仰拱左右两侧处于正弯矩(内弯)区，其它测点的弯矩也存在差异。③拱顶和仰拱处承受的轴力较小，拱肩、拱腰及边墙处承受的轴力较大，采用三台阶法施工时隧道初期支护轴力相对较小。 2)溶洞位于拱腰时 溶洞位于拱腰，采用不同工法施工时隧道初期支护内力见图4。  图4 溶洞位于拱腰时初期支护内力 由图4可得:①与溶洞位于拱顶时相比，溶洞位于隧道拱腰时拱顶、拱肩及拱腰处的弯矩明显变大，且在左拱肩(靠近溶洞处)出现弯矩最大值171.08 kN·m。这是因为溶洞位置的改变，导致测试断面拱顶附近的围岩土压力值增大，对初期支护的作用力增大。测试断面其它测点的弯矩随工法不同亦存在差异。②轴力分布较为均匀，但断面各测点的轴力值存在一定差异，隧道拱顶及仰拱附近的轴力值相对较小，与溶洞位于拱顶时相比，拱顶、拱肩处的轴力值明显增大。 3)溶洞位于边墙时 溶洞位于边墙，采用不同工法施工时隧道初期支护内力见图5。  图5 溶洞位于边墙时初期支护内力 由图5可得:①隧道边墙处承受较大负弯矩(外弯)，存在一定的应力集中现象。相对于全断面法，采用三台阶法及CRD法开挖仰拱弯矩值较小，仰拱左右两侧处于正弯矩(内弯)区，其它测点的弯矩随着开挖工法的不同亦存在差异。②拱顶和仰拱处承受的轴力较小，拱腰和边墙处承受的轴力较大。③采用全断面法施工时测试断面多数测点出现较大的轴力，而采用三台阶法施工时轴力值相对较小。④测试断面左侧的轴力值比右侧小，说明溶洞的存在减小了隧道靠近溶洞侧初期支护结构的轴力。 4)溶洞位于仰拱时 溶洞位于仰拱处，采用不同工法施工时初期支护内力见图6。  图6 溶洞位于仰拱时初期支护内力 由图6可得:①与溶洞位于边墙时相比，溶洞位于仰拱时仰拱左右两侧弯矩值略微降低，边墙出现明显的应力集中现象，且该处出现最大负弯矩;②初期支护弯矩最大值出现在采用CRD法开挖时，弯矩最小值出现在采用全断面法及三台阶法开挖时;③从隧道仰拱最终弯矩值来看，全断面法较大，CRD法及三台阶法较小，可见溶洞位于仰拱且在当前洞径及间距的情况下，溶洞对仰拱弯矩的影响较小，并没有显著增加仰拱处弯矩。 3 结论1)深埋大断面隧道采用同一工法施工时洞周位移顺序为:拱顶沉降＞仰拱隆起＞水平收敛，可见大断面隧道在上覆地层荷载和下部地基抗力的作用下，主要为上下压缩变形。 2)在相同级别围岩中溶洞位置对于隧道开挖洞周位移的影响并不明显，洞周最终位移量的大小与工法关系较为密切。在水平收敛方面，全断面法效果最好;在拱顶沉降及仰拱隆起方面，CRD法效果最好。 3)溶洞位置对隧道开挖完成后洞周位移及初期支护结构的受力均有一定的影响。溶洞会增大隧道靠近溶洞侧的位移和正弯矩，并减小其负弯矩。 4)采用全断面开挖，隧道初期支护结构内力较大，不利于隧道的稳定。综合考虑洞周位移及初期支护结构的受力，建议洞门等较为危险位置采用CRD法施工，洞内采用安全性较高、施工速度较快的台阶法施工，并同时配合一些辅助支护措施。 参考文献 ［1］周超月.富水岩溶地层大断面公路隧道开挖稳定性及失稳特征研究［D］.成都:西南交通大学，2016. ［2］莫阳春，周晓军.达成高速铁路岩溶隧道围岩稳定性分析［J］.中国铁道科学，2008，29(3):52-57. ［3］夏永旭，王永东.隧道结构力学计算［M］.北京:人民交通出版社，2004. ［4］周雪铭，刘辉，彭川，等.岩溶隧道开挖对溶洞处治结构影响的数值模拟分析［J］.岩土力学，2011，32(1):269-275，303. ［5］谭代明，漆泰岳，莫阳春.侧部岩溶隧道围岩稳定性数值分析与研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(增 2):3497-3503. ［6］郭而东.溶洞位置对隧道围岩稳定性的影响及治理方案研究［D］.西安:长安大学，2014. ［7］闫宏斌.沪昆客专哪旁隧道岩溶地段施工方法［J］.铁道建筑，2016，56(3):83-85. ［8］蒋颖.溶洞分布部位对隧道稳定性影响的数值分析［J］.铁道标准设计，2009，53(9):67-70. Construction Method Comparison and Selection of Deep Buried Tunnel with Large Section Crossing Large-scale Concealed Karst Cave PEI Shulin Abstract Based on the construction of Lidong tunnel in newly built Renhua-Boluo highway，the influence of the karst cave location on the displacement of tunnel contour and the structure force of initial support with different construction methods was compared and analyzed by the finite element software.T he results show that the deformation of large section tunnel is mainly up and down compression deformation under the action of overlying strata load and lower foundation resistance，the whole section method has the best effect on horizontal convergence control while CRD method has the best effect on controlling vault settlement and invert uplift under different conditions，the location of the karst cave has a certain influence on the displacement of tunnel contour and the force of the initial support structure，which will increase the displacement and the positive moment of the tunnel near the karst cave and reduce the negative moment，and the internal force of the initial support structure is large by using the whole section method，which is unfavorable to the stability.Considering the displacement of tunnel contour and the structure force of initial support，the CRD method should be adopted in the construction of more dangerous position such as portal and the bench method which has high safety and quick construction speed should be adopted inside the tunnel with some auxiliary supporting measures at the same time. Key words Railway tunnel;Construction method;Numerical calculation;Karst cave;Displacement of tunnel contour;M echanics characteristic 中图分类号 U455.4 文献标识码： A DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2017.09.18 文章编号:1003-1995(2017)09-0074-04 (责任审编 葛全红) 收稿日期:2017-01-10; 修回日期:2017-08-10 作者简介:裴树林(1970— )，男，高级工程师。 E-mail:739646838@qq.com |
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