隧道穿越软弱煤系地层施工关键技术与数值模拟

    何劲松 徐庭 张贵恩

    

    

    

    摘 要：本文以官庄隧道为研究对象，该隧道穿越煤系地层，围岩软弱破碎，为V级围岩。针对该隧道的工程地质条件提出了交叉中隔墙法（CRD）的施工方法，结合超前地质预报，运用FLAC3D软件对隧道开挖施工进行模拟，并将模拟值和实测值进行对比，结果表明：隧道开挖后，拱顶和拱底均发生竖向位移，且拱顶位移大于拱底位移，左右边墙主要发生水平位移，竖向位移的影响范围相对大于水平位移，且上半部分开挖是隧道开挖过程中的重要环节，应予以重视。并进一步验证：官庄隧道采用交叉中隔墙法（CRD）工法开挖施工是合理正确的，该工法可有效地控制隧道开挖变形，保证隧道施工稳定和安全。

    关键词：煤系地层;CRD施工方法;数值模拟;变形监测

    中图分类号：U455? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? 文章编号：1006—7973（2019）08-0105-03

    随着我国基础设施建设的不断发展，铁路、公路隧道建设已然成为人们关注的焦点。我国是一个矿产资源十分丰富的国家，在修建公路隧道的时候势必要穿越煤系地层，这增加了隧道施工技术的难度，而且可能引发安全事故。

    在煤系地层段修建隧道存在两个难点：一是煤系地层中含有有毒和易燃的瓦斯气体，瓦斯压力过大的地层有瓦斯爆炸的危险;二是煤系地层一般都是软弱围岩，对隧道施工中的支护要求较高，因此必须要有可靠的施工工艺保证施工安全[1]。

    本文根据官庄隧道的具体工程地质概况，将数值模拟等分析手段与超前地质预报、监控量测信息反馈手段相结合，系统地研究了穿越煤系地层段隧道的施工关键技术，确保施工过程的安全，保证工程质量，为将来的穿越煤系地层隧道提供示范意义和积累施工经验。

    1工程概况

    官庄隧道位于石阡县甘溪乡， 起讫桩号ZK65+205～ZK65+790，长585m，属中隧道，最大埋深约220m。拟建隧道呈曲线形展布，隧道总体轴线方向约250°，隧道平面線形为R-∞，R=3700，隧道纵坡均为0.7%，单向坡。隧道采用复合式衬砌结构。

    2工程地质条件

    根据野外地质调查及钻探、物探成果，隧道区上覆第四系更新统坡积成因粉质黏土、块石，隧址区下伏基岩为寒武系下统清虚洞组灰岩及牛蹄塘组、下统明心寺组、下统金顶山组组合灰质页岩、二叠系上统龙潭组等。其从上到下可分为第四系覆盖层，下伏基岩和风化层。

    2.1第四系覆盖层

    粉质黏土（含砂岩）：褐黄色，可塑，含约5%碎石，表层0.3含植物根系。块石：灰色，密实，粒径大于200mm的颗粒含量约80%，粒径一般200mm～1500m，多层棱角状，母岩成分主要为灰岩，泥质充填，颗粒级配一般。

    2.2下伏基岩和风化层

    强风化灰岩：浅灰色，隐晶质结构，中厚层状构造。节理裂隙发育，裂隙方解石脉充填，岩芯多呈块状，岩体破碎。

    强～中风化炭质页岩：褐灰黑色，原岩结构大部分破坏，泥质结构，页理状构造，节理裂隙发育，岩芯多呈碎块状，岩质软，岩体破碎，瓦斯赋存在炭质岩中。

    煤系瓦斯地层段为二叠系上统龙潭组（P31）：粉质粘土含砂岩、炭质页岩、炭质灰岩，分布于隧道洞身段。隧道洞身ZK65+225～ZK65+305段，地表发现采煤探坑。

    3隧道穿越煤系地层施工工艺

    3.1超前地质预报

    采取地质法为基础、以物探为主要手段，结合超前钻探，采用地质雷达对掌子面前方地质情况进行勘察[2]。

    本文选取典型区段进行超前地质预报（即ZK65+275～K65+295区段），雷达波反射均较强烈，围岩稳定性差，瓦斯等有害气体可通过裂隙向掌子面溢出，开挖后拱顶无支护时容易发生掉块或者坍塌等不良地质现象。

    3.2煤系地层施工关键技术

    3.2.1超前支护

    （1）在软弱围岩煤系地层段，采取R51自进式锚杆，使用SP50型锚固工程钻机安装，钻杆的锚杆体具有无需拔除的特点。锚杆减小了施工过程中对围岩扰动的影响，而且锚杆空孔可以成为注浆通道，让其具有双重功能，既节约了成本，又增加了围岩开挖后的稳定性。

    （2）隧道侧导洞支护采用Ф50小导管，L=5m，环向间距40cm，外插角10°，Ф8钢筋网，15×15cm，临时支撑采用I18钢拱架，纵向间距100cm，喷射C20混凝土20cm。Ф50锁脚注浆小导管隧道拱脚每处两根，长5m。

    支护参数：Ф50热轧无缝钢管沿拱部120°范围内布设，每环长4.7m，每环35根，环向间距40cm，外插角10°，搭接长度1m，压注水泥浆液。

    3.2.2交叉中隔墙法（CRD）施工工艺

    穿越煤系地层官庄隧道围岩为强风化炭质页岩，节理裂隙发育，岩质破碎，整体性较差。隧道所穿围岩级别分别为Ⅳ级、Ⅴ级。结合实际情况，采用一种适用于较软弱地层的隧道施工方法-交叉中隔墙法（CRD）开挖方法（见图1）。

    图1? 分布开挖示意图

    3.2.3初期支护

    初期支护施工程序：测量定位→钻孔→支护锚杆→喷射混凝土→安设拱架→挂设钢筋网→喷射混凝土。

    隧道施工时，喷射标号为C25的混凝土，喷射厚度达到30cm。水灰比准确控制、充分拌合及水化作用以及按比例计量添加速凝剂等方面充分保证了采用湿喷工艺喷射混凝土的强度。在钢拱架安装加固完毕后，在拱架背后和岩面空隙之间打进木楔，环向每米1个，使围岩应力及时传到支护上，可有效控制早期围岩收敛变形。

    4 数值模拟分析

    4.1计算模型

    本文选取典型剖面ZK65+285，采用FLAC3D有限差分软件对隧道建立模型，对隧道开挖围岩变形进行分析。该段为 V 级围岩，采用复合式衬砌的支护形式。因为二次衬砌通常起着隧道的安全储备和美观的作用，因此本文不考虑二次衬砌的作用[3]。模型采用实体单元建模，围岩土体采用摩尔库伦模型，初期支护采用衬砌单元模拟。模拟使用的模型尺寸为隧道设计路面的高度到拱顶距离8.15m，模型大小长为100m，宽为60m，系统锚杆、超前小导管注浆支护的效果采用提高加固圈物理参数的办法来模拟其作用效果[4]，初期支护采用衬砌单元模拟。位移边界条件：上表面即地表为自由边界，其余各外表均约束法线方向的位移。

    采用CRD法对煤系段地层段进行开挖支护，表1是模拟CRD开挖法的具体参数。

    4.2模拟值与实测值对比分析

    限于篇幅，只列出CRD法施工方法各开挖及初期支护关键步骤施工完成后的位移云图。本文选取典型断面ZK65+285处的模拟值和实测值进行对比分析。

    第一次开挖支护后，拱顶部位产生的最大位移3mm左右。随着开挖继续，拱顶位移不断增大，到第三次开挖支护完成后达17mm之多。这是因为，由于隧道开挖致使围岩竖向应力主要集中分布在隧道拱顶范围内造成的。可知隧道开挖采用CRD施工工艺，前三次施工拱顶沉降速率较大，对隧道稳定的稳定性存在一定程度的影响，因此施工时有必要采取一定的支护措施，防止隧道位移沉降过大。第四次开挖支护完成后，拱顶的最大竖向位移达20mm左右，沉降速率减缓，位移可控。且拱底有起鼓现象，位移为2mm左右，说明CRD施工工艺能有效抑制拱底上移。由图可知，隧道开挖竖向位移影响范围内大约为3倍洞室高度，这与文献[5]结论有所差别，原因是地层岩性、施工工艺等有所不同。

    断面ZK65+285最大沉降值为22.3mm，最大下沉速度2.4mm/d，可以看出断面ZK65+285拱顶下沉共有三个阶段：①前四天沉降速率最快，此时围岩刚得到支护，支护结构和围岩还没有形成共同作用的整体;②5～20天沉降量跟时间近似成直线状，说明围岩与支护结构共同作用形成受力整体，沉降速度稳定;③22天以后沉降量趋于稳定，此时拱顶沉降速率为0.2mm/d，满足规范中的规定，拱顶趋于稳定。

    对比分析模拟值和实测值，可知拱顶的沉降实测值大于模拟值，相差2mm，这是由于数值模拟不能完全反映实际施工的滞后效应和施工质量情况，导致实测值较大。但两者反映围岩的变化趋势一致，量值接近。另一方面，数值模拟结果也说明，在围岩破碎严重的地段，采用交叉中隔墙法（CRD）施工工艺，能有效抑制围岩变形，保证隧道施工稳定和安全。

    隧道开挖之后，应力释放，围岩逐渐向隧道内部偏移，左右边墙水平随隧道开挖不断增大，开挖完成之后最大值为6mm。

    左右边墙最大收敛值是14.3mm，最大收敛速率是2.6mm/d，其收敛最终值在相关规范规定的范围内。在断面ZK65+285处左右边墙收敛值在趋于稳定前其值几乎跟时间成直线关系，说明其收敛速率稳定地维持在1.54mm/d左右，待到量测第25天的时候收敛速率0.1mm/d，左右边墙趋于稳定，变化幅度非常小。

    左右边墙实测最大位移值14.3mm大于模拟值6mm。由位移云图可知，水平位移影响范围为1倍的洞室高度。這是因为此模型中默认最大天然应力为竖向应力，隧道模型近似于椭圆形，短轴方向与最大天然应力的作用方向垂直，一定程度上抑制了左右边墙向隧道内侧发展，致使模拟值偏小于实际值，也一定程度减小了水平位移的影响范围，致使水平收敛位移值大于模拟值，但此变化值在合理范围内理操作。

    5结论

    （1）采用地质雷达可对掌子面前方20m范围内的地质状况做出较好的判断，对隧道施工方案提供指导性建议。

    （2）详细介绍隧道穿越煤系地层的施工工艺，将FLAC3D数值模拟结果与实测结果进行对比，两者变化趋势一致，数值相接近，表明模拟具有可靠性，可以反映出CRD开挖方式围岩变形情况，在煤系地层破碎带采用CRD施工方法和超前小导管注浆是可行的，CRD工法能够保证在不良地质条件下施工的安全性，有效控制围岩位移，对相似地质条件下隧道施工具有一定的指导意义。

    （3）利用FLAC3D进行数值模拟，采用加固圈物理参数的办法来模拟系统锚杆、超前小导管注浆支护的效果可以较真实地反映实际情况，从而为支护设计和施工提供可靠的参考数据，

    （4）由数值模拟结果可知，隧道开挖后，由于应力释放，围岩收敛变形，竖向位移主要集中在拱顶和拱底处，且拱顶位移大于顶底位移，由于上半部开挖引起拱顶沉降所占比例较大，因此在开挖之后要及时施加初期支护。水平位移主要集中在左右边墙处，位移相对较小，且影响范围较竖向位移小。

    （5）由现场实测数据可知，隧道开挖初期拱顶下降速度较大，位移-时间曲线斜率教大，处于不稳定状态，随着时间速率减小，逐渐稳定。而左右边墙收敛值在趋于稳定前其值几乎跟时间成直线关系，但两者最终趋于稳定，说明支护参数合理。

    参考文献：

    [1]方勇，符亚鹏，杨志浩，杨斌. 公路隧道下穿煤层采空区开挖过程相似模型试验[J]. 土木工程.

    [2]薛翊国，李术才，苏茂鑫，李树忱，张庆松，赵岩，李为腾. 隧道施工期超前地质预报实施方法研究[J]. 岩土力学，2011，08：2416-2422.

    [3]邓洪亮，陈鸽，郭洋，王思淼，武胜林. 浅埋隧道围岩位移及应力变化规律研究[J]. 施工技术，2016，07：113-117.

    [4]段宝福，朱应磊，吴圣智. 隧道穿越富水破碎带施工工艺与数值分析[J]. 施工技术，2012，17：84-88.

    [5]任建喜，党超. 马鞍子梁软岩隧道围岩变形规律及支护技术模拟分析[J]. 施工技术，2012，01：87-91.

    [6]汪成兵，丁文其，由广明. 隧道超前地质预报技术及应用[J]. 水文地质工程地质，2007，01：120-122.