高速鐵路大斷面隧道淺埋段多臺階開挖法施工技術優化研究

姜長清

(中鐵十九局集團第七工程有限公司，廣東珠海 519020)

國家“十二五”計劃以來，高速鐵路大量修建，2013年在廣西壯族自治區開通的高速鐵路里程達到1 000 km以上。南寧到欽州北段的花甲山隧道是一座大斷面、技術標準高的重點隧道，位于廣西南面的十萬大山地區，地質條件復雜，尤其在軟弱圍巖淺埋段，施工難度很大，安全風險高。本文探討如何低風險、高效率地修建大跨度大斷面淺埋隧道，通過優化已有施工工法，總結施工經驗，在保證施工安全和質量的前提下，提高工效，節約成本[1]。

1 工程概況

花甲山隧道全長6 984 m，起止里程DK48+772—DK55+756，設計為雙塊式無砟軌道。該隧道共有DK49+250—DK49+290，DK49+560—DK49+590，DK49+730—DK49+800，DK55+210—DK55+270 4個淺埋段，洞頂為弱風化巖層，設計為Ⅴ級圍巖，覆土厚度約為5～20 m，地表為溝谷地貌，低洼處為水田。

選取 DK49+730—DK49+800典型地段，采用FLAC3D建模計算，對開挖工序的應力、變形監測分析后，提出優化圍巖受力控制圍巖變形，充分發揮圍巖的自身承載能力同時減少不同開挖步驟之間的相互擾動，并適當地修正了三臺階七步開挖法。使得該開挖方法的工序轉換次數變少，有效保證掌子面的穩定。

2 淺埋暗挖段施工方案

2.1 正洞淺埋段開挖方法

對花甲山隧道三臺階七步開挖法建模分析，得出了隧道圍巖及支護的位移、應力的變化情況，分析隧道開挖的穩定性，并根據計算結果優化了具體施工方案。

三臺階七步開挖法橫斷面如圖1所示。

圖1 淺埋段三臺階七步開挖法橫斷面

根據技術指南和施工經驗確定上臺階開挖高度控制在3.0～3.5 m(可根據掌子面土層高度調整上臺階開挖高度)，核心土長度控制在3～5 m，上臺階長度控制在5～10 m。在施工上臺階的同時，中臺階一側可緊跟上臺階開挖，距上臺階3～5 m，上臺階進尺約10 m后，中臺階另一側再進行開挖，當中臺階與上臺階成環進尺約10～15 m后，即可進行下臺階一側開挖，進尺5～10 m后，可開挖下臺階另一側及仰拱，最后隧底與下臺階完全結合封閉成環，形成整體[2-3]。建模過程中，對上臺階高度和三臺階長度進行優化，以得出理想的施工參數。

2.2 三臺階七步開挖法建模及結果分析

根據花甲山地質勘探報告以及鐵路設計規范所要求的相應圍巖地質條件下的圍巖參數取值，圍巖及注漿加固圈均采用Morh-Coulomb理想彈塑性模型模擬;開挖單元采用Null Model模型模擬，巖體支護材料參數取值如表1所示。嚴格按照設計的尺寸建模，模型左右采用4倍洞徑，底部采用3.5倍洞徑，上部覆土按淺埋高度取16 m。開挖方法的模擬根據三臺階七步施工方法，斷面開挖分為7個施工步驟，開挖進尺為0.6 m，各臺階之間開挖不同步。以上臺階開挖高度為3.8 m建模，其他參數依次調整，計算模型及開挖過程如圖2所示。

表1 實體單元力學參數

圖2 隧道模型及開挖過程

2.2.1 圍巖應力結果分析

這里只對第一輪開挖和開挖完成后兩個關鍵工序進行主應力分析。隨著隧道開挖以及加固等施工工序的進行，圍巖應力場相應發生了顯著變化。圖3～圖6為不同開挖狀態下的主應力云圖。在隧道開挖后，圍巖應力的分布基本相似，呈對稱分布，主應力在隧道周圍變化較大，遠離隧道變化較小。

圖3 第一輪開挖完成后的最大主應力云圖(單位:Pa)

從最大主應力等值線圖來看，隧道周圍圍巖中基本以壓應力出現，與開挖完成后及時進行支護有很大關系，圍巖最大主應力場變化明顯，尤其是在各轉角部位，但均處于安全受力范圍。

圖4 第一輪開挖完成后的最小主應力云圖(單位:Pa)

圖5 開挖完成后的最大主應力云圖(單位:Pa)

圖6 開挖完成后的最小主應力云圖(單位:Pa)

從最小主應力場等值線圖來看，其分布特征與最大主應力基本相似，即在隧道周圍變化較大，遠離隧道變化較小，且在隧道下部拱腳處容易出現應力集中現象，該處為圍巖受力薄弱部位。

2.2.2 圍巖位移特征分析

下面重點分析圍巖豎向和水平位移變化。隨著隧道的開挖和加固，引起隧道各處產生不同程度的擾動，從而引起隧道位移場的變化。通過分析圍巖位移變化情況可以判斷圍巖穩定性。

圖7 第一步圍巖豎向位移云圖(單位:m)

圖8 第一步圍巖水平位移云圖(單位:m)

圖7和圖8為第一步開挖完成后，隧道洞周圍巖豎向和水平位移變化情況。隧道豎向位移從上臺階掌子面向后發展，掌子面處拱頂沉降值為6.88 mm，二襯施作處拱頂沉降值為27.6 mm，拱底隆起變形略小，為23.5 mm。受到開挖步和隧道頂部注漿圈加固的影響，最大水平變形量出現在拱腰至起拱線位置，水平位移值類似于豎向位移，其最大水平位移值為27.8 mm。

圖9和圖10為開挖完成后，隧道洞周圍巖豎向和水平位移變化情況。拱頂最終最大沉降值為31.2 mm，拱底隆起最大變形量為25.0 mm。

圖9 第七步圍巖豎向位移云圖(單位:m)

圖10 第七步圍巖水平位移云圖(單位:m)

3 基于數值模擬結果的施工方案優化

3.1 利用數值模擬結果修正三臺階七步開挖法參數

結合已有的設計資料，并依據數值模擬中所歸納的圍巖施工力學特性，修正了花甲山隧道三臺階七步開挖法參數。Ⅴ級淺埋段圍巖掌子面穩定性較差，上臺階開挖高度控制在3.6～3.8 m，上臺階面的開挖長度控制在3～5 m，每個斷面循環進尺控制在0.5～0.6 m。為盡量減輕開挖對圍巖的擾動，采用機械開挖或弱爆破，爆破時嚴格控制炮眼深度及裝藥量。

3.2 數值模擬結果與現場量測數據的對比分析

圖11為現場實測與數值模擬拱頂沉降曲線對比情況。可以看出，數值模擬出的隧道拱頂位移與現場實測結果基本一致。表現在隨著開挖步的進行，監測斷面的拱頂位移量變化趨勢一致，隨著隧道的開挖位移逐漸趨于收斂，數值模擬最終的位移量為31.2 mm，現場監測最終的變形量為36.6 mm，拱頂沉降的最終數值計算結果略小于監測值。這與計算視材料為連續介質、采用彈塑性本構模型等假設有關。

圖11 現場實測與數值模擬拱頂沉降曲線對比

根據《鐵路隧道監控量測技術規程》(TB 10121—2007)，當拱頂下沉、水平收斂速率達5 mm/d或位移累計達100 mm時，應暫停掘進，并及時分析原因，采取處理措施。在花甲山隧道施工監測時Ⅴ級圍巖地段拱頂沉降基本在25～40 mm，小于監測規范規定的允許值。在DK49+730—DK49+800段，第一步開挖加大了上臺階開挖高度，圍巖受力、位移以及位移速率變化不大，數值均在安全范圍之內，說明隧道采用優化的施工方案是可行的。

4 結論

加大上臺階開挖高度至3.8 m后，拱頂最終最大沉降值為31.2 mm，水平位移值為28.6 mm，變形速率及累計變形值均處于規范允許值范圍，表明在適當范圍加大上臺階開挖高度是可行的。

花甲山隧道Ⅴ級淺埋圍巖地段，將上臺階開挖高度控制在3.6～3.8 m，優化了施工工序，加快了施工進度，明顯提高了工效，節約成本近200萬元，取得較好的經濟效益。

數值模擬結果與實測數據基本吻合，結果可靠，進一步印證了隧道信息化施工的科學性，可為類似工程提供借鑒。

[1]龔成術.淺談大斷面黃土隧道三臺階七步開挖法[J].鐵道建筑技術，2009(6):71-74.

[2]唐朝松.大管棚超前支護環形開挖預留核心土三臺階隧道施工方法[J].鐵道建筑，2009(9):46-49.

[3]馬顯紅.杉樹坳隧道臺階法開挖初期支護變形規律分析[J].鐵道建筑，2012(1):44-47.