軟弱圍巖隧道臺(tái)階法施工中拱腳穩(wěn)定性及其控制技術(shù)

摘要：隨著人類社會(huì)的發(fā)展，隧道不僅利用于公路、鐵路、、礦山、水利水電和灌溉工程，也用于輸電、輸煤、地下停車場(chǎng)、地下車站等工程。而對(duì)隧道施工技術(shù)的研究也取得了突破性的進(jìn)展，九十年代以前主要以礦山法為主，目前隧道施工主要以新奧法為主，而新奧法隧道施工方法中臺(tái)階法施工技術(shù)在軟弱圍巖隧道施工中被廣泛應(yīng)用，有效提高了施工的質(zhì)量和效率，目前是十分受關(guān)注的隧道施工技術(shù)之一。

關(guān)鍵詞：臺(tái)階法;拱腳沉降機(jī)制;拱腳穩(wěn)定技術(shù)

在軟弱圍巖地質(zhì)層上進(jìn)行隧道建設(shè)施工的時(shí)候，很容易出現(xiàn)工程變形的現(xiàn)象，從而影響到施工的質(zhì)量。事實(shí)上，軟弱圍巖這種地質(zhì)類型并不少見，軟弱圍巖地質(zhì)層的特點(diǎn)也比較突出，包括：較低的土質(zhì)強(qiáng)度、巖石和土質(zhì)間較差的膠合度以及較大的巖石間隙等。軟弱圍巖是一種比較軟弱的地層，主要是受風(fēng)化、地質(zhì)運(yùn)動(dòng)、地下水等因素影響而形成的，在很多隧道的施工中都能遇到。在軟弱圍巖地質(zhì)條件下進(jìn)行隧道工程施工，就需要用到臺(tái)階法的施工技術(shù)，本文便是圍繞臺(tái)階法的隧道施工技術(shù)，就其拱腳穩(wěn)定性及其控制技術(shù)進(jìn)行探討。

一、關(guān)于臺(tái)階法隧道施工技術(shù)

目前我們隧道施工中大多采用新奧法施工，但新奧法隧道施工中最重要的還是臺(tái)階法。要知道我國(guó)的隧道施工除了鐵路隧道、公路隧道外，也就水利水電隧道相對(duì)突出，而在這些隧道施工形式中，圍巖地質(zhì)的不同決定著其最終的施工方法，依據(jù)對(duì)通常需要隧道建設(shè)的地形進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，臺(tái)階法仍然是應(yīng)用最多的隧道施工技術(shù)。

在臺(tái)階法隧道施工技術(shù)的應(yīng)用過程中，常常會(huì)由于軟弱圍巖地質(zhì)條件的影響出現(xiàn)工程變形的情況，這些變形主要分為拱腳收斂變形及拱腳沉降變形兩種，當(dāng)然，有時(shí)候也把這兩種變形稱為水平變形和豎向變形。其實(shí)，拱腳收斂變形情況目前已經(jīng)得到廣泛關(guān)注，大量針對(duì)其進(jìn)行的研究也有所收獲，目前拱腳收斂變形問題還納入了隧道建設(shè)質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)之中。與之相比，拱腳沉降變形引起的關(guān)注度就相對(duì)較弱了一點(diǎn)，但總體來(lái)說(shuō)，也越來(lái)越受重視。

目前我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)工作正隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展備受關(guān)注，國(guó)家不僅加大了對(duì)其建設(shè)的力度，更是在大力發(fā)展交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的過程中，逐步吸收了更多的軟弱圍巖隧道工程進(jìn)入到了交通路網(wǎng)系統(tǒng)中。在這種情況下，軟弱圍巖地層上進(jìn)行的隧道建設(shè)工程就成為了業(yè)界學(xué)者的重點(diǎn)研究對(duì)象。尤其是臺(tái)階法的隧道施工技術(shù)，針對(duì)其弊端學(xué)者們進(jìn)行了大量研究工作，就連豎向變形問題也逐漸被重視起來(lái)。目前取得的研究成果還是很顯著的，可在具體問題上的應(yīng)用于解決能力還是不夠，這么一來(lái)，我們不得不進(jìn)一步對(duì)其做深入探討，真正了解并有效改進(jìn)臺(tái)階法隧道施工技術(shù)。

二、臺(tái)階法工藝特點(diǎn)以及工藝流程

（一）工藝特點(diǎn)

經(jīng)過施工實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)在軟弱圍巖隧道中施工最適用的是臺(tái)階法施工工藝，而且現(xiàn)今這項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)的軟弱圍巖隧道施工中已經(jīng)成為其中的核心技術(shù)。通過研究臺(tái)階法施工工藝并結(jié)合傳統(tǒng)的施工工藝，發(fā)現(xiàn)臺(tái)階法施工工藝具有以下幾種特點(diǎn)。首先是臺(tái)階法施工工藝相比于傳統(tǒng)的工藝來(lái)說(shuō)，臺(tái)階法施工工藝可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)層面的平行工作，并且在初期的施工當(dāng)中支護(hù)工序施工空間大而且操作也十分的便捷，可以保證機(jī)械化施工的快速推進(jìn)。然后臺(tái)階法施工工藝有很強(qiáng)的適應(yīng)性，在不同的地形和環(huán)境中都能進(jìn)行有效的工作，例如復(fù)雜的圍巖結(jié)構(gòu)、變化的軟硬圍巖等一些復(fù)雜的環(huán)境中都可以進(jìn)行工作。其次還有臺(tái)階法施工工藝不需要做臨時(shí)支護(hù)，這樣便可以很好的避免了在施工完成后對(duì)臨時(shí)支護(hù)拆除時(shí)發(fā)生的安全隱患。并且臺(tái)階法施工工藝的成本較之其他傳統(tǒng)的施工工藝的價(jià)錢來(lái)說(shuō)是很低的，這一點(diǎn)主要體現(xiàn)在購(gòu)買臨時(shí)材料以及施工設(shè)備所用到的資金上。最后臺(tái)階法施工工藝的施工效率比較其他傳統(tǒng)施工工藝是比較快的，這點(diǎn)對(duì)于一些對(duì)要求施工期限比較緊的工程十分有利。

（二）工藝流程

臺(tái)階法施工工藝是現(xiàn)今在軟弱圍巖隧道施工中的核心技術(shù)，其中的工藝流程是首先把隧道開挖階段的作業(yè)面劃分成六個(gè)開挖面，就是在前后六個(gè)開挖面區(qū)分開后實(shí)行平行施工，然后實(shí)施同時(shí)分部支護(hù)到一個(gè)整體，用這樣的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)縮減施工的循環(huán)時(shí)間以及作業(yè)縱深方向的逐漸推進(jìn)。

三、對(duì)臺(tái)階法拱腳沉降（豎向）變形的分析

（一）擠出效應(yīng)造成的整體沉降

擠出效應(yīng)可以造成整個(gè)斷面的沉降。在實(shí)際的施工過程中，可以遵循圍巖特有的力學(xué)特性，并且在施工路徑下的軟弱圍巖還會(huì)分為不同的層級(jí)，也就是Ⅳ這一層級(jí)以及Ⅴ這一個(gè)層級(jí)。在Ⅴ這一個(gè)層級(jí)里進(jìn)行施工，上下會(huì)帶有相互銜接的掌子面，并且還會(huì)出現(xiàn)十分清晰的擠出變形形態(tài)。如果說(shuō)除去圍巖中特有的一些扭曲狀態(tài)不說(shuō)，在這些清晰的縱向縱向擠壓下，之上通過斷面銜接的拱頂都會(huì)帶動(dòng)整個(gè)工程真會(huì)下沉的傾向。但是在上半個(gè)斷面中造成的整體下沉中，并且對(duì)建構(gòu)中的隧道來(lái)說(shuō)，也會(huì)造成一些偏多的下陷。也是因?yàn)槿绱耍谏吓_(tái)階的這一段施工區(qū)域都要保持著偏短的長(zhǎng)度。并且在進(jìn)行施工的過程中，對(duì)掌子面特有的擠壓扭曲現(xiàn)象和特有的整體沉降現(xiàn)象也能忽視。

（二）缺失剛度造成的支護(hù)沉降

在采用臺(tái)階法進(jìn)行隧道施工的時(shí)候，一旦基底的荷載剛度有所缺失的話，就會(huì)造成拱腳沉降里的支護(hù)沉降。在臺(tái)階法隧道建設(shè)施工中，需要嚴(yán)格按照施工前就設(shè)定好的指引進(jìn)行工作，注意由于剛性缺失而造成的支護(hù)沉降問題，將底層的支護(hù)構(gòu)架進(jìn)行良好的銜接，減少支護(hù)沉降發(fā)生的概率。另外，當(dāng)支護(hù)構(gòu)架產(chǎn)生向下的位移分量時(shí)，就要格外注意拱腳的荷載問題。隨著工程進(jìn)行，施工中的挖掘工作會(huì)導(dǎo)致支護(hù)所承受的軟弱圍巖荷載會(huì)持續(xù)增加。

（三）下臺(tái)階挖掘流程造成的沉降

上臺(tái)階支護(hù)構(gòu)架在下臺(tái)階的挖掘過程中往往會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間內(nèi)的懸空狀態(tài)，這中情況主要是由于下臺(tái)階的挖掘流程造成的，通常在這個(gè)時(shí)候，施工中的拱腳也會(huì)與支護(hù)架構(gòu)一起下陷，形成沉降。為了緩解因這一現(xiàn)象發(fā)生而對(duì)工程造成的危害，一般在隧道施工中會(huì)選擇預(yù)設(shè)下側(cè)支護(hù)，以便減少支護(hù)構(gòu)架懸空的時(shí)間。事實(shí)上，下臺(tái)階拱腳下沉在工程施工中是很難忽略的問題。

（四）選取出來(lái)的施工技術(shù)

軟弱圍巖的地質(zhì)條件本身就對(duì)隧道施工工程的影響較大，而施工現(xiàn)場(chǎng)選擇采用的施工工藝也會(huì)進(jìn)一步影響建設(shè)質(zhì)量，對(duì)于拱腳沉降變形的形成有諸多干擾。這些被選用的施工工藝，總會(huì)在一些細(xì)節(jié)方面使拱腳發(fā)生下沉，例如掌子面中的擠出變形、支護(hù)構(gòu)架與腳部支撐之間的銜接，鎖腳錨桿的施工流程、拱腳部位的積水排除。另外，還有一些施工技術(shù)的細(xì)節(jié)也會(huì)影響拱腳沉降，同樣需要重視。

總結(jié)：

總而言之，采用臺(tái)階法進(jìn)行的軟弱圍巖地質(zhì)層隧道施工建設(shè)中，如果不對(duì)其技術(shù)方法進(jìn)行有效控制的話，工程施工中就很容易出現(xiàn)拱腳變形現(xiàn)象，尤其是拱腳水平收斂變形和拱腳沉降豎向變形的問題，影響到工程施工的整體質(zhì)量和效率，為日后的行車安全帶來(lái)隱患。本文對(duì)軟弱圍巖隧道臺(tái)階法施工中拱腳穩(wěn)定性及其控制技術(shù)進(jìn)行的探討就是為了研究其防范措施，提高隧道施工的質(zhì)量。

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