軟弱圍巖隧道臺階法施工中拱腳穩定性及其控制技術

摘要：隨著人類社會的發展，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、地下車站等工程。而對隧道施工技術的研究也取得了突破性的進展，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階法施工技術在軟弱圍巖隧道施工中被廣泛應用，有效提高了施工的質量和效率，目前是十分受關注的隧道施工技術之一。

關鍵詞：臺階法;拱腳沉降機制;拱腳穩定技術

在軟弱圍巖地質層上進行隧道建設施工的時候，很容易出現工程變形的現象，從而影響到施工的質量。事實上，軟弱圍巖這種地質類型并不少見，軟弱圍巖地質層的特點也比較突出，包括：較低的土質強度、巖石和土質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，主要是受風化、地質運動、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。在軟弱圍巖地質條件下進行隧道工程施工，就需要用到臺階法的施工技術，本文便是圍繞臺階法的隧道施工技術，就其拱腳穩定性及其控制技術進行探討。

一、關于臺階法隧道施工技術

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階法。要知道我國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突出，而在這些隧道施工形式中，圍巖地質的不同決定著其最終的施工方法，依據對通常需要隧道建設的地形進行分析可以發現，臺階法仍然是應用最多的隧道施工技術。

在臺階法隧道施工技術的應用過程中，常常會由于軟弱圍巖地質條件的影響出現工程變形的情況，這些變形主要分為拱腳收斂變形及拱腳沉降變形兩種，當然，有時候也把這兩種變形稱為水平變形和豎向變形。其實，拱腳收斂變形情況目前已經得到廣泛關注，大量針對其進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質量的衡量標準之中。與之相比，拱腳沉降變形引起的關注度就相對較弱了一點，但總體來說，也越來越受重視。

目前我國交通基礎設施的建設工作正隨著我國經濟社會的快速發展備受關注，國家不僅加大了對其建設的力度，更是在大力發展交通基礎設施建設的過程中，逐步吸收了更多的軟弱圍巖隧道工程進入到了交通路網系統中。在這種情況下，軟弱圍巖地層上進行的隧道建設工程就成為了業界學者的重點研究對象。尤其是臺階法的隧道施工技術，針對其弊端學者們進行了大量研究工作，就連豎向變形問題也逐漸被重視起來。目前取得的研究成果還是很顯著的，可在具體問題上的應用于解決能力還是不夠，這么一來，我們不得不進一步對其做深入探討，真正了解并有效改進臺階法隧道施工技術。

二、臺階法工藝特點以及工藝流程

（一）工藝特點

經過施工實踐可以發現在軟弱圍巖隧道中施工最適用的是臺階法施工工藝，而且現今這項技術在我國的軟弱圍巖隧道施工中已經成為其中的核心技術。通過研究臺階法施工工藝并結合傳統的施工工藝，發現臺階法施工工藝具有以下幾種特點。首先是臺階法施工工藝相比于傳統的工藝來說，臺階法施工工藝可以實現多個層面的平行工作，并且在初期的施工當中支護工序施工空間大而且操作也十分的便捷，可以保證機械化施工的快速推進。然后臺階法施工工藝有很強的適應性，在不同的地形和環境中都能進行有效的工作，例如復雜的圍巖結構、變化的軟硬圍巖等一些復雜的環境中都可以進行工作。其次還有臺階法施工工藝不需要做臨時支護，這樣便可以很好的避免了在施工完成后對臨時支護拆除時發生的安全隱患。并且臺階法施工工藝的成本較之其他傳統的施工工藝的價錢來說是很低的，這一點主要體現在購買臨時材料以及施工設備所用到的資金上。最后臺階法施工工藝的施工效率比較其他傳統施工工藝是比較快的，這點對于一些對要求施工期限比較緊的工程十分有利。

（二）工藝流程

臺階法施工工藝是現今在軟弱圍巖隧道施工中的核心技術，其中的工藝流程是首先把隧道開挖階段的作業面劃分成六個開挖面，就是在前后六個開挖面區分開后實行平行施工，然后實施同時分部支護到一個整體，用這樣的方法來實現縮減施工的循環時間以及作業縱深方向的逐漸推進。

三、對臺階法拱腳沉降（豎向）變形的分析

（一）擠出效應造成的整體沉降

擠出效應可以造成整個斷面的沉降。在實際的施工過程中，可以遵循圍巖特有的力學特性，并且在施工路徑下的軟弱圍巖還會分為不同的層級，也就是Ⅳ這一層級以及Ⅴ這一個層級。在Ⅴ這一個層級里進行施工，上下會帶有相互銜接的掌子面，并且還會出現十分清晰的擠出變形形態。如果說除去圍巖中特有的一些扭曲狀態不說，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帶動整個工程真會下沉的傾向。但是在上半個斷面中造成的整體下沉中，并且對建構中的隧道來說，也會造成一些偏多的下陷。也是因為如此，在上臺階的這一段施工區域都要保持著偏短的長度。并且在進行施工的過程中，對掌子面特有的擠壓扭曲現象和特有的整體沉降現象也能忽視。

（二）缺失剛度造成的支護沉降

在采用臺階法進行隧道施工的時候，一旦基底的荷載剛度有所缺失的話，就會造成拱腳沉降里的支護沉降。在臺階法隧道建設施工中，需要嚴格按照施工前就設定好的指引進行工作，注意由于剛性缺失而造成的支護沉降問題，將底層的支護構架進行良好的銜接，減少支護沉降發生的概率。另外，當支護構架產生向下的位移分量時，就要格外注意拱腳的荷載問題。隨著工程進行，施工中的挖掘工作會導致支護所承受的軟弱圍巖荷載會持續增加。

（三）下臺階挖掘流程造成的沉降

上臺階支護構架在下臺階的挖掘過程中往往會出現一段時間內的懸空狀態，這中情況主要是由于下臺階的挖掘流程造成的，通常在這個時候，施工中的拱腳也會與支護架構一起下陷，形成沉降。為了緩解因這一現象發生而對工程造成的危害，一般在隧道施工中會選擇預設下側支護，以便減少支護構架懸空的時間。事實上，下臺階拱腳下沉在工程施工中是很難忽略的問題。

（四）選取出來的施工技術

軟弱圍巖的地質條件本身就對隧道施工工程的影響較大，而施工現場選擇采用的施工工藝也會進一步影響建設質量，對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，總會在一些細節方面使拱腳發生下沉，例如掌子面中的擠出變形、支護構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，還有一些施工技術的細節也會影響拱腳沉降，同樣需要重視。

總結：

總而言之，采用臺階法進行的軟弱圍巖地質層隧道施工建設中，如果不對其技術方法進行有效控制的話，工程施工中就很容易出現拱腳變形現象，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量和效率，為日后的行車安全帶來隱患。本文對軟弱圍巖隧道臺階法施工中拱腳穩定性及其控制技術進行的探討就是為了研究其防范措施，提高隧道施工的質量。

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