軟巖隧道臺階法與全斷面(含仰拱)法施工比較研究
——以成蘭鐵路平安隧道為例

鮮 國

(成蘭鐵路有限責任公司， 四川 成都 610036)

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軟巖隧道臺階法與全斷面(含仰拱)法施工比較研究
——以成蘭鐵路平安隧道為例

鮮 國

(成蘭鐵路有限責任公司， 四川 成都 610036)

以成蘭鐵路平安隧道軟巖段施工為背景，采用數值模擬、理論計算和現場試驗等方法對全斷面(含仰拱)法和臺階法施工時的圍巖變形、初期支護受力及施工組織等方面進行比較分析，結果表明： 上下臺階法相比全斷面(含仰拱)法開挖圍巖要穩定，但全斷面(含仰拱)法開挖累計變形量更小； 2種方法開挖產生的剪切、拉伸破壞區的范圍大小相近，均能滿足結構安全的需要，而全斷面(含仰拱)法的施工質量比上下臺階法易于控制； 全斷面(含仰拱)法在人員投入和施工進度等方面明顯優于上下臺階法。

軟巖隧道； 千枚巖； 臺階法； 全斷面(含仰拱)法； 施工組織

0 引言

軟巖隧道的施工效率是當前隧道工程界關注的問題，開挖方法則是決定軟巖隧道施工效率的關鍵因素之一。目前，隧道施工過程中遇到軟巖一般采用臺階法或其他分部的開挖方法，這些開挖方法在軟巖隧道的施工中起到了重要的作用，并且隨著我國隧道建設的快速發展得到完善。但由于受工序銜接和作業空間等因素的限制，工效依然不高[1-2]。全斷面開挖法具有工序銜接較少、作業空間相對較大、施工速度較快等優點，但出于安全考慮，往往不被應用在軟巖隧道施工中。為了實現軟巖隧道全斷面開挖，采取超前預加固掌子面和改進TBM性能等措施。掌子面超前預加固的全斷面開挖工法主要應用在掌子面不能自穩和圍巖大變形的條件，施工效率依然較低[3-4]。由于斷面和地質適應性的問題，改進TBM性能的全斷面法的使用也受到限制[5]。如何在開挖后有一定自穩能力的軟巖隧道中實現全斷面開挖就成為隧道工程界關心的問題，并不斷進行嘗試[6-12]。根據成蘭鐵路平安隧道實際的圍巖條件和工程進度需要，提出帶仰拱一次開挖的全斷面開挖方法，即全斷面(含仰拱)法，并在平安隧道2#橫洞對應的正洞左、右線同時采用全斷面(含仰拱)法和上下臺階法進行試驗性的施工，從圍巖變形、初期支護受力及施工組織等方面進行比較分析。

1 工程概況

平安隧道是成蘭鐵路成都至川主寺段站前工程的控制工程，位于茂縣境內。隧道分修，左線全長28.426 km，右線全長28.4 km，線間距約30 m，設計時速200 km/h。平安隧道設6個橫洞、2個斜井，采用鉆爆法施工。平安隧道2#橫洞工區對應為左線ZD8K154+925～ZD8K160+590、右線YD8K155+327～YD8K160+588，斷面大小約80 m2。該段埋深為50～1 700 m，以Ⅳ級圍巖為主。砂巖夾千枚巖、灰巖、礫巖，施工揭示圍巖為絹云千枚巖，巖體片理面和隧道走向呈80～90°夾角，圍巖節理發育，較破碎—破碎，呈灰色、灰黑色。平行飽和抗壓強度為5 MPa，垂直飽和抗壓強度為19 MPa，屬軟巖或較軟巖，裂隙、結構面可局部滲水，呈無線狀流水，巖石外觀見圖1。

(a) 干燥狀態下

(b) 濕潤狀態下

在正交偏光顯微鏡和掃描電鏡下巖樣形態見圖2。正交偏光顯微鏡顯示有細小絹云母連續定向分布，顯微片狀變晶結構，千枚狀構造；掃描電鏡顯示絹云母細鱗片狀集合體定向均勻分布。

(a) 正交偏光顯微鏡下巖樣形態

(b) 掃描電鏡下巖樣形態

2 上下臺階法與全斷面(含仰拱)法數值模擬比較分析

2.1 計算模型

平安隧道設計支護參數見表1，模擬采用摩爾-庫侖模型，大小取開挖斷面的8倍，綜合設計、現場點荷載試驗對有限元計算模型中圍巖參數取值，數值計算參數見表2。

表1 支護參數

表2 數值計算參數

上下臺階法開挖模擬過程見圖3(參照現場施工時上下臺階的分界線)： 上臺階開挖及初期支護施作—下臺階開挖及初期支護施作—仰拱開挖及初期支護施作—仰拱填充； 全斷面(含仰拱)法開挖模擬過程見圖4： 斷面開挖及拱墻初期支護施作—仰拱初期支護施作—仰拱填充。

(a) 上臺階開挖及初期支護施作

(b) 下臺階開挖及初期支護施作

(c) 仰拱開挖及初期支護施作

(d) 仰拱填充

(a) 斷面開挖及拱墻初期支護施作

(b) 仰拱初期支護施作

(c) 仰拱填充

2.2 位移結果分析

對模擬結果進行提取，得出上下臺階法和全斷面(含仰拱)法的水平位移和垂直位移，見圖5和圖6。忽略上臺階開挖后初期支護尚未施作部分的位移，使同一位置的位移監測數據和計算數據可以相互印證。位移計算結果和實測結果對比見表3。

從表3的統計結果來看，2種開挖方法的計算結果均大于實測結果(平均值)，這主要是由于監控量測點是在隧道出碴完畢后埋設，前期數據丟失所致。但計算結果與實測結果較為吻合，且均能滿足設計預留變形量的要求，而全斷面(含仰拱)法累計變形量更小。

2.3 剪切、拉伸區計算結果分析

上下臺階法開挖時隧道圍巖剪切、拉伸破壞區的計算結果見圖7。

(a) 上下臺階法

(b) 全斷面(含仰拱)法

Fig. 5 Comparison befween nephograms of horizontal displacement (m)

(a) 上下臺階法

(b) 全斷面(含仰拱)法

Fig. 6 Comparison befween nephograms of vertical displacement (m)

表3 位移計算結果和實測結果對比

Table 3 Comparison between numerical simulated displacement and site monitoring results

開挖方法拱頂沉降/mm計算結果實測結果(平均值)水平收斂/mm計算結果實測結果(平均值)上下臺階法25.624.73625.0全斷面(含仰拱)法18.017.12717.9

(a) 上臺階開挖

(b) 下臺階開挖

(c) 仰拱開挖

(d) 仰拱填充

Fig. 7 Distributions of shear zones and tensile failure zones of tunnel constructed by top heading and bench method

由圖7可知： 隨著下臺階的開挖，圍巖剪切、拉伸破壞區均有所增大，而仰拱開挖和填充時的剪切、拉伸破壞區增加不明顯，這主要是由于上臺階開挖面積占總開挖面積比例過大的原因。

全斷面(含仰拱)法開挖時圍巖剪切、拉伸破壞區的計算結果見圖8。

(a) 全斷面開挖

(b) 仰拱填充

Fig. 8 Distributions of shear zones and tensile failure zones of tunnel constructed by full-face method

由圖8可知： 全斷面(含仰拱)法開挖時的剪切、拉伸破壞區是由斷面開挖一次形成的，施作仰拱初期支護和填充仰拱對圍巖剪切、拉伸破壞區的分布影響不大。

對比圖7和圖8可知： 2種方法開挖時剪切破壞區大小基本一致，均在1倍洞徑范圍內； 全斷面法開挖時邊墻部位的拉伸破壞區略大于上下臺階法，這主要是由于模擬過程中沒有考慮爆破的二次擾動造成的。

盡管2種方法產生的剪切、拉伸破壞區的范圍大小相近，但由于全斷面(含仰拱)法開挖時圍巖臨空面大，洞周圍巖相比上下臺階法開挖易產生局部掉塊； 因此，上下臺階法比全斷面(含仰拱)法開挖要穩定。在斷面開挖完成后要及時初噴，現場試驗表明，采用濕噴機械手對全斷面(含仰拱)法開挖隧道進行初噴能夠保證開挖洞室的穩定。

2.4 初期支護內力及安全系數計算結果分析

初期支護結構的安全性也是決定開挖方法的重要因素。為了對比2種開挖方法下初期支護結構的安全性，提取隧道周邊相應位置的軸力和彎矩計算結果。以圖9中A點位置為橫軸的0點，逆時針依次展開，繪制隧道周邊初期支護結構的軸力和彎矩(初期支護臨巖面受拉時彎矩為正，臨空面受拉時彎矩為負)，結果見圖10和圖11。

圖9 初期支護軸力和彎矩提取參照圖

Fig. 9 Reference view of axial force and bending moment of primary support

圖10 初期支護軸力圖

圖11 初期支護彎矩圖

由圖10可知： 2種方法開挖的最大軸力均出現在拱頂，且大小相近；在拱腰以下部位，全斷面(含仰拱)法開挖隧道的初期支護軸力大于上下臺階法； 在仰拱部位，2種開挖方法的軸力大小相近，這主要是由于2種開挖方法的仰拱初期支護均是在上部支護結構完成后才施作的原因。

由圖11可知： 在拱部，上下臺階法開挖的彎矩絕對值明顯大于全斷面(含仰拱)法； 在邊墻部位，全斷面(含仰拱)法開挖初期支護產生的彎矩大于上下臺階法； 在仰拱部位，2種開挖方法的彎矩大小一致。

從軸力和彎矩的計算結果來看，初期支護結構均為彎壓構件。為了判斷2種開挖方法條件下初期支護結構的安全性，安全系數參照《鐵路隧道設計規范》中彎壓構件計算方法進行計算[13]。

K=φαRbh/N。

式中：K為安全系數；φ為構件的縱向彎曲系數，對于隧道襯砌、明洞拱圈及墻背緊密回填的邊墻，可取為1；α為軸向力的偏心影響系數；R為混凝土或砌體的抗壓極限強度；b為截面的寬度；h為截面的厚度；N為軸向力。

安全系數計算結果見圖12。

圖12 初期支護安全系數分布

由圖12可知，2種開挖方法的安全系數計算結果均能滿足初期支護結構安全的需要。現場調查表明，在2種方法施工過程中，支護結構均未出現異常，但由于臺階法上臺階的支護結構施作先于下臺階，受開挖和變形等影響，易造成上下臺階交接部位不圓順，改變初期支護結構的受力狀態。

通過建立有限元模型，對比上下臺階法和全斷面(含仰拱)法開挖隧道洞周位移，剪切、拉伸破壞區大小，以及初期支護結構的安全系數得出以下結論：

1)上下臺階法和全斷面(含仰拱)法開挖均能滿足設計預留變形量和結構安全的需要。

2)相對于上下臺階法，全斷面(含仰拱)法開挖洞周圍巖易產生局部掉塊，但可通過濕噴機械手初噴1層素混凝土來保證施工的安全。初噴使混凝土顆粒及漿液嵌入圍巖裂隙，在圍巖之間形成連續拱效應，從而有效控制拱墻掉塊現象。

3 現場監控量測數據對比分析

選擇平安隧道地質條件相似的左線ZD8K157+160～200段和右線YD8K157+165～205段，每10 m一間隔共取5個斷面比較2種開挖方法的拱頂沉降和水平收斂情況，斷面分別編號為1、2、3、4、5。2種開挖方法條件下拱頂下沉和水平收斂情況見圖13。

(a) 拱頂下沉

(b) 水平收斂

由圖13可知： 全斷面(含仰拱)法拱頂下沉和水平收斂較上下臺階法小；全斷面(含仰拱)法開挖時，最小拱頂下沉量為最大下沉量的78.4%，最小水平收斂量為最大收斂量的82.7%。采用上下臺階法開挖時，最小拱頂下沉量為最大下沉量的66.0%，最小水平收斂量為最大收斂量的66.8%，也說明全斷面(含仰拱)法施工質量比上下臺階法易于控制。

4 現場施作情況對比分析

4.1 資源投入

收集施工現場2種方法條件下1個循環不同工序的人工和設備(不計不在工序中的資源)投入情況，統計結果見表4。

由表4可知： 全斷面(含仰拱)法掌子面附近人員投入比上下臺階法少13人，由于投入先進的濕噴機械手，可使噴漿作業人員減少4人； 在設備方面，由于濕噴機械手的存在，全斷面(含仰拱)法的一次性投入大于上下臺階法，但可以有效減少作業人員。

從仰拱封閉的時間來說，上下臺階法的仰拱初期支護須在再次爆破后進行，而全斷面(含仰拱)法的仰拱無需再次爆破即可施工，可提前5～7 d封閉，能有效減少資源投入和施工干擾，同時可以降低通風資源的投入和損耗。

綜上，在人員和設備投入以及工序銜接方面，全斷面(含仰拱)法優于上下臺階法。

表4 現場人工和設備投入

4.2 施工進度

施工現場均采用每循環1 m的進尺施工，統計上下臺階法開挖50 m各工序的時間以及全斷面(含仰拱)法開挖100 m各工序的時間，然后進行加權平均得出各工序所需時間，結果見表5。

表5 各工序時間

按照表5中的各工序時間，計算2種開挖方法的月進度，上下臺階法可以實現每月64 m的進尺，而全斷面(含仰拱)法可以實現每月96 m的進尺。因此，全斷面(含仰拱)法在施工效率上具有明顯的優勢。

5 結論與建議

1)相對于上下臺階法，全斷面(含仰拱)法開挖圍巖累計變形量更小，且拱架安裝整體質量易于控制。

2)在圍巖穩定性方面，2種方法均能滿足安全的要求，但上下臺階法優于全斷面(含仰拱)法。采用濕噴機械手對全斷面(含仰拱)法開挖隧道進行初噴，能夠保證開挖洞室的穩定。

3)全斷面(含仰拱)法更適用于投入較多大型設備的情況，可通過減少單個工序的時間來提高施工進度，降低其他費用。

4)全斷面(含仰拱)法的地質適用性尚待進一步深入研究，建議在施工經驗豐富的情況下選用。

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Comparison between Bench Method and Full-face Method for Ping’an Soft Rock Tunnel on Chengdu-Lanzhou Railway

XIAN Guo

(Chengdu-LanzhouRailwayCo.,Ltd.,Chengdu610036,Sichuan,China)

Comparison between bench method and full-face method (including invert arch) for soft rock section of Ping’an Tunnel on Chengdu-Lanzhou Railway is made in terms of surrounding rock deformation, primary support stress and construction organization by using numerical simulation, theoretical calculation and site test. The study results show that: 1) The stability of surrounding rock of tunnel constructed by bench method is superior to that constructed by full-face method; and the accumulated deformation of tunnel constructed by full-face method is smaller than that constructed by bench method. 2) The sizes of shear zone and tensile failure zone of tunnel constructed by 2 methods are almost the same. The construction quality of tunnel constructed by full-face method is easier to control. 3) The full-face method is superior to bench method in terms of labor and construction schedule.

soft rock tunnel; phyllite; bench method; full-face method (including invert arch); construction organization

2016-07-08;

2016-11-03

鮮國(1965—)，男，四川渠縣人，1983年畢業于蘭州交通大學，鐵道工程專業，本科，高級工程師，主要從事鐵路工程建設技術管理工作。E-mail: 673446056@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.11.003

U 45

A

1672-741X(2016)11-1302-08