軟弱圍巖大斷面隧道臺階法施工技術研究

左明+左茜+余紅燏

摘要： 以軟弱圍巖大斷面隧道三臺階七步開挖方法為研究對象，利用有限元模擬技術，重點研究了在擬定施工方案時較為關心的臺階長度、上臺階高度和開挖進尺三個關鍵因素通過工況之間的組合來尋求對于隧道施工較為理想的施工組織方案。結果表明在單因素和綜合因素組合工況下，均可得到在特定施工環境中最為綜合的有利施工方案，可為類似工程提供思路。

關鍵詞：軟弱圍巖；大斷面隧道；臺階法

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.14.102

1引言

隨著我國各類交通運輸事業的持續發展，鐵路和公路發展已經成為重要的經濟支撐條件，這也伴隨著大量的公路、鐵路隧道的修建工程需要，也面臨著隧道修建過程中隧道跨度長、地質條件復雜、斷面大等工程問題。在隧道施工中如果遇到對開挖敏感、凈空斷面積大、周圍圍巖軟弱等條件時，隧道施工將面臨更大的難題，由此導致的事故已經屢見不鮮。隨著對運力要求的提高，100m2以上大斷面鐵路隧道數量已經很多，部分專線鐵路隧道開挖面積甚至超過150m2的。因此隧道大斷面的趨勢已經很明顯，對軟弱圍巖地質條件下的大跨度和大斷面的隧道施工技術成當前隧道施工的研究難點和熱點之一，對其進行研究具有重要的現實意義。

對于這類軟弱圍巖大斷面隧道施工問題，國內施工方法主要有“三臺階七步開挖法”、CRD法、單側壁導坑法和雙側壁導坑法等，其中三臺階七步開挖法在國內的軟弱圍巖大斷面隧道施工中的應用最為廣泛。本文的研究也針對這一普遍應用的方法，對其進一步展開研究，主要針對在三臺階七步開挖法的參數的優化方法研究，其目的在于對三臺階七步開挖的部分施工參數進行分析和優化，尤其是從隧道力學效應和隧道變形的角度來研究施工參數范圍，探索提升這一施工技術適應性的可能性。

2軟弱圍巖大斷面隧道力學特點分析

目前對大斷面隧道的劃分標準主要依據國際隧道協會的標準50-100m2或日本標準100-120m2，二者存在一定的差異，但無論哪種劃分方式，其基本特征是隨著隧道開挖面積的增大而導致施工難度急速上升，對隧道的支護技術提出了非常高的要求，尤其是在大斷面隧道的超前支護和初期支護方面。隨著隧道開挖面積的增大，開挖底部轉角處的應力集中現象更加明顯，對地基的承載力也提出了更高的要求，與此同時也會伴隨著松弛荷載增大，提高了形成拱效應的條件，需要有更大的埋深。

在圍巖方面，軟弱圍巖主要是指具有顯著塑性變形的復雜巖石力學介質，其定義尚未統一，但主要特征基本一致，即表現為圍巖軟弱松散，具有較高的地應力，圍巖強度較低，風化程度較高容易發生變形以及長期流變等。當前國內鐵路系統一般把IV級一下的圍巖定義為軟弱圍巖，在這類劃分標準下，軟弱圍巖一般都具有質地軟，裂隙節理發育程度高、承載能力低等特點，巖體破碎松散，巖體之間粘結力很差，容易發生塑性變形而擠壓洞室、不容易形成拱、容易發生坍塌、滑移、墜落等事故。

3三臺階七步開挖法控制性參數

三臺階七步開挖法施工的參數控制主要有兩類，一是開挖施工的尺寸參數，二是開挖施工的材料參數。其中開挖施工的尺寸參數主要指指隧道開挖的進尺、臺階高度/長度、核心土寬度、左右臺階錯距等。這類參數主要控制的隧道開挖過程中的支護受力情況，另一方面也會間接決定支護材料的參數。在施工材料參數方面，主要是是初步支護、二襯混凝土型號、鋼拱架型號、注漿以及錨桿等。

上述參數將直接決定工程造價和工期，因此合理的選擇這些參數對于這類隧道施工具有重要意義。為提高針對性，本文中主要針對上述參數中的臺階高度、臺階長度作為主要參數展開。

4臺階長度的影響

在三臺階七步開挖法施工中的臺階長度參數是關鍵參數之一，會對隧道收斂、縱向受力、拱架受力、錨桿受力等多個方面造成影響，臺階太長或太短都對隧道的穩定和施工造成困難。但顯然在不同的臺階長度范圍內會存在相對較為理想的長度范圍，對不同的臺階長度進行模擬計算再比較關鍵參數進行評估后可得到較為理想的臺階長度范圍。本文中取某地鐵路隧道資料，利用有限元方法進行數值模擬計算，模擬時臺階高度取4m，開挖進尺取0.8m，其他施工參數不變，對臺階的長度按等步長0.8m從2.4m～7.3m模擬7種工況，對模擬結果主要選擇沉降收斂、初噴混凝土第一主應力、拱架與鎖腳錨管最大壓應力共4類參數進行分析比較。

模擬結果表明，臺階長度隨著長度增加，拱腳相對位移最大值也隨之增大，主要增量來自于上臺階拱腳，其相對位移和區域均呈現出增大趨勢。掌子面變形值隨臺階長度增加而不斷減小。掌子面附近混凝土最大拉應力呈現出先變小后變大的趨勢。而在拱腳和鎖腳錨管拉應力方面，其最大應力均呈現出變大趨勢。總體而言，在隧洞斷面各方面位移及受理不太大的情況下，臺階長度在4m～6m是一個較為平衡的施工方案。

5臺階高度的影響

三臺階七步開挖方法把整個隧道的凈空高度分為四個部分，其中最重要度隧道影響最大的是上臺階高度，這是三臺階七步開挖方法的關鍵參數之一，對掌子面的穩定和初期支護受力有重要影響。本部分的分析中以上臺階高度為變量，從3m～6m，以0.5m為步長，上核心圖高度取做7種工況進行數值模擬，臺階長度取4.8m，開挖進尺取0.8m。對上述各類工況仍按有限元法進行數值模擬，取模擬結果中隧道個方向位移、初噴混凝土最大拉應力、拱架和鎖腳錨管的最大壓應力作為判別指標，從中找出合理的上臺階高度范圍。

模擬結果表明，隨著臺階高度的增加各工況下的水平方向拱腳相對位移值呈現出減小趨勢，拱頂沉降相對穩定受影響不大。而掌子面擠出變形值先小后大，臺階高度達到6m后容易出現掌子面的坍塌。初噴混凝土第一主應力隨著臺階高度的增加而減小。拱架最大應力變化基本穩定，鎖腳錨管最大應力單調減小。綜合而言臺階高度在4.5～5.5m能較好的綜合各方面因素，讓隧道變形和受力狀態均在較為理想的低水平范圍。

6組合施工參數規律

本小節在臺階長度和高度的模擬基礎上，進一步拓展到開挖進尺方面，分別以不同的開挖進尺，取08m、10m、12m三個值，上臺階高度取值范圍4.5m、5m、5.5m，臺階長度取4m～6m。以上上述參數進行綜合模擬，取模擬結果中的隧洞各方向位移、初噴混凝土第一主應力和鋼拱架以及鎖腳錨管最大壓應力值作為主要判別指標。

綜合各類參數的組合后得到的主要規律如下：在臺階高度和臺階長度的基礎上加入開挖進尺這一參數后，將直接影響工程的工期及造價，在相同上臺階高度條件下，隨著開挖進尺的增加，隧道斷面在X和Y方向的位移均呈現出增加趨勢，在Z軸方向的位移值基本穩定略減小，與此同時初噴混凝土的第一主應力也隨著開挖進尺的增加而減少，于此相反的是鋼拱架和鎖腳錨管最大主應力隨著開挖進尺的增加而不斷增大。因此從總體上看，開挖進尺的增加對隧道的整體位移和受力特性是呈現出不利的變化趨勢。總結而言，隨著開挖進尺的增加隧道水平位移和拱頂沉降會加大，這必然導致鋼拱架也鎖腳錨管的最大壓應力相應增加，但也有會使得掌子面位移和混凝土應力減小，因而上臺階的高度的增加對于提高開挖進尺有利。綜合各類工況組合時，篩選出的較為理想的施工組合方案有2種：（1）上臺階高度5.5m，開挖進尺1m，（2）上臺階高度5m，開挖進尺1m。

7結論

本文提出的臺階施工法中工況組合方法可為類似軟弱圍巖大斷面隧道施工提供思路參考，可通過臺階長度、上臺階高度和開挖進尺的模擬組合得出對于工程施工綜合最有利的施工方案。

參考文獻

[1]夏潤禾.軟弱圍巖大斷面鐵路隧道大拱腳臺階法施工技術研究[J].鐵道標準設計，2010，（04）.

[2]黃蓉.軟弱圍巖大斷面隧道三臺階施工力學機理分析[J].公路交通科技（應用技術版），2011，（04）.

[3]鄒成路，申玉生，靳宗振等.軟弱破碎圍巖大斷面隧道臺階法施工幾何參數優化分析[J].公路工程，2013，38（2）：2731，35.