臺階法施工技術(shù)在高速鐵路隧道施工中的應(yīng)用

劉磊

（中鐵十六局集團 第二工程有限公司，天津市 300162）

臺階法施工技術(shù)在高速鐵路隧道施工中的應(yīng)用

劉磊

（中鐵十六局集團 第二工程有限公司，天津市 300162）

高速鐵路隧道一般選擇單洞雙線的斷面，影響選擇隧道斷面的因素是隧道空氣動力學(xué)。施工過程中，增大開挖淺埋隧道斷面的同時，安全性的保障和技術(shù)性合格的難度也在增加。正確的施工方案是確保工程保質(zhì)保量完成的關(guān)鍵。為使臺階法施工技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于高速鐵路隧道施工，舉例研究了某高速鐵路淺埋隧道工程，用模擬數(shù)值及現(xiàn)場測試的方式研究分析臺階法施工技術(shù)。

隧道施工；臺階法；初期支護；位移分布

0 引言

隧道工程的施工技術(shù)因隧道結(jié)構(gòu)的不同可分為分部開挖法和臺階開挖法兩種。分部開挖法的施工組織難度大，因多分部開挖的施工現(xiàn)場無法滿足大型機械的工作要求，所以要加大人力投入，使工程質(zhì)量和施工過程中的安全得不到保障，因此應(yīng)用較少。臺階開挖法則相反，此施工方法可以極大減少圍巖擾動開挖次數(shù)，使圍巖結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，再加上施工過程中投入人力少，所以組織難度小，工程質(zhì)量和施工安全性也容易得到保障，因此臺階法施工技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，可以使隧道施工保質(zhì)保量完成。

1 數(shù)值模型

分析彈塑性理論可知，隧道開挖的建立會使周圍3～5倍洞徑的巖體受到影響。現(xiàn)場調(diào)研勘察后，數(shù)值模型取 50 m×50 m的計算范圍，取150°和30°的對位傾角交叉分布及1 m和2 m的節(jié)理間距。節(jié)理面接觸-庫侖滑移模型和莫爾-庫侖本構(gòu)模型分別應(yīng)用在節(jié)理結(jié)構(gòu)面和隧道洞內(nèi)周圍巖體。根據(jù)實驗報告顯示下列巖石噴混凝土接觸面和巖物理學(xué)參數(shù)：抗拉和黏結(jié)強度及黏聚力同為1 MPa，剪切和徑向剛度同為1 GPa，圍巖為V級，泊松比0.3，彈性模量2.2 GPa，密度2 500 kg/m3。

2 采用大拱腳臺階法施工的力學(xué)行為

應(yīng)用于隧道建模的MIDAS/GTS有限元軟件是本次施工中采用的分析施工力學(xué)行為的軟件。選取厚度及強風(fēng)化厚度分別為5 m和20 m的實際斷面作為工程樣本[1]。設(shè)置模型尺寸：縱向和豎直向下的長度分別為50 m和70 m；隧道輪廓線與橫向左右兩側(cè)長度同為5 m；豎直向上長度為與地表的距離。

設(shè)置模型開挖深度為20 m，是因開挖深度會對縱向、橫向和豎向位移有所影響，至于剩下的作為其他方面使用。模型有自由和法向面約束兩個邊界。為使圍巖穩(wěn)定性增強，提高20%內(nèi)聚力，并使用小導(dǎo)管（通過使圍巖參數(shù)提高發(fā)揮小導(dǎo)管作用）超前注漿施工。圍巖在模型中參數(shù)應(yīng)設(shè)置為IV級，這是因為使用小導(dǎo)管超前注漿施工后圍巖穩(wěn)定性會得到提高。開始時使用桁架和殼單元模擬分別作為錨桿和支護。

（1）雖然大拱腳臺階法在如地表沉降、水平收斂、隧道拱頂沉降等位移方面大于中隔壁交叉法，但是還可以接受。

（2）掌子面擠出位移因?qū)⑴R時支撐拆除變?yōu)橹懈舯诮徊娣ê蟀l(fā)生比較大的變化。

（3）使用這兩種方法出現(xiàn)的作用力不同。如初支作用力僅為拉力的是大拱腳臺階法，而有拉應(yīng)力和壓力的是中隔壁交叉法，初支受力因出現(xiàn)拉應(yīng)力而受影響。

（4）使用這兩種方法都比較安全，因為錨桿最大承載力都大于軸力。

（5）如果拆除臨時支撐變?yōu)橹懈舯诮徊娣ǎ瑫?dǎo)致施工面和施工干擾增大，而且作業(yè)速度和安全性也會減小。除此之外，圍巖應(yīng)力因施工干擾會破壞以前的力學(xué)平衡，使其形變量增大。

（6）使用大拱腳臺階法施工可以避免中隔壁交叉法施工中出現(xiàn)的問題。具體體現(xiàn)在以下方面：一是在許多作業(yè)面同時施工時依舊可以采用大型機械施工，既提升了工作效率，又確保了工程進度；二是大拱腳臺階法還可以大范圍工作，便于根據(jù)現(xiàn)場情況隨時調(diào)整施工方案，還可避免拆除臨時支撐，在節(jié)約資源的同時保障了工程按時結(jié)束。

3 臺階法施工過程變形規(guī)律

3.1 位移分布特征

模型開挖會導(dǎo)致隧道應(yīng)力狀態(tài)破壞，由位移云圖可發(fā)現(xiàn)，隧道經(jīng)迭代計算達到新平衡時：垂直方向大多以底部隆起和頂部沉降距拱底或拱頂10 m范圍的位移變化為主；水平方向位移在隧道拱腳和周圍的圓弧處，主要為向洞內(nèi)收斂的水平位移，如果出現(xiàn)大于12 mm的水平位移，洞室開挖外5 m范圍則會受到影響，由于這些區(qū)域大多是三心圓隧道圓弧過渡區(qū)，所以水平位移會因為應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)而發(fā)生較大變化；與此同時，隧道圍巖水平及豎直方向的變形場因橫穿斷層和節(jié)理分布的影響，會出現(xiàn)不對稱現(xiàn)象。

3.2 位移變化規(guī)律

（1）從圖1可知，隧道垂直方向由上而下位移變化速率逐漸減小，最后接近平衡，豎向位移占總位移變化量59.24%的階段為上臺階開挖支護階段，因為上臺階開挖打破了巖體在初始地應(yīng)力下的平衡，使得巖體拱頂處于高地應(yīng)力區(qū)卸荷條件，進而使拱頂處徑向和切向應(yīng)力分別減小和增大，導(dǎo)致巖體更容易被破壞[2]。隧道成拱因受斷層橫穿和節(jié)理分布的干擾，變形沉降量大，所以效果較差，但洞頂質(zhì)點位移由于設(shè)立的初期支護而減緩了變化率，鎖腳錨桿在開挖到中臺階時及時施加，使拱腳處豎向沉降位移得到有效控制，底部仰拱在開挖到下臺階時及時施加，也使底部豎向位移值趨于穩(wěn)定變化。

圖1 開挖步對拱頂監(jiān)測點沉降影響的變化曲線

（2）分析圖2可知，圖中數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出先增大再減小的趨勢，表現(xiàn)了隧道左右兩側(cè)拱腳位置的水平位移變化率。洞周水平收斂值在中臺階施工階段的變化率為最大，而且最后拱腳水平形變量會達到水平收斂值的80%。出現(xiàn)這樣的情況是由于上臺階階段開挖支護后，開挖臨空面與監(jiān)測點相距較遠，所以監(jiān)測點位移變化受到的影響小，進而使得洞周水平位移變化較小。拱腳部分由于中臺階開挖而產(chǎn)生臨空面，洞周巖體也因釋放了應(yīng)力而發(fā)生卸荷回彈現(xiàn)象。洞周兩側(cè)圍巖在封閉仰拱前出現(xiàn)內(nèi)收斂水平位移，這是由于隧道圍巖側(cè)壓力過大，拱腳巖體無法承擔(dān)，但只要支護襯砌和拱底仰拱伴隨開挖及時進行施工，就可以重新閉合和分布隧道輪廓及圍巖應(yīng)力，這樣就可使隧道擁有較為穩(wěn)定的形變。最后左側(cè)拱腳因軟巖隧道橫穿斷層而弱化了圍巖承載力，所以會出現(xiàn)較大的水平位移。

圖2 開挖步對拱腳監(jiān)測點水平位移影響的變化曲線

4 現(xiàn)場數(shù)值模擬測試

隧道數(shù)值測試計算段，設(shè)置參數(shù)相同的為埋深深度和圍巖條件。測試現(xiàn)場拱頂下沉、水平收斂、地表沉降、圍巖-初支接觸壓力及錨桿軸力這5項數(shù)據(jù)需要監(jiān)控。比較圖3結(jié)果可分析出下列幾項結(jié)論：

（1）隧道開挖變化影響著拱頂沉降及水平收斂的值，值越穩(wěn)定，則代表變化越均勻。

（2）地表橫向累計沉降數(shù)值結(jié)果小于實測值3 mm左右，出現(xiàn)沉降槽也符合邏輯[3]。

（3）地表縱向沉降因開挖變化而上下波動，沉降速度也逐步增大，掌子面通過20 m沉降速度又接近平穩(wěn)。

（4）拱頂?shù)焦澳_的壓力值因初支被開挖后的圍巖擠壓而出現(xiàn)向下增大的現(xiàn)象。拱腳和拱頂?shù)慕佑|壓力值分別為最大和最小，左右拱腳壓應(yīng)力分別為1.00 MPa和0.29 MPa，明顯可以看出左拱腳壓應(yīng)力比較異常，進一步證明圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性可以通過錨桿的使用加強。

（5）封閉結(jié)構(gòu)為環(huán)所并及時施作仰拱，能夠使拱頂沉降和水平收斂趨于平穩(wěn)，這樣的操作可以為進一步的施工創(chuàng)造良好條件。

（6）現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)差值應(yīng)小于8%。

5 結(jié)論

綜上所述，臺階開挖法靈活多變、適用性強，只要是軟弱地層或第4級沉積地層都可以使用臺階開挖法，此外，臺階開挖法施工作業(yè)空間足夠大，滿足大型機械設(shè)備施工條件，施工速度快，投入人力資源少，使得施工組織難度大大減小。雖然臺階開挖法也有缺點，它的上下部作業(yè)時會有干擾，下部作業(yè)時會對上部穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，但其對圍巖的擾動次數(shù)并不多，仍然能保證圍巖的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

[1]方克軍.高鐵隧道臺階法開挖施工技術(shù)及控制措施 [J].門窗，2016(4)：171-172.

[2]楊義軒.隧道下穿高速公路臺階法施工[J].山西建筑，2012(9)：203-204.

[3]嚴啟斌，許長青.隧道短臺階法施工方案研究[J].山西建筑，2009 (17)：314-315.

福建省到2020年98%鄉(xiāng)鎮(zhèn)將通達三級及以上公路

近日，《福建省“十三五”交通精準(zhǔn)扶貧建設(shè)專項規(guī)劃》發(fā)布。規(guī)劃提出，通過精準(zhǔn)扶貧、精準(zhǔn)發(fā)力，到2020年，98%鄉(xiāng)鎮(zhèn)將通達三級及以上公路，建成39座陸島碼頭、90個鄉(xiāng)鎮(zhèn)綜合運輸服務(wù)站項目。屆時，交通基礎(chǔ)相對較弱的建寧、寧化等53個重點支持縣，將全面建成“外通內(nèi)聯(lián)、通村暢鄉(xiāng)、海島便捷、安全舒適”的交通運輸網(wǎng)絡(luò)。

“十三五”期間，實行“一島一議”推進海島交通運輸精準(zhǔn)扶貧項目建設(shè)。今年，將莆田南日島、寧德崳山島和寧德三都澳島3個島嶼作為首批試點，實施公路建設(shè)、輪渡配套、道路運輸?shù)冉煌ǚ鲐氻椖俊?/p>

為促進各地加快建設(shè)，省交通運輸廳給予專項支持。對按三級及以上標(biāo)準(zhǔn)實施的晉級建設(shè)項目，按三級公路補助標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，省級最高給予180萬元/km補助。對省級扶貧開發(fā)重點縣的農(nóng)村公路晉級建設(shè)項目，根據(jù)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不同，按60萬元/km～120萬元/km的標(biāo)準(zhǔn)予以補助。

陸島碼頭項目方面，省級按項目初步設(shè)計概算總投資的25%安排配套補助。對2018年底前完成竣工驗收的陸島碼頭項目，按項目初步設(shè)計概算的5%給予獎勵；對2019年底前完成竣工驗收的陸島碼頭項目，按初步設(shè)計概算的3%給予獎勵。鄉(xiāng)鎮(zhèn)綜合運輸服務(wù)站項目分為新建項目、改造項目兩類，省級分別按每個60萬元、30萬元標(biāo)準(zhǔn)給予補助。

U455.4

B

1009-7716（2017）08-0172-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.053

2017-04-10

劉磊（1982-），男，山東濱州人，工程師，從事鐵路工程施工技術(shù)工作。