臺階法施工技術在高速鐵路隧道施工中的應用

劉磊

（中鐵十六局集團 第二工程有限公司，天津市 300162）

臺階法施工技術在高速鐵路隧道施工中的應用

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。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性合格的難度也在增加。正確的施工方案是確保工程保質保量完成的關鍵。為使臺階法施工技術可以廣泛應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，用模擬數值及現場測試的方式研究分析臺階法施工技術。

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因隧道結構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，使工程質量和施工過程中的安全得不到保障，因此應用較少。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，使圍巖結構保持穩定，再加上施工過程中投入人力少，所以組織難度小，工程質量和施工安全性也容易得到保障，因此臺階法施工技術得到廣泛應用，可以使隧道施工保質保量完成。

1 數值模型

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。現場調研勘察后，數值模型取 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的節理間距。節理面接觸-庫侖滑移模型和莫爾-庫侖本構模型分別應用在節理結構面和隧道洞內周圍巖體。根據實驗報告顯示下列巖石噴混凝土接觸面和巖物理學參數：抗拉和黏結強度及黏聚力同為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行為

應用于隧道建模的MIDAS/GTS有限元軟件是本次施工中采用的分析施工力學行為的軟件。選取厚度及強風化厚度分別為5 m和20 m的實際斷面作為工程樣本[1]。設置模型尺寸：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長度同為5 m；豎直向上長度為與地表的距離。

設置模型開挖深度為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。為使圍巖穩定性增強，提高20%內聚力，并使用小導管（通過使圍巖參數提高發揮小導管作用）超前注漿施工。圍巖在模型中參數應設置為IV級，這是因為使用小導管超前注漿施工后圍巖穩定性會得到提高。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）掌子面擠出位移因將臨時支撐拆除變為中隔壁交叉法后發生比較大的變化。

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

（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為中隔壁交叉法，會導致施工面和施工干擾增大，而且作業速度和安全性也會減小。除此之外，圍巖應力因施工干擾會破壞以前的力學平衡，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的問題。具體體現在以下方面：一是在許多作業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，便于根據現場情況隨時調整施工方案，還可避免拆除臨時支撐，在節約資源的同時保障了工程按時結束。

3 臺階法施工過程變形規律

3.1 位移分布特征

模型開挖會導致隧道應力狀態破壞，由位移云圖可發現，隧道經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，主要為向洞內收斂的水平位移，如果出現大于12 mm的水平位移，洞室開挖外5 m范圍則會受到影響，由于這些區域大多是三心圓隧道圓弧過渡區，所以水平位移會因為應力集中現象出現而發生較大變化；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理分布的影響，會出現不對稱現象。

3.2 位移變化規律

（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力下的平衡，使得巖體拱頂處于高地應力區卸荷條件，進而使拱頂處徑向和切向應力分別減小和增大，導致巖體更容易被破壞[2]。隧道成拱因受斷層橫穿和節理分布的干擾，變形沉降量大，所以效果較差，但洞頂質點位移由于設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定變化。

圖1 開挖步對拱頂監測點沉降影響的變化曲線

（2）分析圖2可知，圖中數據呈現出先增大再減小的趨勢，表現了隧道左右兩側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，開挖臨空面與監測點相距較遠，所以監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生臨空面，洞周巖體也因釋放了應力而發生卸荷回彈現象。洞周兩側圍巖在封閉仰拱前出現內收斂水平位移，這是由于隧道圍巖側壓力過大，拱腳巖體無法承擔，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力，這樣就可使隧道擁有較為穩定的形變。最后左側拱腳因軟巖隧道橫穿斷層而弱化了圍巖承載力，所以會出現較大的水平位移。

圖2 開挖步對拱腳監測點水平位移影響的變化曲線

4 現場數值模擬測試

隧道數值測試計算段，設置參數相同的為埋深深度和圍巖條件。測試現場拱頂下沉、水平收斂、地表沉降、圍巖-初支接觸壓力及錨桿軸力這5項數據需要監控。比較圖3結果可分析出下列幾項結論：

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

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

（4）拱頂到拱腳的壓力值因初支被開挖后的圍巖擠壓而出現向下增大的現象。拱腳和拱頂的接觸壓力值分別為最大和最小，左右拱腳壓應力分別為1.00 MPa和0.29 MPa，明顯可以看出左拱腳壓應力比較異常，進一步證明圍巖結構穩定性可以通過錨桿的使用加強。

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

（6）現場實測與數值模擬數據差值應小于8%。

5 結論

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空間足夠大，滿足大型機械設備施工條件，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，它的上下部作業時會有干擾，下部作業時會對上部穩定性產生影響，但其對圍巖的擾動次數并不多，仍然能保證圍巖的結構穩定性。

[1]方克軍.高鐵隧道臺階法開挖施工技術及控制措施 [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%鄉鎮將通達三級及以上公路

近日，《福建省“十三五”交通精準扶貧建設專項規劃》發布。規劃提出，通過精準扶貧、精準發力，到2020年，98%鄉鎮將通達三級及以上公路，建成39座陸島碼頭、90個鄉鎮綜合運輸服務站項目。屆時，交通基礎相對較弱的建寧、寧化等53個重點支持縣，將全面建成“外通內聯、通村暢鄉、海島便捷、安全舒適”的交通運輸網絡。

“十三五”期間，實行“一島一議”推進海島交通運輸精準扶貧項目建設。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、輪渡配套、道路運輸等交通扶貧項目。

為促進各地加快建設，省交通運輸廳給予專項支持。對按三級及以上標準實施的晉級建設項目，按三級公路補助標準執行，省級最高給予180萬元/km補助。對省級扶貧開發重點縣的農村公路晉級建設項目，根據建設標準不同，按60萬元/km～120萬元/km的標準予以補助。

陸島碼頭項目方面，省級按項目初步設計概算總投資的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，按初步設計概算的3%給予獎勵。鄉鎮綜合運輸服務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、30萬元標準給予補助。

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工作。