基于中條山隧道的臺階法幾何參數優化分析

鄧 濤， 劉大剛, *， 蔡閩金， 趙思光， 何 偉

(1. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031； 2. 中鐵隧道局集團有限公司勘察設計研究院， 廣東 廣州 511458)

基于中條山隧道的臺階法幾何參數優化分析

鄧 濤1， 劉大剛1, *， 蔡閩金1， 趙思光1， 何 偉2

(1. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031； 2. 中鐵隧道局集團有限公司勘察設計研究院， 廣東 廣州 511458)

為提高臺階法在軟巖條件下施工時的安全性，充分發揮其施工高效的固有優勢，以中條山隧道為工程依托對該法施工時幾何參數的選取進行優化分析。分析采取數值模擬結合現場監測數據的方法，以初期支護結構安全性、掌子面穩定性以及施工便利性作為優化選擇的依據。根據研究成果可知： 在軟巖條件下隧道采用臺階法施工時，上臺階長度控制在4～5 m時隧道初期支護結構受力合理，施工機械操作便利； 上臺階高度取值為0.6H(H為隧道高度)時能較好地兼顧隧道的施工效率以及掌子面的穩定性，但是在圍巖條件較差如Ⅴ級圍巖掌子面出水或淺埋情況下，其取值應適當提高但也不宜超過0.7H。

鐵路隧道； 軟巖； 臺階法； 臺階高度； 臺階長度； 掌子面穩定性； 參數優化

0 引言

軟巖具有巖性弱、強度低和自穩能力差等特點，往往導致軟巖隧道施工期間洞周變形量大、掌子面穩定性差。為能較好地控制軟巖隧道的變形，提高其穩定性，軟巖隧道施工時需要快速及時的支護[1-3]。臺階法因工序簡單且機械化程度高，具有施工快速、支護及時的特點，但由于開挖斷面大，軟弱圍巖條件下該法對超前支護要求較高，因而在實際施工時往往被多臺階、多分部、短進尺以及架設各種臨時支撐的開挖方法所替代，如中側壁導坑、CD 或CRD 法等。然而這些施工方法工序復雜、施工速度緩慢，施工安全也不易保障[4]。在臺階法上，通過對其施工幾何參數優化，達到提高其安全性并充分發揮施工高效的優勢是極具現實意義的。張秀良[5]對蘭渝線鐵路隧道臺階法現場施工方式及出現變形總結出掌子面穩定性與圍巖內摩擦角、臺階高度、掌子面的垂直程度及超前支護有很大關系；鄒成路等[6]以人和隧道為工程依托，用數值模擬的方法對臺階法上臺階開挖高度進行了優化，并通過對比得出施工中上臺階高度采用0.65H(H為隧道高度)時為最優；宋曙光等[7]通過數值模擬分析鐵路隧道在極軟弱圍巖中采用不同臺階高度下的拱頂沉降、水平收斂以及掌子面擠出變形，揭示了臺階法施工過程中圍巖力學效應的演化規律，并最終得出最優臺階高度。

目前研究者已從控制結構受力及隧道變形角度對臺階法施工幾何參數進行了優化，特別是對臺階高度的優化有了較為明確的研究，但是，臺階長度的優化分析以及從施工便利、掌子面穩定性角度出發的臺階高度優化分析研究還比較欠缺。本文以中條山隧道為依托工程，綜合考慮初期支護結構安全性、掌子面穩定性以及施工便利性3方面因素對臺階法施工時的臺階長度以及臺階高度進行優化分析，給出了結合實際圍巖條件的臺階參數選取建議。

1 工程概況

蒙西至華中地區鐵路煤運通道重點工程MHSS-3標段中條山隧道位于山西省運城市，線路穿越中條山山脈。隧道進口位于運城市鹽湖區解州鎮，設計為雙洞單線隧道。選取右線進口DK615+310～+360為依托，該段屬于F2中條山北麓大斷裂帶，圍巖以片麻巖為主，風化面呈黃褐色，巖石風化較嚴重，節理裂隙較發育，短小雜亂無序，圍巖破碎，整體性差，圍巖等級為Ⅴ級，埋深為40～70 m，地下水不發育，掌子面巖體干燥。

隧道高10.53 m，跨度為7.69 m，考慮隧道進口區段處于斷層地帶，圍巖破碎，隧道修建時采用特定HD(活動斷裂帶襯砌型式的簡稱)型襯砌斷面支護結構。隧道初期支護參數見表1，隧道輪廓斷面如圖1所示。

表1 隧道初期支護參數

圖1 隧道輪廓斷面圖(單位： cm)

2 施工幾何參數力學響應分析

2.1 計算模型建立

結合依托工程實際，利用FLAC3D建立三維數值分析模型：

1)模型X、Y、Z方向的尺寸為56.4 m×64 m×69.53 m，Y為隧道掘進方向；

2)圍巖采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，噴射混凝土采用Elastic各向同性彈性模型；

3)鋼拱架及鋼筋網通過剛度換算的方式轉換為混凝土施加至隧道初期支護；

4)錨桿支護通過提升錨固區域內圍巖內摩擦角與摩擦力的方式實現。

具體模型如圖2所示。

圖2 計算模型

2.2 計算參數確定

為確保計算所選取的物理力學參數以及錨固區加固程度能最大程度地接近工程實際，現利用反演分析法中的正反分析法來確定計算所需的圍巖物理力學參數。具體操作方法： 采用計算模型對現場施工進行模擬，結合鐵路設計規范Ⅴ級圍巖參數取值不斷調整其力學參數后使得計算所得變形結果與實測數據能較好地吻合，此時所選取的力學參數即可作為后續模型的計算參數。施工現場對DK615+310～+360里程段進行了較為詳細的隧道變形監測，內容包括洞周水平收斂及拱頂沉降。在對監測數據進行觀察分析后發現DK615+310、DK615+325和DK615+355斷面的監測數據具有較強的代表性，故可取作典型斷面。V級圍巖計算參數以及通過反演分析得到的圍巖物理力學參數見表2，該參數下計算所得拱頂沉降及最大水平收斂結果與實測對比分別如圖3和圖4所示。

表2 模型計算參數

圖3 拱頂沉降曲線對比

圖4 最大水平收斂曲線對比

2.3 施工及支護技術

中條山隧道進口段采用二臺階法施工。為使隧道初期支護及時封閉成環，盡早形成合理的受力結構，同時達到縮短建設工期的目的，該區段隧道采用下臺階與仰拱一次開挖工法進行施工。具體施工及支護順序見表3。

2.4 臺階高度力學響應分析

現選取上臺階高度為0.4H、0.5H、0.6H、0.7H(H為隧道高度)4種典型臺階高度進行隧道的開挖模擬，模擬過程中將拱頂沉降、最大水平收斂和初期支護結構最大拉壓應力進行監測記錄。

表3 施工及支護順序

2.4.1 圍巖變形

開挖模擬過程中，監測點不動，掌子面向前推進，每循環開挖結束將拱頂沉降及最大水平收斂記錄1次。掌子面推進過程中，拱頂沉降與最大水平收斂的累計結果分別如圖5和圖6所示。

圖5 不同臺階高度下累計拱頂沉降

Fig. 5 Accumulated crown top settlement under different heights of bench

圖6 不同臺階高度下累計最大水平收斂

Fig. 6 Accumulated horizontal convergence under different heights of bench

由圖5和圖6可知: 當上臺階高度從0.4H增加到0.6H的過程中，拱頂沉降與水平收斂一直在減小，特別是從0.4H增加到0.5H過程中，減小程度比較明顯，但是當上臺階高度從0.6H增加到0.7H的過程中，變形量基本不再變化。另外，不難發現，上臺階高度越高，隧道的先行位移量越大，而過大的先行位移會使得掌子面后方圍巖松動，給開挖后的支護造成困難[7]。總的來說，增加上臺階高度能減小隧道的變形量，但也不是越高越好，控制在0.5H～0.7H較為合適。

2.4.2 結構受力

通過分析計算結果發現，初期支護環上最大壓應力產生在拱腰，而最大拉應力出現在拱頂。各臺階高度下初期支護結構的最大拉壓應力見表4。根據表4的統計結果，初期支護所受的最大拉應力會隨上臺階高度的增加而減小，且當臺階高度為0.4H時，最大拉應力已經超過了初期噴射混凝土的抗拉強度設計值1.3 MPa，而最大壓應力與臺階高度的關系則并不明顯。因此，從初期支護結構的受力安全角度出發，上臺階高度不宜小于0.5H。

表4不同臺階高度下最大拉壓應力統計表

Table 4 Maximum tension and compression stresses under different heights of bench

MPa

2.5 臺階長度力學響應分析

現選取臺階長度為3.2、4.8、6.4、9.6 m進行隧道的開挖模擬。

2.5.1 圍巖變形

各臺階長度下，隧道拱頂沉降及最大水平收斂的累計結果如圖7與圖8所示。由圖7與圖8可知： 隧道的變形會隨臺階長度的增加而增加，其中拱頂沉降的增加趨勢比水平收斂更加明顯。

2.5.2 結構受力

各臺階長度下，初期支護結構所受的最大拉壓應力如表5所示。由表5可知： 隨著臺階長度增加，初期支護結構所受最大壓應力逐漸減小，而所受的最大拉應力會隨臺階長度的增加呈現出先減小后增加的趨勢。由于最大壓應力與其抗壓強度設計值12.5 MPa之間還有較大的富余量，故選擇臺階長度時，應以拉應力作為控制基準。利用線性插值知當臺階長度大于7 m 時，最大拉應力會超過1.3 MPa，因此將臺階長度控制在4.8～6.4 m時，對結構受力是最有利的。

圖7 不同臺階長度下累計拱頂沉降

Fig. 7 Accumulated crown top settlement under different lengths of bench

圖8 不同臺階長度下累計最大水平收斂

Fig. 8 Accumulated horizontal convergence under different lengths of bench

表5不同臺階長度下最大拉壓應力統計表

Table 5 Maximum tension and compression stresses under different lengths of bench MPa

3 考慮掌子面穩定性的臺階高度優化

隧道掌子面穩定性受多方面因素影響： 機制層面上，隧道開挖之后原來處于擠壓狀態的圍巖由于解除了束縛而向隧道空間產生松脹變形，同時隧道周邊巖石應力重新分布，產生應力集中，當變形及應力集中超過圍巖所能承受的范圍時，隧道便會產生穩定性問題[8]； 客觀層面上，不合理的施工及支護參數也是引發掌子面穩定性問題的關鍵因素[9]。由于影響掌子面穩定性的因素眾多，目前并沒有關于隧道掌子面的失穩模型被明確建立，業內主要從變形量及變形速率[10]、掌子面彈塑性發展規律[11]以及結構能量耗散角度對掌子面穩定性進行定性描述，其中變形多指掌子面擠出變形，國內外眾多規范也都選其作為施工時掌子面穩定性的控制標準[12-14]。本文目的在于通過研究臺階高度對掌子面穩定性的影響規律為施工確定最優臺階高度，在分析時選取掌子面擠出變形對各臺階高度適應性做出評判。

一般情況下，巖性較弱及富存地下水地段掌子面穩定性問題比較嚴重。究其原因，在富存地下水條件下，圍巖被劣化，物理力學參數降低[15]。結合鐵路隧道設計規范采用修正圍巖級別的方式來反映地下水對圍巖的影響。Ⅳ、Ⅴ級圍巖在地下水影響下修正如表6所示。

結合表6來看，不論是由于自身圍巖等級較低還是由于地下水的劣化影響，巖性都是影響掌子面穩定性的關鍵因素。因此，結合表6在Ⅴ、Ⅵ級圍巖級別內各取2組圍巖參數形成4種圍巖條件(如表7所示)進行開挖模擬。在開挖過程中對上下臺階掌子面的最大擠出變形進行監測，得出在不同圍巖條件及不同臺階高度下各臺階掌子面的最大擠出變形統計結果，如表8和表9所示。

表7各圍巖條件下的圍巖物理力學參數

Table 7 Physico-mechanical parameters of different surrounding rocks

圍巖級別計算參數重度/(kg/m3)彈性模晨E/GPa泊松比內摩擦角/(°)黏聚力/MPaⅤa19501.300.37270.15Ⅴb18001.000.40220.10Ⅵa17000.800.45200.08Ⅵb17000.600.45180.05

注： a、b分別表示圍巖級別參數區間的上下限范圍，下同。

表8 上臺階掌子面最大擠出變形統計

表9 下臺階掌子面最大擠出變形統計

根據表8和表9不難發現，隨著上臺階高度的增加，上臺階的掌子面最大擠出變形越來越大，而下臺階掌子面的最大擠出變形則越來越小，而且這種規律在越差的圍巖條件下越明顯。同時，當上臺階高度小于0.6H時，各圍巖條件下上臺階的最大擠出變形小于下臺階，當上臺階高度大于0.7H時，各圍巖條件下上臺階掌子面最大擠出變形大于下臺階。也就是說，2臺階的最大擠出變形會在上臺階高度為0.6H與0.7H之間產生平衡點。為找出該點位置，現將0.7H或0.6H對應的下臺階最大擠出變形值，代入上臺階0.6H與0.7H最大擠出變形區間段進行線性插值近似計算，通過插值計算得出各圍巖條件下上下臺階最大擠出變形平衡點，如表10所示。

表10 2臺階掌子面最大擠出變形平衡點統計

Table 10 Heights of top heading for balanced extrusion deformation of two bench face in different surrounding rocks

ⅤaⅤbⅣaⅣb0.61H0.68H0.68H0.7H

由表10可知： 圍巖條件越差，上下臺階最大擠出變形平衡點對應的上臺階高度越高。考慮到上臺階的約束條件是強于下臺階的，即使最大擠出變形相同，下臺階掌子面的穩定性也會差于上臺階。因此，若要提高隧道掌子面的穩定性，首先考慮的應該是降低下臺階的最大擠出變形量，也就是說上臺階高度的取值應滿足下臺階的掌子面最大擠出變形不小于上臺階的最大擠出變形。綜合前面的計算結果來看，在不同的圍巖條件下，將上臺階高度設置在上下臺階最大擠出變形平衡點附近對隧道掌子面的穩定性是最有利的；但同時也應考慮到這樣的選擇是偏安全的，僅在圍巖條件較差，如Ⅴ級圍巖掌子面出水或者其他巖性較差情況下效果可能明顯，而對于不是很差的圍巖條件，下臺階高度的選擇也可適當放寬。

4 考慮施工便利性的幾何參數優化

4.1 臺階長度優化

根據現場施工經驗，采用臺階法施工時，在鉆爆階段需用挖掘機將約3 m長的臺架吊至上臺階，工人站在臺架上進行鉆孔打眼作業；在初期支護階段，挖機需將鋼拱架、鋼筋網等材料運送至上臺階，工人在臺架上進行鋼拱架安裝等初期支護作業。因此，上臺階應該留夠安放臺架及堆放初期支護材料的空間而不宜過短，至少大于4 m；另一方面，在爆破之后的挖碴階段，挖掘機位于下臺階扒上臺階碴，若臺階過長，則挖機就位次數以及扒碴效率會受到很大的影響，考慮到挖機機械臂長度以及下臺階高度對機械臂伸展的影響，上臺階長度宜控制在5 m以內。隧道內作業空間示意如圖9所示。

圖9 隧道內作業空間示意圖

4.2 臺階高度優化

根據前面的研究結果，上臺階高度取大值(0.6H～0.7H)時，隧道的變形受力均是有利的，但是根據現場施工情況，上臺階的打眼作業需在臺架上進行，過高的臺架對于工人的操作以及挖機的吊裝都是不利的。同時，鉆孔打眼階段，上下臺階同步進行，根據短板效應，均衡分配上下臺階的工作量能提高該階段的工作效率。根據中條山隧道的施工經驗總結，結合隧道橫斷面上窄下寬的特點，將上臺階高度控制在0.55H～0.6H(中條山隧道采用0.55H)對施工工效以及工人的操作便利性提升效果明顯。隧道內鉆孔作業示意如圖10所示。

圖10 隧道內鉆孔作業示意圖

5 結論與討論

本文從初期支護結構安全性、掌子面穩定性和施工便利性3個角度出發，以上臺階長度與高度為主要研究對象對中條山軟巖隧道臺階法施工的臺階高度與長度的選擇進行了優化分析。通過分析得到如下結論：

1)上臺階高度控制在0.5H～0.7H有利于隧道拱頂沉降及水平收斂的變形控制，結構受力合理；

2)初期支護結構所受最大拉應力隨上臺階長度的增加呈現出先減小后增大的趨勢，即過短或過長的上臺階長度對結構受力都是不利的，該隧道條件下將其控制在5 m左右時初期支護結構受力安全合理；

3)上臺階高度在0.6H～0.7H合理選取時能使上下臺階最大擠出變形達到平衡，上臺階高度選取在平衡點附近對掌子面穩定性有利；

4)上臺階長度控制在4～5 m、高度控制在0.55H～0.6H時隧道內人員及機械操作便利，有利于施工效率提升。

綜合考慮以上幾點，施工時上臺階長度宜控制為4～5 m；而上臺階高度為能較好地兼顧掌子面的穩定性以及施工的效率問題，宜取為0.6H，但在Ⅴ級圍巖掌子面出水或其他巖性更差的情況下，其取值應適當提高但也不宜大于0.7H。該研究結論是從施工安全及便利性等多角度出發得出，對類似工程在選用臺階法進行施工時具有借鑒意義。

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蒙華鐵路中條山隧道進口與1號斜井貫通

2017年11月12日5時10分，由中鐵隧道局集團有限公司承建的蒙華鐵路中條山隧道進口與1號斜井順利貫通。

中條山隧道進口與1號斜井是蒙華鐵路全線獨頭掘進最長的單洞單線隧道作業面。貫通前，中條山隧道進口的通風距離為3.7 km，是單線隧道施工的通風極限。貫通后，中條山隧道進口與1號斜井區間段連通距離達6.8 km，隧道里有了“穿堂風”，將大大改善隧道內的通風條件和空氣質量，為接下來的施工和管理帶來極大便利。

蒙華鐵路中條山隧道全長18.4 km，為高風險隧道，是全線重點控制工程之一。隧道進口位于鹽湖區解州鎮，出口位于平陸縣常樂鎮。其中，蒙華鐵路MHSS-3標一工區承擔的施工任務占隧道全長的44.5%，是施工難度、管理跨度最大的工區。自2015年3月進場以來，施工方不斷優化施工方案，科學運用機械化配套施工，有效預防了隧道關門坍塌風險，提高了施工質量，先后有70多人次受到上級表彰。

(摘自 山西新聞網 http://yc.sxgov.cn/content/2017-11/17/content_8428918.htm)

OptimizationAnalysisofGeometricParametersofBenchMethodUsedinZhongtiaoshanTunnel

DENG Tao1, LIU Dagang1,*, CAI Minjin1, ZHAO Siguang1, HE Wei2

(1.SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China; 2.DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroup,Guangzhou511458,Guangdong,China)

In order to guarantee the construction safety and high efficiency of bench method in soft rock, the geometric parameters of bench method used in Zhongtiaoshan Tunnel is optimized and analyzed. And then, the numerical simulation method and site monitoring method are adopted; and the safety of primary support structure, stability of tunnel face and construction convenience are taken as references for optimization work. The analytical results show that: 1) The stress on tunnel primary support structure is rational and the construction machinery operation is convenient when adopting bench method for soft rock tunnel and the top heading length is controlled within range of 4-5 m. 2) The tunnel construction efficiency and the tunnel face stability can be guaranteed when the top heading height is 0.6H(Hrefers to height of tunnel cross-section); the top heading height should be in the range of 0.6H-0.7Hwhen the tunnel is in bad surrounding rock (i.e. shallow bury or water inrush from Grade Ⅴ surrounding rock).

railway tunnel; soft rock; bench method; bench height; bench length; stability of tunnel face; parameter optimization

2017-05-09;

2017-07-20

中鐵隧道集團科技創新計劃(隧研合2015-01)

鄧濤 (1993—)，男，四川冕寧人，西南交通大學土木工程學院在讀碩士，研究方向為隧道及地下工程。E-mail： 349928617@qq.com。*通信作者： 劉大剛, E-mail： 82384975@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.007

U 455.4

A

2096-4498(2017)12-1550-07