淺談軟弱圍巖隧道臺階法施工中拱腳的穩定性及其控制技術

朱洪軍

【摘 要】臺階法是軟弱圍巖隧道工程的常用施工方法，其特點是隧道拱腳變形較為顯著，需要做好拱腳穩定性控制。本文將對軟弱圍巖隧道臺階法進行簡單介紹，分析隧道拱腳變形特征，在此基礎上，探討有效的拱腳穩定性施工控制技術，包括拱腳沉降機制分析、穩定極限狀態計算、穩定性控制方法以及技術應用效果分析等。

【關鍵字】軟弱圍巖；隧道臺階法；拱腳穩定性；施工控制技術

軟弱圍巖隧道工程由于圍巖強度低、孔隙大、風化影響顯著，在一定應力水平下容易出現施工變形。目前在軟弱圍巖隧道工程中，使用較多的施工技術包括全斷面法、分部施工法、臺階法等。其中臺階法應用最多，關于臺階法施工變形及拱腳穩定性控制問題的研究也受到了廣泛關注。但是在實際工程中，拱腳沉降問題卻沒有引起足夠的重視，有必要結合工程案例進行具體研究，探討可行的拱腳穩定性控制技術。

一、軟弱圍巖隧道臺階法概述

隨著國家基礎設施建設進程的不斷加快，大型隧道工程越來越多，包括公路工程和鐵路工程等。在一些特殊地質區域，隧道工程面臨著軟弱圍巖變形控制的難點問題。從國內目前隧道工程施工技術的整體水平來看，臺階法是較為先進的施工方法，在實際工程中應用最多，廣泛適用于交通類暗挖隧道。但采用臺階法施工也面臨著拱腳變形嚴重的問題，會影響工程整體的穩定性。

臺階法中的上臺階拱腳變形分為水平收斂變形和沉降變形兩種形式，在現有研究中關于上臺階收斂變形的研究較多，而沉降變形卻沒有引起足夠重視，因此在實際工程中拱腳沉降問題日益突出。目前關于臺階法施工的拱腳沉降研究主要采用現場測量等方法，缺乏理論支撐，影響了研究成果推廣。因此，有必要對隧道拱腳變形特征進行分析，結合工程實例探討可行的控制方法，為工程實踐提供有效參考。

二、隧道拱腳變形特征分析

對隧道工程臺階法施工的拱腳變形特征進行分析，一般采用FLAC3D大型分析軟件，為施工變形展布規律的數值分析提供支持。以某鐵路隧道工程為例，其圍巖條件包含IV、V、VI三個級別，參照現行鐵路隧道規范中的圍巖物理力學指標，確定各級別圍巖的密度、彈性模量、泊松比、黏聚力和內摩擦角。隧道橫斷面和支護結構的主要參數以200km/h客貨共線隧道的斷面標準為準，同時考慮單線和雙線兩種斷面形式。其主要參數包括斷面尺寸、混凝土強度、厚度、錨桿長度、間距和鋼架間距等。

采用三維彈塑性本構模型計算分析臺階拱腳變形規律。從計算結果來看，拱腳變形隨臺階長度的增加而增幅，且圍巖條件越差，變形幅度增長越快。隨著上臺階長度增加，拱腳沉降數值逐漸接近拱頂沉降。比如在單線隧道中，IV級圍巖的拱腳沉降約為拱頂沉降的30%，V級約為60%，VI級約為85%。從計算分析結果來看，IV級圍巖采用長臺階施工法有利于施工組織，V級圍巖采用短臺階法、VI級圍巖采用微臺階法較好，有利于實現拱腳變形控制。

三、軟弱圍巖隧道臺階法施工拱腳穩定性控制技術

（一）拱腳沉降機制分析

對拱腳沉降機制進行分析是隧道工程臺階法施工實現拱腳穩定性控制目標的前提。其沉降機制包括以下幾個方面：

1.由掌子面基礎效應導致的沉降，在臺階法施工中掌子面基礎變形較為顯著，會導致開挖面核心土上部出現整體沉降，對上半斷面的影響不容忽視；

2.基地承載剛度不足導致的拱腳沉降，在“隨挖隨支”施工原則下，上斷面的支護結構在圍巖壓力作用下會產生向下位移分量，隨著開挖施工進行，圍巖壓力不斷增大，導致拱腳地基承載力不足，進而引發沉降；

3.后續施工導致的沉降效果加劇現象，在進行下臺階開挖時，支護結構拱腳存在一定的懸空時段，拱部具有整體下沉趨勢，隨著施工進行，支護結構的荷載力不斷增加，導致沉降效果加劇，即使閉合成環后，此現象也會持續一段時間；

4.施工技術導致的沉降，在臺階法施工中，拱腳沉降主要受掌子面擠出效應、支護結構支撐條件、鎖腳錨桿施工、拱腳處積水排除、支護節點質量、閉合時機以及下臺階開挖等施工技術的影響，要針對每個施工環節的特點和引起施工沉降的機制，采取有效的技術控制措施。

（二）圍巖穩定極限狀態計算

圍巖穩定極限狀態計算是揭示隧道變形分布規律、實現拱腳變形控制的關鍵。在臺階法施工過程中，可借鑒邊坡工程的強度折減法分析思路，判別圍巖穩定性，主要應用塑性應變突變原理展開分析。對于深埋軟弱圍巖的隧道工程，其穩定性分析不用對圍巖強度進行折減，施工過程以卸載為主，地應力不斷釋放，洞體周圍的圍巖屈服度不斷發展，約束作用不斷減弱，發展到一定程度后，部分圍巖則進入塑性流動狀態，由塑性應變轉變成突變，進而發生擠入和脫離現象。

圍巖穩定極限狀態即為塑性應變突變發生時的狀態，其發生區域為不穩定圍巖區域，通過對其進行分析計算，可以預測圍巖失穩軌跡。在接近穩定極限狀態時，塑性區范圍快速擴大，基底圍巖隨臺階高度增加，逐漸向基底剪切失穩狀態發展，拱腳處穩定性較差。加強拱腳穩定控制，可以保持洞室整體的穩定性，有利于實現變形控制。在上臺階高度為4m時，水平收斂為60.7mm，拱頂沉降為68.8mm，上臺階高度為6m時，水平收斂為149.7mm，拱頂沉降為112.2mm。由此可見，上臺階高度增加，圍巖對現行承擔能力也會隨之增加，可以通過適當增加上臺階高度提高圍巖穩定性。

（三）拱腳穩定性控制方法

受國內隧道工程施工技術和設備條件所限，目前應用較多的拱腳穩定控制方法包括鎖腳錨桿法、圍巖補強注漿法、擴大拱腳支護法和臨時增設仰拱法等。其中，鎖腳錨桿法和圍巖補強注漿法的控制效果較為顯著，已經得到行業內的廣泛認可，技術應用較為成熟。而另外兩種方法的控制效果還有待印證，因此本文主要對后兩種方法進行分析。

其中，擴大拱腳支護法在還有V級、VI級兩種圍巖的隧道工程中，應用效果如下：（1）V級圍巖拱腳收斂減小效果達到10.4%，沉降減小效果達到73.1%；（2）VI級圍巖的拱腳收斂減小效果達到10.4%，沉降減小效果達到44.6%。對有無臨時仰拱的工況進行對比分析可以看出，采用臨時增設仰拱的控制方法，拱腳收斂減小效果為40.3%，墻腰收斂的減小效果為25.0%。從中可以看出，該方法對水平收斂的控制效果較好，對沉降控制效果則不夠顯著。

在蘭渝鐵路兩水隧道工程中，對某區段施工進行大拱腳現場試驗，該區段的仰拱封閉與掌子面的距離在30m以內，通過現場試驗測量發現，擴大拱腳支護法對拱腳變形控制效果較為顯著，水平收斂減小效果為19%，拱頂沉降減小效果為53%。在實際工程中，應在分析拱腳變形機制、計算圍巖穩定極限狀態的基礎上，合理選擇拱腳變形控制方法，為施工安全和隧道結構穩定性提供保障。

四、結束語

綜上所述，拱腳變形是隧道工程臺階施工法中的重點問題，通過采取有效的拱腳穩定性控制技術，可以施工安全和施工工序的順利進行提供保障，避免出現圍巖失穩、坍塌現象。在實際工程中，通過采用科學計算分析方法，掌握拱腳變形規律，合理選用拱腳穩定性控制方法，可以確保拱腳變形控制效果，有效降低水平收斂和沉降幅度。

參考文獻：

[1]范鑫.軟弱圍巖地質大斷面鐵路隧道大拱腳臺階法施工工法[J].建筑技術開發，2017，44（07）：41-42.

[2]賈曉旭，趙玉成.軟弱圍巖隧道CD法和臺階法施工力學行為分析[J].鐵道標準設計，2016，60（07）：121-125.

[3]張立東.大斷面淺埋軟弱圍巖隧道三臺階法施工技術[J].山西建筑，2009，35（04）：342-343.endprint