三臺(tái)階三步法在濕陷性黃土隧道中的應(yīng)用及沉降規(guī)律研究*

黃國(guó)濤

(中鐵七局集團(tuán)西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

隨著國(guó)家“北煤南運(yùn)”等開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的提出，越來(lái)越多的鐵路隧道交通工程相繼開(kāi)工建設(shè)。但由于地域土層差異較大，各施工方法及參數(shù)設(shè)定有很大不同，保證施工安全所采取的安全控制技術(shù)也不盡相同。尤其在穿越濕陷性黃土、上軟下硬等復(fù)雜地質(zhì)條件時(shí)，工程施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，研究適合其地質(zhì)條件的施工方法及施工參數(shù)顯得尤為重要。西部黃土地區(qū)困擾施工的一大因素是黃土的濕陷性，其不僅對(duì)快速施工造成阻礙，還給安全施工帶來(lái)較大挑戰(zhàn)。耿啟軍等針對(duì)上覆砂質(zhì)黃土、下伏軟弱圍巖地質(zhì)條件的隧道工程，建立模型對(duì)比分析了三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法和微臺(tái)階法兩種施工工藝的適用性；隧道施工引起的沉降變形已引起廣泛關(guān)注，目前學(xué)者們大多采用解析法、公式法、模擬法進(jìn)行量化研究。為了更方便研究各種工況下的地表沉降規(guī)律，馬文輝等研究了多種地層中盾構(gòu)下穿構(gòu)筑物施工時(shí)，既有盾構(gòu)的沉降變形規(guī)律及沉降控制措施，通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)分析了既有隧道的變形特征，數(shù)值模擬得出的變形規(guī)律與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法在隧道施工地表變形預(yù)測(cè)中的實(shí)用價(jià)值。

1 工程概況及地質(zhì)條件

蒙華鐵路(蒙西—華中地區(qū))實(shí)現(xiàn)了蒙、秦、隴三地與鄂、湘、贛等華中地區(qū)鐵路大連接，是國(guó)家Ⅰ級(jí)電氣化鐵路，線路全長(zhǎng)1 813.544km，年輸送能力2億t，促進(jìn)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

隧道位于黃土梁峁區(qū)，地形起伏大，且絕大部分地段的砂質(zhì)新黃土具有濕陷性，濕陷系數(shù)δs為0.017，隧道圍巖主要為Ⅴ級(jí)圍巖。施工中極易發(fā)生變形過(guò)大、坍塌等安全事故，施工難度大，風(fēng)險(xiǎn)高。因此，在快速施工中保證施工安全尤為重要。

2 三臺(tái)階三步法快速施工工藝

隧道三臺(tái)階三步法快速開(kāi)挖是分上、中、下3個(gè)臺(tái)階，以弧形導(dǎo)坑開(kāi)挖預(yù)留核心土為基本模式，沿縱向?qū)ΨQ開(kāi)挖、平行推進(jìn)的施工方法。以實(shí)現(xiàn)各工序的“短、平、快”為理念，通過(guò)在隧道有限的空間內(nèi)組織流水作業(yè)和平行作業(yè)，縮短循環(huán)作業(yè)和銜接時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)大斷面隧道的安全快速施工。

三臺(tái)階三步法快速施工工序如圖1所示，施工工藝流程如圖2所示，快速施工步驟如下。

圖1 三臺(tái)階三步法快速施工工序示意

圖2 三臺(tái)階三步法快速施工開(kāi)挖流程

1)1臺(tái)挖掘機(jī)開(kāi)挖上臺(tái)階，人工配合機(jī)械修整斷面。

2)3臺(tái)挖掘機(jī)開(kāi)挖中臺(tái)階，機(jī)械修整周邊斷面；進(jìn)行上臺(tái)階立架、超前小導(dǎo)管、鎖腳錨管施工。

3)4臺(tái)挖掘機(jī)開(kāi)挖下臺(tái)階及仰拱，機(jī)械修整斷面；待中臺(tái)階工作面形成后，進(jìn)行中臺(tái)階立架、鎖腳錨管、連接筋施工。

4)完成下臺(tái)階立架、鎖腳錨管、連接筋施工作業(yè)。

5)噴射混凝土，完成一個(gè)工作循環(huán)。

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 建立有限元模型

采用有限元分析軟件Midas建立三維數(shù)值模型，如圖3所示。根據(jù)蒙華鐵路隧道實(shí)際土層物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行建模參數(shù)設(shè)置，隧道模型在x，y，z方向的計(jì)算參數(shù)為70m×130m×80m(長(zhǎng)×寬×高)，區(qū)間隧道拱頂上土深30.6m，隧道直徑為13.2m，模型共劃分65 174個(gè)單元，38 319個(gè)結(jié)點(diǎn)。采用Mohr-Coulomb 模型，模型圍巖的物理力學(xué)參數(shù)與工程實(shí)際圍巖的參數(shù)一致，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，重度γ為20kN/m3，彈性模量E為28.9MPa，泊松比ν為0.36，內(nèi)摩擦角φ為25.7°，黏聚力c為0.07MPa，不考慮地下水影響。

圖3 有限元三維數(shù)值模型

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在有限元模型開(kāi)挖過(guò)程中選取4個(gè)截面(H1，H2，H3，H4)進(jìn)行隧道拱頂沉降和地表沉降分析，隧道中心軸線與4個(gè)截面在地面的交點(diǎn)分別記為V1，V2，V3，V4，監(jiān)測(cè)斷面布置如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)斷面布置示意(單位：m)

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

隧道開(kāi)挖貫通后變形如圖5所示。由圖5可知，隧道開(kāi)挖完成后，隧道沉降最大值出現(xiàn)在隧道中心軸線對(duì)應(yīng)地表A點(diǎn)處，為40.5mm，小于隧道允許最大沉降值80mm，且隧道開(kāi)挖過(guò)程中各截面的最大沉降值均在允許范圍內(nèi)。

圖5 隧道開(kāi)挖貫通變形云圖

隨著隧道開(kāi)挖，4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面拱頂沉降發(fā)展過(guò)程如圖6所示，S1～S7分別為掌子面距監(jiān)測(cè)斷面-10，-5， 0，5，10，15，20m時(shí)的工況。由圖6可得，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的7條測(cè)線均符合高斯分布，曲線大體走勢(shì)相同，均為單峰值的高斯曲線，且對(duì)稱分布，最大值均位于隧道中心軸線處。以圖6a為例，當(dāng)掌子面距H1監(jiān)測(cè)斷面10m(S1)和5m(S2)時(shí)，沉降基本為0，隨著隧道的開(kāi)挖，通過(guò)掌子面后有輕微沉降，接著沉降數(shù)值大幅度增加，在掌子面離開(kāi)監(jiān)測(cè)斷面10m(S5)時(shí)累積沉降仍在增加，但速率相較于前一個(gè)階段變得緩慢，最終趨于穩(wěn)定。其他3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的沉降規(guī)律與H1類似，此處不再贅述。

圖6 監(jiān)測(cè)斷面拱頂沉降曲線

監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)地表沉降曲線如圖7所示，曲線呈反“S”形，縱觀曲線整個(gè)變化趨勢(shì)，沉降可分為緩慢變化、急劇下降、穩(wěn)定3個(gè)階段。測(cè)點(diǎn)V1在距H1監(jiān)測(cè)斷面10m時(shí)，地表開(kāi)始沉降，但變形很小，處于緩慢變化階段；當(dāng)掌子面通過(guò)H1監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，沉降迅速增大，且沉降速率不斷增大，處于急劇下降階段；當(dāng)掌子面離開(kāi)H1監(jiān)測(cè)斷面35m時(shí)，沉降速率較小，幾乎為0，沉降趨于穩(wěn)定，最終沉降量為 39.0mm， 屬于穩(wěn)定階段。測(cè)點(diǎn)V2在掌子面距H2監(jiān)測(cè)斷面約8m時(shí)開(kāi)始沉降；當(dāng)掌子面通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，地表沉降迅速增大，進(jìn)入急劇下沉階段，此階段的沉降速率最大；當(dāng)掌子面離開(kāi)監(jiān)測(cè)斷面40m時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定階段，最終沉降為39.9mm。測(cè)點(diǎn)V3在掌子面距H3監(jiān)測(cè)斷面6m時(shí)，地表受到擾動(dòng)開(kāi)始產(chǎn)生輕微沉降；此后當(dāng)掌子面通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面后迅速進(jìn)入急劇下沉階段，沉降量快速增大，沉降速率先增大再緩慢減小；當(dāng)掌子面離開(kāi)監(jiān)測(cè)斷面38m后，曲線趨于平穩(wěn)，最終沉降量為39.6mm。測(cè)點(diǎn)V4在開(kāi)挖進(jìn)尺98m時(shí)，地表開(kāi)始有沉降；當(dāng)掌子面通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面后，沉降量大幅度增加；當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺為125m時(shí)，即距H4監(jiān)測(cè)斷面21m時(shí)，沉降趨于穩(wěn)定，最終地表沉降為39.8mm。

圖7 監(jiān)測(cè)斷面縱向地表沉降曲線

4 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)以Ⅴ級(jí)圍巖為主的濕陷性黃土隧道安全快速施工，提出三臺(tái)階三步法快速施工工藝，將原來(lái)的三臺(tái)階七步調(diào)整為三臺(tái)階三步，在保證掌子面穩(wěn)定的情況下，盡量減少上臺(tái)階施工時(shí)間，為流水作業(yè)創(chuàng)造條件，縮短循環(huán)作業(yè)和銜接時(shí)間。

利用有限元軟件模擬隧道開(kāi)挖過(guò)程，研究濕陷性黃土隧道在三臺(tái)階三步法快速施工工藝下的地表沉降特征，分析可得隧道拱頂沉降符合高斯分布，地表沉降最大值位于隧道中心軸線處；地表沉降曲線呈反“S”形，可將沉降分為緩慢變化、急劇下降和穩(wěn)定3個(gè)階段。