三臺階三步法在濕陷性黃土隧道中的應用及沉降規律研究*

黃國濤

(中鐵七局集團西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

隨著國家“北煤南運”等開發戰略的提出，越來越多的鐵路隧道交通工程相繼開工建設。但由于地域土層差異較大，各施工方法及參數設定有很大不同，保證施工安全所采取的安全控制技術也不盡相同。尤其在穿越濕陷性黃土、上軟下硬等復雜地質條件時，工程施工難度大、風險高，研究適合其地質條件的施工方法及施工參數顯得尤為重要。西部黃土地區困擾施工的一大因素是黃土的濕陷性，其不僅對快速施工造成阻礙，還給安全施工帶來較大挑戰。耿啟軍等針對上覆砂質黃土、下伏軟弱圍巖地質條件的隧道工程，建立模型對比分析了三臺階大拱腳臨時仰拱法和微臺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注，目前學者們大多采用解析法、公式法、模擬法進行量化研究。為了更方便研究各種工況下的地表沉降規律，馬文輝等研究了多種地層中盾構下穿構筑物施工時，既有盾構的沉降變形規律及沉降控制措施，通過數值模擬和現場監測數據總結分析了既有隧道的變形特征，數值模擬得出的變形規律與實測數據基本一致，驗證了數值模擬方法在隧道施工地表變形預測中的實用價值。

1 工程概況及地質條件

蒙華鐵路(蒙西—華中地區)實現了蒙、秦、隴三地與鄂、湘、贛等華中地區鐵路大連接，是國家Ⅰ級電氣化鐵路，線路全長1 813.544km，年輸送能力2億t，促進了國民經濟的發展。

隧道位于黃土梁峁區，地形起伏大，且絕大部分地段的砂質新黃土具有濕陷性，濕陷系數δs為0.017，隧道圍巖主要為Ⅴ級圍巖。施工中極易發生變形過大、坍塌等安全事故，施工難度大，風險高。因此，在快速施工中保證施工安全尤為重要。

2 三臺階三步法快速施工工藝

隧道三臺階三步法快速開挖是分上、中、下3個臺階，以弧形導坑開挖預留核心土為基本模式，沿縱向對稱開挖、平行推進的施工方法。以實現各工序的“短、平、快”為理念，通過在隧道有限的空間內組織流水作業和平行作業，縮短循環作業和銜接時間，以實現大斷面隧道的安全快速施工。

三臺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 三臺階三步法快速施工工序示意

圖2 三臺階三步法快速施工開挖流程

1)1臺挖掘機開挖上臺階，人工配合機械修整斷面。

2)3臺挖掘機開挖中臺階，機械修整周邊斷面；進行上臺階立架、超前小導管、鎖腳錨管施工。

3)4臺挖掘機開挖下臺階及仰拱，機械修整斷面；待中臺階工作面形成后，進行中臺階立架、鎖腳錨管、連接筋施工。

4)完成下臺階立架、鎖腳錨管、連接筋施工作業。

5)噴射混凝土，完成一個工作循環。

3 數值模擬及結果分析

3.1 建立有限元模型

采用有限元分析軟件Midas建立三維數值模型，如圖3所示。根據蒙華鐵路隧道實際土層物理力學參數進行建模參數設置，隧道模型在x，y，z方向的計算參數為70m×130m×80m(長×寬×高)，區間隧道拱頂上土深30.6m，隧道直徑為13.2m，模型共劃分65 174個單元，38 319個結點。采用Mohr-Coulomb 模型，模型圍巖的物理力學參數與工程實際圍巖的參數一致，圍巖級別為Ⅴ級，重度γ為20kN/m3，彈性模量E為28.9MPa，泊松比ν為0.36，內摩擦角φ為25.7°，黏聚力c為0.07MPa，不考慮地下水影響。

圖3 有限元三維數值模型

3.2 監測點布置

在有限元模型開挖過程中選取4個截面(H1，H2，H3，H4)進行隧道拱頂沉降和地表沉降分析，隧道中心軸線與4個截面在地面的交點分別記為V1，V2，V3，V4，監測斷面布置如圖4所示。

圖4 監測斷面布置示意(單位：m)

3.3 數值模擬結果分析

隧道開挖貫通后變形如圖5所示。由圖5可知，隧道開挖完成后，隧道沉降最大值出現在隧道中心軸線對應地表A點處，為40.5mm，小于隧道允許最大沉降值80mm，且隧道開挖過程中各截面的最大沉降值均在允許范圍內。

圖5 隧道開挖貫通變形云圖

隨著隧道開挖，4個監測斷面拱頂沉降發展過程如圖6所示，S1～S7分別為掌子面距監測斷面-10，-5， 0，5，10，15，20m時的工況。由圖6可得，每個監測斷面的7條測線均符合高斯分布，曲線大體走勢相同，均為單峰值的高斯曲線，且對稱分布，最大值均位于隧道中心軸線處。以圖6a為例，當掌子面距H1監測斷面10m(S1)和5m(S2)時，沉降基本為0，隨著隧道的開挖，通過掌子面后有輕微沉降，接著沉降數值大幅度增加，在掌子面離開監測斷面10m(S5)時累積沉降仍在增加，但速率相較于前一個階段變得緩慢，最終趨于穩定。其他3個監測斷面的沉降規律與H1類似，此處不再贅述。

圖6 監測斷面拱頂沉降曲線

監測斷面測點地表沉降曲線如圖7所示，曲線呈反“S”形，縱觀曲線整個變化趨勢，沉降可分為緩慢變化、急劇下降、穩定3個階段。測點V1在距H1監測斷面10m時，地表開始沉降，但變形很小，處于緩慢變化階段；當掌子面通過H1監測斷面時，沉降迅速增大，且沉降速率不斷增大，處于急劇下降階段；當掌子面離開H1監測斷面35m時，沉降速率較小，幾乎為0，沉降趨于穩定，最終沉降量為 39.0mm， 屬于穩定階段。測點V2在掌子面距H2監測斷面約8m時開始沉降；當掌子面通過監測斷面時，地表沉降迅速增大，進入急劇下沉階段，此階段的沉降速率最大；當掌子面離開監測斷面40m時進入穩定階段，最終沉降為39.9mm。測點V3在掌子面距H3監測斷面6m時，地表受到擾動開始產生輕微沉降；此后當掌子面通過監測斷面后迅速進入急劇下沉階段，沉降量快速增大，沉降速率先增大再緩慢減小；當掌子面離開監測斷面38m后，曲線趨于平穩，最終沉降量為39.6mm。測點V4在開挖進尺98m時，地表開始有沉降；當掌子面通過監測斷面后，沉降量大幅度增加；當開挖進尺為125m時，即距H4監測斷面21m時，沉降趨于穩定，最終地表沉降為39.8mm。

圖7 監測斷面縱向地表沉降曲線

4 結語

為實現以Ⅴ級圍巖為主的濕陷性黃土隧道安全快速施工，提出三臺階三步法快速施工工藝，將原來的三臺階七步調整為三臺階三步，在保證掌子面穩定的情況下，盡量減少上臺階施工時間，為流水作業創造條件，縮短循環作業和銜接時間。

利用有限元軟件模擬隧道開挖過程，研究濕陷性黃土隧道在三臺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、急劇下降和穩定3個階段。