不良地質條件進行三臺階法隧道施工變形規律研究

摘要：簡介仁和雙線特長隧道工程概況和水文地質情況，對該隧道不良地質情況進行了深入分析，并對該隧道施工的穩定性進行了評價，論述了該隧道采用三臺階法施工要點，對施工過程中拱頂沉降、拱腰和拱腳收斂進行了施工過程監測與數據分析。分析結果表明，在不良地質條件下進行隧道施工，隧道拱頂變形大于拱腰，而拱腰變形大于拱腳，該研究結果對類似隧道施工具有參考價值。

關鍵詞：不良地質條件；三臺階法施工；圍巖變形；過程監測

0" "引言

隧道工程建設中，其地表易出現滑坡、滑坡、陷坑、溝谷等不良地質現象[1-2]。針對于此常采取三臺階法進行施工。采用三臺階法因具有效率高、適應性強、調整靈活、穩定性好、安全性高等優勢，而在隧道工程中得到了廣泛的應用[3]。

近年來，眾多國內學者也對隧道開挖變形規律進行了研究。姚成睿[4]采用FLAC 3D仿真軟件構建了不同凈距、不同深度范圍內回填土隧道圍巖變形預警標準值。裴巧玲等[5]通過對隧道的三臺階七步開挖施工方法進行了數值仿真和分析，找出了關鍵監控區及加固區。王常波[6]采用數值仿真方法，確定了隧道三臺階法的最優階梯高度，并對其進行了分析。本文以仁和隧道工程施工為研究對像，對該隧道圍巖變形規律進行了現場監測分析，為研究不良地質條件下公路隧道施工的圍巖變形規律提供了經驗。

1" "隧道工程概況和水文地質條件

1.1" "隧道工程概況

擬建的仁和雙線特長隧道位于巧家縣境內。該隧道呈曲線形設計，左線隧道起訖樁號為KH43+230～KH46+455，全長3225m，最大埋深為368.52m；右線隧道起訖樁號為KH43+326～KH46+511，全長3185m，最大埋深為79.91m。該隧道設計在中、高山區，地勢起伏很大。該隧道的中心線標高為905.555m～1292.057m，最大高差為386.502m。山體天然坡度在35～65°之間，植被較為發達。隧道入口和出口均在山前斜坡上，山體較為穩定。隧道進、出口無公路，交通狀況十分惡劣。

1.2" "水文地質條件

該隧道地質為二疊系上統峨眉山組玄武巖、下二疊系下統灰巖、泥盆系中統幺棚子組灰巖，下寒武系下統灰巖、下寒武統二道水組。根據巖體的巖性、埋藏深度和風蝕度等特點，將隧道洞室圍巖定為Ⅳ級，在開挖過程中需要進行支護和防排水。

該隧道施工區域地下水來源主要是基巖裂隙水，其次是碳酸鹽巖水。玄武巖地層中的基巖裂隙水較多，具有較好的連通性。強風化巖層中，表層風化裂縫發育，巖石破碎，僅含有少量裂隙水，其水源以大氣降雨為主，溝谷等低洼地段則以地表徑流的方式排出。

2" "不良地質分析和隧道施工穩定性評價

2.1" "不良地質分析

根據地質調查結果，該隧道施工區域內通過巖石斷層，該斷層從距離右側隧道出口約 55m 處通過，斷層性質為逆斷層，屬小江斷裂分支、全新世活動斷裂，斷層寬度在30m左右。斷裂帶以碎裂巖、斷角礫和斷層泥為主，斷裂面發育有明顯的裂理，斷裂面為摩擦鏡和刮痕。斷層帶兩側巖體風化強烈，巖體破碎，斷層帶劈理和節理發育，巖塊直徑1～3cm，滑坡、崩塌頻發。

2.2" "隧道施工穩定性評價

2.2.1" "進口段隧道洞口

進口段隧道洞口位于斜坡地段，軸線方向約355°，地形基本對稱，基巖出露。根據周邊地質調繪，出露地層巖性為白云巖，其節理裂隙發育，巖體破碎。隧道洞口仰坡及其兩側邊坡的坡體為強風化白云巖和中風化白云巖，節理裂隙發育，巖體破碎。在仰坡和邊坡開挖過程中，如果沒有超前支護或者其他防護措施，就會因為斜坡陡峭、地表水沖刷、爆破施工不當等情況，導致邊坡巖土崩落。處在斜坡上的進口段隧道洞口存在偏壓現象，隧道設計與施工時應給與充分考慮。

2.2.2" "出口段隧道洞口

出口段隧道洞口同樣位于斜坡地段，軸線方向約 358°，植被發育，多為灌木叢，地表為碎石土，下伏基巖主要為玄武巖。隧道洞口坡面與巖體方向相反，為反向斜坡；其左側斜坡與巖層傾向有較大夾角的斜坡，屬于穩定邊坡。其右側斜坡與地層走向相對傾斜，有一個較大的夾角，也是穩定斜坡。

中等強度風化層的抗侵蝕能力不強，其節理裂隙發育，巖體破碎，如果沒有超前支護或者其他防護措施，也會因為斜坡陡峭、地表水沖刷、爆破施工不當等情況，導致邊坡巖土崩塌。隧道出口位于斜坡上，有一定的偏壓，是隧道設計和施工必須重視的問題。

3" "三臺階法施工要點

三臺階法施工適用于一般地層中的Ⅳ級圍巖段、Ⅴ級圍巖深埋段及黃土地層中Ⅳ級圍巖深埋地段。根據該雙線隧道的水文地質情況，決定采用三臺階法施工。

3.1" "上臺階施工

隧道拱部進行超前支護完成后，沿環向開挖隧道拱部的弧形導坑，在導坑中間預留長度為3～5m、寬度為開挖寬度1/3～1/2的核心土。開挖結束后立即進行厚度為3～5cm混凝土初噴。混凝土初噴后，及時鉆設錨桿、架設鋼筋網和鋼架、復噴混凝土至設計厚度。在鋼架拱腳的上方30cm處、緊貼鋼架兩側，按照向下傾斜30°的角度鉆設鎖腳錨，并與鋼架焊接牢固，使其形成上臺階初期支護，從而保證隧道圍巖的穩定。

3.2" "中臺階施工

中臺階開挖應延續保留與上臺階尺寸相同的核心土。中臺階開挖的進尺根據鋼架之間的距離確定，最長不得超過1.5m，開挖高度一般為3～4m，開挖后立即進行3～5cm混凝土初噴，及時鉆設錨桿、架設鋼筋網和鋼架、復噴混凝土至設計厚度。

按照與上臺階相同方法，在鋼架拱腳的上方30cm處、緊貼鋼架兩側，按照向下傾斜30°的角度鉆設鎖腳錨，并將其與鋼架焊接牢固，形成中臺階初期支護，以保證隧道圍巖的穩定。

3.3" "下臺階施工

下臺階開挖應延續保留與上、中臺階尺寸相同的核心土。下臺階開挖進尺由初期支護鋼架的間距決定，最長不能大于1.5m，開挖高度通常是3～4m，開挖后立即進行3～5cm混凝土初噴，及時鉆設錨桿、架設鋼筋網和鋼架、復噴混凝土至設計厚度。按照與上、中臺階相同方法，在鋼架拱腳的上方30cm處、緊貼鋼架兩側，按照向下傾斜30°的角度鉆設鎖腳錨，并將其與鋼架焊接牢固，使其形成下臺階初期支護，以保證隧道圍巖的穩定。

在上、中、下臺階均完成上述施工的隧道段，分段開挖上、中、下臺階預留的核心土，同時分段開挖隧道底部并完成初期支護，使初期支護成環，然后進行仰拱施工。

4" "施工過程監測與數據分析

4.1" "拱頂沉降監測與數據分析

4.1.1" "拱頂沉降監測

為了分析該隧道施工過程中圍巖的變形規律，選取了KH44+755和KH44+765斷面進行監測，并根據監測數對這兩個斷面拱頂沉降隨時間變化情況進行分析。對這兩個斷面進行拱頂沉降監測后，根據監測數據繪制的拱頂沉降隨時間變化曲線如圖1所示。

4.1.2" "數據分析

由圖1可知，KH44+755和KH44+765兩個斷面拱頂沉降隨著隧道施工的逐步推進而逐漸增大，并且KH44+765斷面的拱頂沉降幅度要明顯大于KH44+755斷面。這一現象可能與兩個斷面所處的不同地質環境、圍巖性質以及局部施工條件的差異有關。進一步分析可知，在施工初期，尤其是在中臺階開挖階段之前，兩個斷面的拱頂沉降速率均較大。這一階段主要由于隧道開挖引起的圍巖應力重新分布和應力釋放，導致圍巖變形顯著，沉降速率較快。

進入中臺階開挖階段至仰拱初期支護施作完成之間，沉降速率有所減緩，這表明隨著支護結構逐步到位，圍巖變形的速率受到一定的控制和約束，沉降逐漸趨于平緩。尤其是在仰拱施工完成后，拱頂沉降速率進一步減小，最終趨于穩定，這表明此時圍巖的變形已經接近完成，系統的支護作用逐漸顯現，圍巖變形進入長期穩定狀態。

在KH44+755和KH44+765斷面施工接近尾聲時，拱頂沉降分別停止在-9.85mm和-10.11mm，表明這兩個斷面的沉降已基本穩定，圍巖的變形幅度趨于最小，施工階段的主要變形過程基本完成。

4.2" "拱腰收斂監測與數據分析

4.2.1" "拱腰收斂監測曲線繪制

為了分析該隧道施工過程中圍巖的變形規律，對KH44+755和KH44+765斷面的拱腰收斂隨時間變化情況進行了監測，根據監測數據繪制的拱腰收斂隨時間變化曲線如圖2所示。

4.2.2" "數據分析

由圖2可知，KH44+755和KH44+765斷面的拱腰收斂隨著施工推進逐漸增大，且兩者的拱腰收斂差異較小。隨著施工的推進，尤其是在開挖過程中，圍巖的應力逐漸釋放，從而導致拱腰收斂現象逐步加劇。

在中臺階開挖階段到仰拱施作完成過程中，這兩個斷面的拱腰收斂變形速率較快，顯示出隧道開挖和支護結構施工過程中圍巖應力重新分布的影響。特別是在中臺階開挖階段，隨著支護結構尚未完全到位，圍巖的變形較為明顯，收斂速率較大。

當進入仰拱施作階段，隨著仰拱的逐步施工，支護效果開始顯現，圍巖變形逐漸受到控制，拱腰收斂速率有所減緩。當仰拱施工結束時，拱腰收斂變形趨于停止，表明圍巖變形的主要過程已基本完成，并達到了長期穩定狀態。在KH44+755和KH44+765斷面的拱腰收斂趨于穩定時，其收斂值分別為-4.72mm和-4.9mm，表明這兩個斷面的拱腰收斂在施工完成后趨于平衡，圍巖變形幅度趨于最小。

4.3" "拱腳收斂監測與數據分析

4.3.1" "拱腳收斂監測曲線繪制

為了分析該隧道施工過程中圍巖的變形規律，對KH44+755和KH44+765斷面的拱腳收斂隨時間變化情況進行了監測，根據監測數據繪制的拱腳收斂隨時間變化曲線如圖3所示。

4.3.2" "數據分析

從圖3中可知，KH44+755和KH44+765斷面的拱腳收斂隨著施工的推進逐漸增大，而且這兩個監測斷面拱腳收斂的變化幅度相差不大，這說明兩者的圍巖變形表現出相似的趨勢。隨著施工的推進，拱腳與拱腰的變形規律基本一致，均呈現出逐步增大的趨勢，這表明在隧道施工過程中，圍巖的變形呈現出較為協調的變化特征。特別是在仰拱施工完成后，兩個監測斷面的拱腳變形趨于穩定，顯示出圍巖在支護結構作用下逐漸達到了穩定狀態。

在KH44+755和KH44+765斷面拱腳的收斂趨于穩定時，其收斂值分別為-2.94mm和-3.02mm，這表明在隧道施工完成后，拱腳的圍巖變形已經基本穩定，達到設計要求，確保了隧道結構的安全性。隨著施工的深入，隧道圍巖變形的規律呈現出明顯的順序性，即拱頂的變形幅度最大，其次是拱腰，最后是拱腳，即拱頂＞拱腰＞拱腳。

5" "結束語

本文以仁和隧道工程施工為研究對像，對該隧道圍巖變形規律進行了現場監測分析。監測結果表明：KH44+755和KH44+765兩個斷面拱頂沉降隨著施工的進行逐漸增大，且KH44+765斷面拱頂沉降要大于KH44+755斷面。從中臺階開挖階段到仰拱施作完成過程中，拱腰收斂變形速率較快，當仰拱施工結束時，拱腰變形趨于穩定。隨著施工的進行，拱腰與拱腳的變形規律基本相同。當仰拱施工結束時，拱腳變形趨于穩定。由此得出隧道圍巖變形大小的規律為：拱頂＞拱腰＞拱腳。

參考文獻

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