軟巖隧道臺(tái)階法與全斷面(含仰拱)法施工比較研究
——以成蘭鐵路平安隧道為例

鮮 國(guó)

(成蘭鐵路有限責(zé)任公司， 四川 成都 610036)

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軟巖隧道臺(tái)階法與全斷面(含仰拱)法施工比較研究
——以成蘭鐵路平安隧道為例

鮮 國(guó)

(成蘭鐵路有限責(zé)任公司， 四川 成都 610036)

以成蘭鐵路平安隧道軟巖段施工為背景，采用數(shù)值模擬、理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法對(duì)全斷面(含仰拱)法和臺(tái)階法施工時(shí)的圍巖變形、初期支護(hù)受力及施工組織等方面進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明： 上下臺(tái)階法相比全斷面(含仰拱)法開(kāi)挖圍巖要穩(wěn)定，但全斷面(含仰拱)法開(kāi)挖累計(jì)變形量更??； 2種方法開(kāi)挖產(chǎn)生的剪切、拉伸破壞區(qū)的范圍大小相近，均能滿足結(jié)構(gòu)安全的需要，而全斷面(含仰拱)法的施工質(zhì)量比上下臺(tái)階法易于控制； 全斷面(含仰拱)法在人員投入和施工進(jìn)度等方面明顯優(yōu)于上下臺(tái)階法。

軟巖隧道； 千枚巖； 臺(tái)階法； 全斷面(含仰拱)法； 施工組織

0 引言

軟巖隧道的施工效率是當(dāng)前隧道工程界關(guān)注的問(wèn)題，開(kāi)挖方法則是決定軟巖隧道施工效率的關(guān)鍵因素之一。目前，隧道施工過(guò)程中遇到軟巖一般采用臺(tái)階法或其他分部的開(kāi)挖方法，這些開(kāi)挖方法在軟巖隧道的施工中起到了重要的作用，并且隨著我國(guó)隧道建設(shè)的快速發(fā)展得到完善。但由于受工序銜接和作業(yè)空間等因素的限制，工效依然不高[1-2]。全斷面開(kāi)挖法具有工序銜接較少、作業(yè)空間相對(duì)較大、施工速度較快等優(yōu)點(diǎn)，但出于安全考慮，往往不被應(yīng)用在軟巖隧道施工中。為了實(shí)現(xiàn)軟巖隧道全斷面開(kāi)挖，采取超前預(yù)加固掌子面和改進(jìn)TBM性能等措施。掌子面超前預(yù)加固的全斷面開(kāi)挖工法主要應(yīng)用在掌子面不能自穩(wěn)和圍巖大變形的條件，施工效率依然較低[3-4]。由于斷面和地質(zhì)適應(yīng)性的問(wèn)題，改進(jìn)TBM性能的全斷面法的使用也受到限制[5]。如何在開(kāi)挖后有一定自穩(wěn)能力的軟巖隧道中實(shí)現(xiàn)全斷面開(kāi)挖就成為隧道工程界關(guān)心的問(wèn)題，并不斷進(jìn)行嘗試[6-12]。根據(jù)成蘭鐵路平安隧道實(shí)際的圍巖條件和工程進(jìn)度需要，提出帶仰拱一次開(kāi)挖的全斷面開(kāi)挖方法，即全斷面(含仰拱)法，并在平安隧道2#橫洞對(duì)應(yīng)的正洞左、右線同時(shí)采用全斷面(含仰拱)法和上下臺(tái)階法進(jìn)行試驗(yàn)性的施工，從圍巖變形、初期支護(hù)受力及施工組織等方面進(jìn)行比較分析。

1 工程概況

平安隧道是成蘭鐵路成都至川主寺段站前工程的控制工程，位于茂縣境內(nèi)。隧道分修，左線全長(zhǎng)28.426 km，右線全長(zhǎng)28.4 km，線間距約30 m，設(shè)計(jì)時(shí)速200 km/h。平安隧道設(shè)6個(gè)橫洞、2個(gè)斜井，采用鉆爆法施工。平安隧道2#橫洞工區(qū)對(duì)應(yīng)為左線ZD8K154+925～ZD8K160+590、右線YD8K155+327～YD8K160+588，斷面大小約80 m2。該段埋深為50～1 700 m，以Ⅳ級(jí)圍巖為主。砂巖夾千枚巖、灰?guī)r、礫巖，施工揭示圍巖為絹云千枚巖，巖體片理面和隧道走向呈80～90°夾角，圍巖節(jié)理發(fā)育，較破碎—破碎，呈灰色、灰黑色。平行飽和抗壓強(qiáng)度為5 MPa，垂直飽和抗壓強(qiáng)度為19 MPa，屬軟巖或較軟巖，裂隙、結(jié)構(gòu)面可局部滲水，呈無(wú)線狀流水，巖石外觀見(jiàn)圖1。

(a) 干燥狀態(tài)下

(b) 濕潤(rùn)狀態(tài)下

在正交偏光顯微鏡和掃描電鏡下巖樣形態(tài)見(jiàn)圖2。正交偏光顯微鏡顯示有細(xì)小絹云母連續(xù)定向分布，顯微片狀變晶結(jié)構(gòu)，千枚狀構(gòu)造；掃描電鏡顯示絹云母細(xì)鱗片狀集合體定向均勻分布。

(a) 正交偏光顯微鏡下巖樣形態(tài)

(b) 掃描電鏡下巖樣形態(tài)

2 上下臺(tái)階法與全斷面(含仰拱)法數(shù)值模擬比較分析

2.1 計(jì)算模型

平安隧道設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1，模擬采用摩爾-庫(kù)侖模型，大小取開(kāi)挖斷面的8倍，綜合設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載試驗(yàn)對(duì)有限元計(jì)算模型中圍巖參數(shù)取值，數(shù)值計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 支護(hù)參數(shù)

表2 數(shù)值計(jì)算參數(shù)

上下臺(tái)階法開(kāi)挖模擬過(guò)程見(jiàn)圖3(參照現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)上下臺(tái)階的分界線)： 上臺(tái)階開(kāi)挖及初期支護(hù)施作—下臺(tái)階開(kāi)挖及初期支護(hù)施作—仰拱開(kāi)挖及初期支護(hù)施作—仰拱填充； 全斷面(含仰拱)法開(kāi)挖模擬過(guò)程見(jiàn)圖4： 斷面開(kāi)挖及拱墻初期支護(hù)施作—仰拱初期支護(hù)施作—仰拱填充。

(a) 上臺(tái)階開(kāi)挖及初期支護(hù)施作

(b) 下臺(tái)階開(kāi)挖及初期支護(hù)施作

(c) 仰拱開(kāi)挖及初期支護(hù)施作

(d) 仰拱填充

(a) 斷面開(kāi)挖及拱墻初期支護(hù)施作

(b) 仰拱初期支護(hù)施作

(c) 仰拱填充

2.2 位移結(jié)果分析

對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行提取，得出上下臺(tái)階法和全斷面(含仰拱)法的水平位移和垂直位移，見(jiàn)圖5和圖6。忽略上臺(tái)階開(kāi)挖后初期支護(hù)尚未施作部分的位移，使同一位置的位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)可以相互印證。位移計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

從表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，2種開(kāi)挖方法的計(jì)算結(jié)果均大于實(shí)測(cè)結(jié)果(平均值)，這主要是由于監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)是在隧道出碴完畢后埋設(shè)，前期數(shù)據(jù)丟失所致。但計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合，且均能滿足設(shè)計(jì)預(yù)留變形量的要求，而全斷面(含仰拱)法累計(jì)變形量更小。

2.3 剪切、拉伸區(qū)計(jì)算結(jié)果分析

上下臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)隧道圍巖剪切、拉伸破壞區(qū)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。

(a) 上下臺(tái)階法

(b) 全斷面(含仰拱)法

Fig. 5 Comparison befween nephograms of horizontal displacement (m)

(a) 上下臺(tái)階法

(b) 全斷面(含仰拱)法

Fig. 6 Comparison befween nephograms of vertical displacement (m)

表3 位移計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

Table 3 Comparison between numerical simulated displacement and site monitoring results

開(kāi)挖方法拱頂沉降/mm計(jì)算結(jié)果實(shí)測(cè)結(jié)果(平均值)水平收斂/mm計(jì)算結(jié)果實(shí)測(cè)結(jié)果(平均值)上下臺(tái)階法25.624.73625.0全斷面(含仰拱)法18.017.12717.9

(a) 上臺(tái)階開(kāi)挖

(b) 下臺(tái)階開(kāi)挖

(c) 仰拱開(kāi)挖

(d) 仰拱填充

Fig. 7 Distributions of shear zones and tensile failure zones of tunnel constructed by top heading and bench method

由圖7可知： 隨著下臺(tái)階的開(kāi)挖，圍巖剪切、拉伸破壞區(qū)均有所增大，而仰拱開(kāi)挖和填充時(shí)的剪切、拉伸破壞區(qū)增加不明顯，這主要是由于上臺(tái)階開(kāi)挖面積占總開(kāi)挖面積比例過(guò)大的原因。

全斷面(含仰拱)法開(kāi)挖時(shí)圍巖剪切、拉伸破壞區(qū)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。

(a) 全斷面開(kāi)挖

(b) 仰拱填充

Fig. 8 Distributions of shear zones and tensile failure zones of tunnel constructed by full-face method

由圖8可知： 全斷面(含仰拱)法開(kāi)挖時(shí)的剪切、拉伸破壞區(qū)是由斷面開(kāi)挖一次形成的，施作仰拱初期支護(hù)和填充仰拱對(duì)圍巖剪切、拉伸破壞區(qū)的分布影響不大。

對(duì)比圖7和圖8可知： 2種方法開(kāi)挖時(shí)剪切破壞區(qū)大小基本一致，均在1倍洞徑范圍內(nèi)； 全斷面法開(kāi)挖時(shí)邊墻部位的拉伸破壞區(qū)略大于上下臺(tái)階法，這主要是由于模擬過(guò)程中沒(méi)有考慮爆破的二次擾動(dòng)造成的。

盡管2種方法產(chǎn)生的剪切、拉伸破壞區(qū)的范圍大小相近，但由于全斷面(含仰拱)法開(kāi)挖時(shí)圍巖臨空面大，洞周圍巖相比上下臺(tái)階法開(kāi)挖易產(chǎn)生局部掉塊； 因此，上下臺(tái)階法比全斷面(含仰拱)法開(kāi)挖要穩(wěn)定。在斷面開(kāi)挖完成后要及時(shí)初噴，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，采用濕噴機(jī)械手對(duì)全斷面(含仰拱)法開(kāi)挖隧道進(jìn)行初噴能夠保證開(kāi)挖洞室的穩(wěn)定。

2.4 初期支護(hù)內(nèi)力及安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果分析

初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性也是決定開(kāi)挖方法的重要因素。為了對(duì)比2種開(kāi)挖方法下初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性，提取隧道周邊相應(yīng)位置的軸力和彎矩計(jì)算結(jié)果。以圖9中A點(diǎn)位置為橫軸的0點(diǎn)，逆時(shí)針依次展開(kāi)，繪制隧道周邊初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力和彎矩(初期支護(hù)臨巖面受拉時(shí)彎矩為正，臨空面受拉時(shí)彎矩為負(fù))，結(jié)果見(jiàn)圖10和圖11。

圖9 初期支護(hù)軸力和彎矩提取參照?qǐng)D

Fig. 9 Reference view of axial force and bending moment of primary support

圖10 初期支護(hù)軸力圖

圖11 初期支護(hù)彎矩圖

由圖10可知： 2種方法開(kāi)挖的最大軸力均出現(xiàn)在拱頂，且大小相近；在拱腰以下部位，全斷面(含仰拱)法開(kāi)挖隧道的初期支護(hù)軸力大于上下臺(tái)階法； 在仰拱部位，2種開(kāi)挖方法的軸力大小相近，這主要是由于2種開(kāi)挖方法的仰拱初期支護(hù)均是在上部支護(hù)結(jié)構(gòu)完成后才施作的原因。

由圖11可知： 在拱部，上下臺(tái)階法開(kāi)挖的彎矩絕對(duì)值明顯大于全斷面(含仰拱)法； 在邊墻部位，全斷面(含仰拱)法開(kāi)挖初期支護(hù)產(chǎn)生的彎矩大于上下臺(tái)階法； 在仰拱部位，2種開(kāi)挖方法的彎矩大小一致。

從軸力和彎矩的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)均為彎壓構(gòu)件。為了判斷2種開(kāi)挖方法條件下初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性，安全系數(shù)參照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中彎壓構(gòu)件計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算[13]。

K=φαRbh/N。

式中：K為安全系數(shù)；φ為構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)，對(duì)于隧道襯砌、明洞拱圈及墻背緊密回填的邊墻，可取為1；α為軸向力的偏心影響系數(shù)；R為混凝土或砌體的抗壓極限強(qiáng)度；b為截面的寬度；h為截面的厚度；N為軸向力。

安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖12 初期支護(hù)安全系數(shù)分布

由圖12可知，2種開(kāi)挖方法的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果均能滿足初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全的需要?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，在2種方法施工過(guò)程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)均未出現(xiàn)異常，但由于臺(tái)階法上臺(tái)階的支護(hù)結(jié)構(gòu)施作先于下臺(tái)階，受開(kāi)挖和變形等影響，易造成上下臺(tái)階交接部位不圓順，改變初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

通過(guò)建立有限元模型，對(duì)比上下臺(tái)階法和全斷面(含仰拱)法開(kāi)挖隧道洞周位移，剪切、拉伸破壞區(qū)大小，以及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)得出以下結(jié)論：

1)上下臺(tái)階法和全斷面(含仰拱)法開(kāi)挖均能滿足設(shè)計(jì)預(yù)留變形量和結(jié)構(gòu)安全的需要。

2)相對(duì)于上下臺(tái)階法，全斷面(含仰拱)法開(kāi)挖洞周圍巖易產(chǎn)生局部掉塊，但可通過(guò)濕噴機(jī)械手初噴1層素混凝土來(lái)保證施工的安全。初噴使混凝土顆粒及漿液嵌入圍巖裂隙，在圍巖之間形成連續(xù)拱效應(yīng)，從而有效控制拱墻掉塊現(xiàn)象。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

選擇平安隧道地質(zhì)條件相似的左線ZD8K157+160～200段和右線YD8K157+165～205段，每10 m一間隔共取5個(gè)斷面比較2種開(kāi)挖方法的拱頂沉降和水平收斂情況，斷面分別編號(hào)為1、2、3、4、5。2種開(kāi)挖方法條件下拱頂下沉和水平收斂情況見(jiàn)圖13。

(a) 拱頂下沉

(b) 水平收斂

由圖13可知： 全斷面(含仰拱)法拱頂下沉和水平收斂較上下臺(tái)階法小；全斷面(含仰拱)法開(kāi)挖時(shí)，最小拱頂下沉量為最大下沉量的78.4%，最小水平收斂量為最大收斂量的82.7%。采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，最小拱頂下沉量為最大下沉量的66.0%，最小水平收斂量為最大收斂量的66.8%，也說(shuō)明全斷面(含仰拱)法施工質(zhì)量比上下臺(tái)階法易于控制。

4 現(xiàn)場(chǎng)施作情況對(duì)比分析

4.1 資源投入

收集施工現(xiàn)場(chǎng)2種方法條件下1個(gè)循環(huán)不同工序的人工和設(shè)備(不計(jì)不在工序中的資源)投入情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知： 全斷面(含仰拱)法掌子面附近人員投入比上下臺(tái)階法少13人，由于投入先進(jìn)的濕噴機(jī)械手，可使噴漿作業(yè)人員減少4人； 在設(shè)備方面，由于濕噴機(jī)械手的存在，全斷面(含仰拱)法的一次性投入大于上下臺(tái)階法，但可以有效減少作業(yè)人員。

從仰拱封閉的時(shí)間來(lái)說(shuō)，上下臺(tái)階法的仰拱初期支護(hù)須在再次爆破后進(jìn)行，而全斷面(含仰拱)法的仰拱無(wú)需再次爆破即可施工，可提前5～7 d封閉，能有效減少資源投入和施工干擾，同時(shí)可以降低通風(fēng)資源的投入和損耗。

綜上，在人員和設(shè)備投入以及工序銜接方面，全斷面(含仰拱)法優(yōu)于上下臺(tái)階法。

表4 現(xiàn)場(chǎng)人工和設(shè)備投入

4.2 施工進(jìn)度

施工現(xiàn)場(chǎng)均采用每循環(huán)1 m的進(jìn)尺施工，統(tǒng)計(jì)上下臺(tái)階法開(kāi)挖50 m各工序的時(shí)間以及全斷面(含仰拱)法開(kāi)挖100 m各工序的時(shí)間，然后進(jìn)行加權(quán)平均得出各工序所需時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 各工序時(shí)間

按照表5中的各工序時(shí)間，計(jì)算2種開(kāi)挖方法的月進(jìn)度，上下臺(tái)階法可以實(shí)現(xiàn)每月64 m的進(jìn)尺，而全斷面(含仰拱)法可以實(shí)現(xiàn)每月96 m的進(jìn)尺。因此，全斷面(含仰拱)法在施工效率上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論與建議

1)相對(duì)于上下臺(tái)階法，全斷面(含仰拱)法開(kāi)挖圍巖累計(jì)變形量更小，且拱架安裝整體質(zhì)量易于控制。

2)在圍巖穩(wěn)定性方面，2種方法均能滿足安全的要求，但上下臺(tái)階法優(yōu)于全斷面(含仰拱)法。采用濕噴機(jī)械手對(duì)全斷面(含仰拱)法開(kāi)挖隧道進(jìn)行初噴，能夠保證開(kāi)挖洞室的穩(wěn)定。

3)全斷面(含仰拱)法更適用于投入較多大型設(shè)備的情況，可通過(guò)減少單個(gè)工序的時(shí)間來(lái)提高施工進(jìn)度，降低其他費(fèi)用。

4)全斷面(含仰拱)法的地質(zhì)適用性尚待進(jìn)一步深入研究，建議在施工經(jīng)驗(yàn)豐富的情況下選用。

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Comparison between Bench Method and Full-face Method for Ping’an Soft Rock Tunnel on Chengdu-Lanzhou Railway

XIAN Guo

(Chengdu-LanzhouRailwayCo.,Ltd.,Chengdu610036,Sichuan,China)

Comparison between bench method and full-face method (including invert arch) for soft rock section of Ping’an Tunnel on Chengdu-Lanzhou Railway is made in terms of surrounding rock deformation, primary support stress and construction organization by using numerical simulation, theoretical calculation and site test. The study results show that: 1) The stability of surrounding rock of tunnel constructed by bench method is superior to that constructed by full-face method; and the accumulated deformation of tunnel constructed by full-face method is smaller than that constructed by bench method. 2) The sizes of shear zone and tensile failure zone of tunnel constructed by 2 methods are almost the same. The construction quality of tunnel constructed by full-face method is easier to control. 3) The full-face method is superior to bench method in terms of labor and construction schedule.

soft rock tunnel; phyllite; bench method; full-face method (including invert arch); construction organization

2016-07-08;

2016-11-03

鮮國(guó)(1965—)，男，四川渠縣人，1983年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)，鐵道工程專業(yè)，本科，高級(jí)工程師，主要從事鐵路工程建設(shè)技術(shù)管理工作。E-mail: 673446056@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.11.003

U 45

A

1672-741X(2016)11-1302-08