軟弱圍巖大斷面隧道臺(tái)階法施工技術(shù)研究

左明+左茜+余紅燏

摘要： 以軟弱圍巖大斷面隧道三臺(tái)階七步開(kāi)挖方法為研究對(duì)象，利用有限元模擬技術(shù)，重點(diǎn)研究了在擬定施工方案時(shí)較為關(guān)心的臺(tái)階長(zhǎng)度、上臺(tái)階高度和開(kāi)挖進(jìn)尺三個(gè)關(guān)鍵因素通過(guò)工況之間的組合來(lái)尋求對(duì)于隧道施工較為理想的施工組織方案。結(jié)果表明在單因素和綜合因素組合工況下，均可得到在特定施工環(huán)境中最為綜合的有利施工方案，可為類似工程提供思路。

關(guān)鍵詞：軟弱圍巖；大斷面隧道；臺(tái)階法

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.14.102

1引言

隨著我國(guó)各類交通運(yùn)輸事業(yè)的持續(xù)發(fā)展，鐵路和公路發(fā)展已經(jīng)成為重要的經(jīng)濟(jì)支撐條件，這也伴隨著大量的公路、鐵路隧道的修建工程需要，也面臨著隧道修建過(guò)程中隧道跨度長(zhǎng)、地質(zhì)條件復(fù)雜、斷面大等工程問(wèn)題。在隧道施工中如果遇到對(duì)開(kāi)挖敏感、凈空斷面積大、周圍圍巖軟弱等條件時(shí)，隧道施工將面臨更大的難題，由此導(dǎo)致的事故已經(jīng)屢見(jiàn)不鮮。隨著對(duì)運(yùn)力要求的提高，100m2以上大斷面鐵路隧道數(shù)量已經(jīng)很多，部分專線鐵路隧道開(kāi)挖面積甚至超過(guò)150m2的。因此隧道大斷面的趨勢(shì)已經(jīng)很明顯，對(duì)軟弱圍巖地質(zhì)條件下的大跨度和大斷面的隧道施工技術(shù)成當(dāng)前隧道施工的研究難點(diǎn)和熱點(diǎn)之一，對(duì)其進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

對(duì)于這類軟弱圍巖大斷面隧道施工問(wèn)題，國(guó)內(nèi)施工方法主要有“三臺(tái)階七步開(kāi)挖法”、CRD法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等，其中三臺(tái)階七步開(kāi)挖法在國(guó)內(nèi)的軟弱圍巖大斷面隧道施工中的應(yīng)用最為廣泛。本文的研究也針對(duì)這一普遍應(yīng)用的方法，對(duì)其進(jìn)一步展開(kāi)研究，主要針對(duì)在三臺(tái)階七步開(kāi)挖法的參數(shù)的優(yōu)化方法研究，其目的在于對(duì)三臺(tái)階七步開(kāi)挖的部分施工參數(shù)進(jìn)行分析和優(yōu)化，尤其是從隧道力學(xué)效應(yīng)和隧道變形的角度來(lái)研究施工參數(shù)范圍，探索提升這一施工技術(shù)適應(yīng)性的可能性。

2軟弱圍巖大斷面隧道力學(xué)特點(diǎn)分析

目前對(duì)大斷面隧道的劃分標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)國(guó)際隧道協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)50-100m2或日本標(biāo)準(zhǔn)100-120m2，二者存在一定的差異，但無(wú)論哪種劃分方式，其基本特征是隨著隧道開(kāi)挖面積的增大而導(dǎo)致施工難度急速上升，對(duì)隧道的支護(hù)技術(shù)提出了非常高的要求，尤其是在大斷面隧道的超前支護(hù)和初期支護(hù)方面。隨著隧道開(kāi)挖面積的增大，開(kāi)挖底部轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯，對(duì)地基的承載力也提出了更高的要求，與此同時(shí)也會(huì)伴隨著松弛荷載增大，提高了形成拱效應(yīng)的條件，需要有更大的埋深。

在圍巖方面，軟弱圍巖主要是指具有顯著塑性變形的復(fù)雜巖石力學(xué)介質(zhì)，其定義尚未統(tǒng)一，但主要特征基本一致，即表現(xiàn)為圍巖軟弱松散，具有較高的地應(yīng)力，圍巖強(qiáng)度較低，風(fēng)化程度較高容易發(fā)生變形以及長(zhǎng)期流變等。當(dāng)前國(guó)內(nèi)鐵路系統(tǒng)一般把IV級(jí)一下的圍巖定義為軟弱圍巖，在這類劃分標(biāo)準(zhǔn)下，軟弱圍巖一般都具有質(zhì)地軟，裂隙節(jié)理發(fā)育程度高、承載能力低等特點(diǎn)，巖體破碎松散，巖體之間粘結(jié)力很差，容易發(fā)生塑性變形而擠壓洞室、不容易形成拱、容易發(fā)生坍塌、滑移、墜落等事故。

3三臺(tái)階七步開(kāi)挖法控制性參數(shù)

三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工的參數(shù)控制主要有兩類，一是開(kāi)挖施工的尺寸參數(shù)，二是開(kāi)挖施工的材料參數(shù)。其中開(kāi)挖施工的尺寸參數(shù)主要指指隧道開(kāi)挖的進(jìn)尺、臺(tái)階高度/長(zhǎng)度、核心土寬度、左右臺(tái)階錯(cuò)距等。這類參數(shù)主要控制的隧道開(kāi)挖過(guò)程中的支護(hù)受力情況，另一方面也會(huì)間接決定支護(hù)材料的參數(shù)。在施工材料參數(shù)方面，主要是是初步支護(hù)、二襯混凝土型號(hào)、鋼拱架型號(hào)、注漿以及錨桿等。

上述參數(shù)將直接決定工程造價(jià)和工期，因此合理的選擇這些參數(shù)對(duì)于這類隧道施工具有重要意義。為提高針對(duì)性，本文中主要針對(duì)上述參數(shù)中的臺(tái)階高度、臺(tái)階長(zhǎng)度作為主要參數(shù)展開(kāi)。

4臺(tái)階長(zhǎng)度的影響

在三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工中的臺(tái)階長(zhǎng)度參數(shù)是關(guān)鍵參數(shù)之一，會(huì)對(duì)隧道收斂、縱向受力、拱架受力、錨桿受力等多個(gè)方面造成影響，臺(tái)階太長(zhǎng)或太短都對(duì)隧道的穩(wěn)定和施工造成困難。但顯然在不同的臺(tái)階長(zhǎng)度范圍內(nèi)會(huì)存在相對(duì)較為理想的長(zhǎng)度范圍，對(duì)不同的臺(tái)階長(zhǎng)度進(jìn)行模擬計(jì)算再比較關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行評(píng)估后可得到較為理想的臺(tái)階長(zhǎng)度范圍。本文中取某地鐵路隧道資料，利用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，模擬時(shí)臺(tái)階高度取4m，開(kāi)挖進(jìn)尺取0.8m，其他施工參數(shù)不變，對(duì)臺(tái)階的長(zhǎng)度按等步長(zhǎng)0.8m從2.4m～7.3m模擬7種工況，對(duì)模擬結(jié)果主要選擇沉降收斂、初噴混凝土第一主應(yīng)力、拱架與鎖腳錨管最大壓應(yīng)力共4類參數(shù)進(jìn)行分析比較。

模擬結(jié)果表明，臺(tái)階長(zhǎng)度隨著長(zhǎng)度增加，拱腳相對(duì)位移最大值也隨之增大，主要增量來(lái)自于上臺(tái)階拱腳，其相對(duì)位移和區(qū)域均呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)。掌子面變形值隨臺(tái)階長(zhǎng)度增加而不斷減小。掌子面附近混凝土最大拉應(yīng)力呈現(xiàn)出先變小后變大的趨勢(shì)。而在拱腳和鎖腳錨管拉應(yīng)力方面，其最大應(yīng)力均呈現(xiàn)出變大趨勢(shì)。總體而言，在隧洞斷面各方面位移及受理不太大的情況下，臺(tái)階長(zhǎng)度在4m～6m是一個(gè)較為平衡的施工方案。

5臺(tái)階高度的影響

三臺(tái)階七步開(kāi)挖方法把整個(gè)隧道的凈空高度分為四個(gè)部分，其中最重要度隧道影響最大的是上臺(tái)階高度，這是三臺(tái)階七步開(kāi)挖方法的關(guān)鍵參數(shù)之一，對(duì)掌子面的穩(wěn)定和初期支護(hù)受力有重要影響。本部分的分析中以上臺(tái)階高度為變量，從3m～6m，以0.5m為步長(zhǎng)，上核心圖高度取做7種工況進(jìn)行數(shù)值模擬，臺(tái)階長(zhǎng)度取4.8m，開(kāi)挖進(jìn)尺取0.8m。對(duì)上述各類工況仍按有限元法進(jìn)行數(shù)值模擬，取模擬結(jié)果中隧道個(gè)方向位移、初噴混凝土最大拉應(yīng)力、拱架和鎖腳錨管的最大壓應(yīng)力作為判別指標(biāo)，從中找出合理的上臺(tái)階高度范圍。

模擬結(jié)果表明，隨著臺(tái)階高度的增加各工況下的水平方向拱腳相對(duì)位移值呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)，拱頂沉降相對(duì)穩(wěn)定受影響不大。而掌子面擠出變形值先小后大，臺(tái)階高度達(dá)到6m后容易出現(xiàn)掌子面的坍塌。初噴混凝土第一主應(yīng)力隨著臺(tái)階高度的增加而減小。拱架最大應(yīng)力變化基本穩(wěn)定，鎖腳錨管最大應(yīng)力單調(diào)減小。綜合而言臺(tái)階高度在4.5～5.5m能較好的綜合各方面因素，讓隧道變形和受力狀態(tài)均在較為理想的低水平范圍。

6組合施工參數(shù)規(guī)律

本小節(jié)在臺(tái)階長(zhǎng)度和高度的模擬基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展到開(kāi)挖進(jìn)尺方面，分別以不同的開(kāi)挖進(jìn)尺，取08m、10m、12m三個(gè)值，上臺(tái)階高度取值范圍4.5m、5m、5.5m，臺(tái)階長(zhǎng)度取4m～6m。以上上述參數(shù)進(jìn)行綜合模擬，取模擬結(jié)果中的隧洞各方向位移、初噴混凝土第一主應(yīng)力和鋼拱架以及鎖腳錨管最大壓應(yīng)力值作為主要判別指標(biāo)。

綜合各類參數(shù)的組合后得到的主要規(guī)律如下：在臺(tái)階高度和臺(tái)階長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上加入開(kāi)挖進(jìn)尺這一參數(shù)后，將直接影響工程的工期及造價(jià)，在相同上臺(tái)階高度條件下，隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增加，隧道斷面在X和Y方向的位移均呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，在Z軸方向的位移值基本穩(wěn)定略減小，與此同時(shí)初噴混凝土的第一主應(yīng)力也隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增加而減少，于此相反的是鋼拱架和鎖腳錨管最大主應(yīng)力隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增加而不斷增大。因此從總體上看，開(kāi)挖進(jìn)尺的增加對(duì)隧道的整體位移和受力特性是呈現(xiàn)出不利的變化趨勢(shì)。總結(jié)而言，隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增加隧道水平位移和拱頂沉降會(huì)加大，這必然導(dǎo)致鋼拱架也鎖腳錨管的最大壓應(yīng)力相應(yīng)增加，但也有會(huì)使得掌子面位移和混凝土應(yīng)力減小，因而上臺(tái)階的高度的增加對(duì)于提高開(kāi)挖進(jìn)尺有利。綜合各類工況組合時(shí)，篩選出的較為理想的施工組合方案有2種：（1）上臺(tái)階高度5.5m，開(kāi)挖進(jìn)尺1m，（2）上臺(tái)階高度5m，開(kāi)挖進(jìn)尺1m。

7結(jié)論

本文提出的臺(tái)階施工法中工況組合方法可為類似軟弱圍巖大斷面隧道施工提供思路參考，可通過(guò)臺(tái)階長(zhǎng)度、上臺(tái)階高度和開(kāi)挖進(jìn)尺的模擬組合得出對(duì)于工程施工綜合最有利的施工方案。

參考文獻(xiàn)

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