三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法與微臺(tái)階法在砂質(zhì)黃土隧道中的適用性對(duì)比分析

耿啟軍，屈振榮，蔡國(guó)慶，韋靖威，劉梓萌

（1.中鐵十七局集團(tuán)第五工程有限公司，山西太原 030032；2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法和微臺(tái)階法因其在隧道開(kāi)挖過(guò)程中能更加精細(xì)地控制圍巖變形而廣泛應(yīng)用于軟弱圍巖隧道施工中。陳潔金等［1］采用數(shù)值模擬方法，對(duì)三臺(tái)階七步法和臨時(shí)仰拱法在軟弱圍巖隧道中的適用性進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法在控制拱頂沉降、地表沉降、圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)擴(kuò)展面積及深度方面要優(yōu)于三臺(tái)階七步法。梁海東［2］結(jié)合蒙華鐵路車新莊1 號(hào)隧道施工，對(duì)三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法的施工流程及質(zhì)量控制要點(diǎn)進(jìn)行了分析。劉聰?shù)龋?］通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證了大拱腳三臺(tái)階法在淺埋軟弱紅黏土隧道施工中的合理性。孫旭華［4］介紹了衡廣復(fù)線大瑤山隧道9 號(hào)斷層帶的施工方法，實(shí)踐表明上半斷面微臺(tái)階環(huán)形開(kāi)挖適合該類軟弱圍巖大斷面隧道施工。馬輝等［5］提出了一種基于精細(xì)爆破技術(shù)的隧道微臺(tái)階開(kāi)挖工法，通過(guò)貴廣鐵路Ⅳ，Ⅴ級(jí)圍巖隧道施工證明了該工法能有效提高施工效率。楊世武等［6］對(duì)采用微臺(tái)階法施工隧道初期支護(hù)變形、圍巖塑性區(qū)、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力等進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證了采用微臺(tái)階法施工的合理性。

目前針對(duì)砂質(zhì)黃土隧道施工技術(shù)的研究相對(duì)較少。本文采用MIDAS有限元軟件，對(duì)蒙華鐵路砂質(zhì)黃土隧道施工過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值分析，對(duì)比三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法和微臺(tái)階法2種工法的適用性。蒙華鐵路陽(yáng)城隧道位于陜西省靖邊縣，在DK248+440.00—DK249+152.82 區(qū)段隧道上覆土層主要是第四紀(jì)晚更新世砂質(zhì)黃土，強(qiáng)濕陷性，下伏巖層是白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖，巖質(zhì)軟弱，巨型斜層理或交錯(cuò)層理發(fā)育。

1 施工流程及技術(shù)要求

1.1 三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法

三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法采用大拱腳提高土體的承載力，其施工流程如下：

1）超前支護(hù)。利用上一循環(huán)格柵鋼架以及水平旋噴樁作為隧道的超前支護(hù)。水平旋噴樁在全斷面砂巖段超前加固時(shí)，與隧道斷面的夾角為0°～204.28°，長(zhǎng)15 m，樁徑600 mm，樁間距400 mm，每循環(huán)搭接3 m。

2）上臺(tái)階開(kāi)挖及施作大拱腳初期支護(hù)，上臺(tái)階臨時(shí)仰拱開(kāi)挖支護(hù)，中臺(tái)階開(kāi)挖及施作大拱腳初期支護(hù)，下臺(tái)階開(kāi)挖及施作兩側(cè)初期支護(hù)。其中，上臺(tái)階高約3～4 m，中臺(tái)階高約4～5 m，下臺(tái)階高約2～3 m，以機(jī)械開(kāi)挖為主，輔以人工開(kāi)挖。在進(jìn)行大拱腳初期支護(hù)時(shí)，先噴射C25混凝土后架設(shè)格柵鋼架，噴射厚度為30 mm。在上臺(tái)階開(kāi)挖后及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)并噴射混凝土，厚度至少4 cm，格柵鋼架保護(hù)層厚度至少3 cm。

3）仰拱開(kāi)挖支護(hù)。仰拱超前拱墻二次襯砌施作，其超前距離保持3倍以上襯砌循環(huán)作業(yè)長(zhǎng)度。仰拱二次整體澆筑至側(cè)溝蓋板下30 cm，同時(shí)采用防水措施處理仰拱施工縫和變形縫。

4）仰拱填充。

1.2 微臺(tái)階法

微臺(tái)階法的施工流程為：①首先進(jìn)行上臺(tái)階的超前支護(hù)，再進(jìn)行上臺(tái)階開(kāi)挖，然后進(jìn)行中臺(tái)階開(kāi)挖；②上中臺(tái)階初噴C25 混凝土后，在上中臺(tái)階架設(shè)格柵鋼架的同時(shí)開(kāi)挖下臺(tái)階；③上中臺(tái)階再噴混凝土?xí)r下臺(tái)階架設(shè)格柵鋼架；④下臺(tái)階噴射混凝土，進(jìn)行仰拱開(kāi)挖并支護(hù)，再施作仰拱二次襯砌。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

建立了三維數(shù)值計(jì)算模型對(duì)上述2種工法在砂質(zhì)黃土隧道施工過(guò)程中的適用性進(jìn)行模擬分析。隧道上覆土層為砂質(zhì)黃土，下伏圍巖屬于Ⅴ級(jí)圍巖。數(shù)值計(jì)算模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1。三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法模型尺寸為120 m（x軸）×42 m（y軸）×90 m（z軸），微臺(tái)階法模型尺寸為 120 m（x軸）×21 m（y軸）×90 m（z軸）。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

計(jì)算模型中隧道圍巖均假定為各向同性材料，選取Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則進(jìn)行非線性靜力分析。相關(guān)參數(shù)依據(jù)蒙華鐵路陽(yáng)城隧道現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)資料并結(jié)合TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］和Ⅴ級(jí)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)［8］選取。因下伏砂巖的軟弱程度接近砂質(zhì)黃土，故建模時(shí)將圍巖與砂質(zhì)黃土統(tǒng)一為一種材料。對(duì)于鋼拱架、二次襯砌、噴射混凝土及其他支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用彈性本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行模擬。模型頂面為自由面，四周采用法向約束，底部采用全約束。構(gòu)造應(yīng)力和圍巖自重應(yīng)力共同組成初始應(yīng)力場(chǎng)，模擬計(jì)算時(shí)只考慮圍巖自重應(yīng)力不考慮構(gòu)造應(yīng)力。

2.2 參數(shù)的確定

計(jì)算模型中圍巖及支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 圍巖及支護(hù)參數(shù)

2.3 施工工序

2種工法的施工工序分別見(jiàn)表2和表3。

表2 三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法施工工序

表3 微臺(tái)階法施工工序

2.4 結(jié)果分析

2種工法計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖2?？梢?jiàn)：三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法和微臺(tái)階法的最大拱頂沉降分別為45.97，58.29 mm，最大水平收斂位移分別為27.33，31.67 mm，最大掌子面擠出位移分別為85.70，220.95 mm，最大地表累計(jì)沉降分別為113.30，151.58 mm。采用三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法施工各項(xiàng)位移均小于采用微臺(tái)階法施工，其能夠更好地控制圍巖變形。

圖2 2種工法計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)蒙華鐵路典型砂質(zhì)黃土隧道，采用MIDAS 有限元軟件對(duì)大拱腳臨時(shí)仰拱法和微臺(tái)階法的施工過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果表明，采用大拱腳臨時(shí)仰拱法施工，所產(chǎn)生的最大拱頂沉降、最大水平收斂、最大掌子面擠出位移和最大地表累計(jì)沉降均小于采用微臺(tái)階法施工，故其更適用于上覆砂質(zhì)黃土下伏軟弱圍巖隧道施工。

基于本文的數(shù)值模擬分析結(jié)果，最終在蒙華鐵路陽(yáng)城隧道DK248+440—DK249+152.82 標(biāo)段采用了三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法施工，效果良好。