微臺階開挖方法在大斷面黃土隧道施工中的應(yīng)用分析

張 超

(中鐵四局集團有限公司第七工程分公司，安徽 合肥 230022)

0 引 言

隨著我國“一帶一路”倡議及西部大開發(fā)戰(zhàn)略規(guī)劃的提出，基礎(chǔ)建設(shè)呈飛速發(fā)展之勢，鐵路、公路長大隧道不斷地在中西部涌現(xiàn)。我國西北地區(qū)黃土地層分布廣，三臺階七步法開挖已廣泛應(yīng)用于該類地層施工中的黃土隧道的開挖掘進中。該方法是將隧道分成上、中、下三臺階七步，由于受制于中部臺階存在，空間不能滿足大型機械作業(yè)，只能采用小型機械配合人工施工，導(dǎo)致工效低。通過分析研究，并進行現(xiàn)場試驗，將三臺階七步法中的中、下臺階先行修整成斜坡道，為大型挖掘機、濕噴機等機械設(shè)備在中、下臺階斜坡道提供作業(yè)半徑(距離)，充分利用了大斷面的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)機械化作業(yè)目標(biāo)，同時上臺階預(yù)留核心土柱支撐掌子面，優(yōu)化縮短中、下臺階高度，更便于立架作業(yè)，從而縮短了初期支護的時間，加快了施工速度，節(jié)約了施工成本。

1 工程概況

嶺上隧道位于陜西省咸陽市乾縣境內(nèi)；隧道起止里程為DK79+629—DK83+039.05,全長3 410.05 m，Ⅴ級圍巖，隧道最大埋深為56 m，進口西安端埋深5 m，出口銀川端埋深13 m，整座隧道縱坡為19‰/671、3‰/1 800、20‰/939.05的單向上坡；進口左線2 063.964 m位于半徑7 000 m的左偏曲線上，其余均位于直線上。洞身DK79+673—DK79+780、DK81+060—DK81+140段均下穿鄉(xiāng)村道路，凈距分別約13 m、22 m。DK80+364.4上跨西平線丁家山隧道，交角43°，埋深47.174 m。嶺上隧道全洞為Ⅴ級圍巖，采用Ve型復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，設(shè)計開挖方式采用三臺階七步法，通過現(xiàn)場工法優(yōu)化試驗，成功總結(jié)了一套大斷面黃土隧道微臺階開挖方法。

2 微臺階開挖方法

2.1 施工原理

微臺階法通過對隧道巖土體的力學(xué)指標(biāo)模擬參數(shù)賦值分析其安全性后，在三臺階臨時仰拱法的基礎(chǔ)上將大斷面不均分形成三臺階，通過優(yōu)化各臺階高度滿足機械化作業(yè)要求，以早成環(huán)為原則盡可能縮短各臺階之間的距離；將上臺階高度增加，減短中下臺階高度，以便于工人立架操作；隧道中部預(yù)留斜坡道，確保大型機械作業(yè)半徑和配套機械站位要求，有效縮短了初期支護封閉成環(huán)時間，將工期由正常三臺階法施工的16 d縮短到10 d，仰拱初支封閉成環(huán)，與掌子面距離由35 m縮短到21 m，有效地控制了隧道及建(構(gòu))筑物的變形，保證施工安全。

2.2 兩種開挖方法對比分析

2.2.1 三臺階七步法開挖方法施工步驟

(1)上臺階用弧形導(dǎo)坑開挖；上臺階開挖高度為3.8 m，預(yù)留核心土。

(2)上臺階施工至3～5 m后，開挖上臺階核心土；左右側(cè)中臺階交錯2～3 m開挖，中臺階開挖高度為3.8 m。

(3)中臺階施工至3～5 m后，開挖中臺階核心土；左右側(cè)下臺階交錯2～3 m開挖，下臺階開挖高度為3.6 m。

(4)開挖下臺階核心土及7部仰拱。

三臺階七步法開挖大斷面黃土隧道，上臺階高度3.8 m，中臺階高度3.8 m，下臺階高度3.6 m，中臺階核心土至上臺階開挖面8～13 m，如圖1所示。中上臺階開挖支護機械化作業(yè)難度大，作業(yè)空間小，如圖2所示，以致工作效率低，難以達到快速封閉，從而導(dǎo)致隧道掘進速度慢和工程施工費用增加。

圖1 三臺階七步法正面圖

圖2 三臺階七步法工序縱斷面圖

2.2.2 微臺階法開挖方法施工步驟

大斷面黃土隧道微臺階法開挖方法，是將待開挖黃土大斷面隧道通過不均分上臺階、中臺階、下臺階進行施工，其中上臺階高度為5.2 m，中臺階開挖高度3 m，下臺階開挖高度3 m，中、下臺階之間縱向步距3 m，上臺階與中臺階之間縱向步距控制在3～5 m(視圍支護條件、圍巖變形情況、施工水平等進行綜合調(diào)整)，其開挖步驟是如圖3、圖4所示。

圖3 微臺階開挖工法工序縱斷面圖

圖4 微臺階開挖工法示意圖

相比三臺階七步法步驟，優(yōu)化如下：

第一步：將隧道中、下臺階先挖出斜坡道Ⅰ，便于大型機械在中下臺階斜坡道作業(yè)，達到機械化作業(yè)目的，減少工序作業(yè)時間，達到快速封閉掌子面目的。

第二步：挖掘機站在中臺階斜坡道，環(huán)形開挖上臺階①，開挖一個循環(huán)上臺階掘進長度，將渣土墊入中下臺階斜坡道Ⅰ兩側(cè)。

第三步：上臺階完成開挖后，立上臺階鋼架，再繼續(xù)開挖上臺階核心土及交叉開挖左中臺階②、右中臺階③；立上臺階鋼架，并進行出渣作業(yè)，由裝載機配合出渣。

第四步：中臺階完成開挖后，立中臺階鋼架，挖掘機繼續(xù)交叉開挖左下臺階④、右下臺階⑤；將下臺階及下臺斜坡道土出完，為濕噴機械手提供作業(yè)場地，濕噴機就位，進行上臺階噴射混凝土支護；立下臺階鋼架，濕噴支護中、下臺階。

第五步：上臺階與中臺階間距控制在3～5 m，中、下臺階之間錯開間距控制在3 m，左中、右中，左下、右下臺階之間錯開間距控制在2 m；

第六步：上、中、下臺階掘進3～5循環(huán)后開挖仰拱⑥并支護，確保仰拱盡快封閉成環(huán)。

2.3 施工安全性分析

2.3.1 數(shù)值模擬

通過FLAC3D數(shù)值計算軟件對嶺上隧道采用微臺階法施工過程進行數(shù)據(jù)模擬，分別對地表沉降、支護受力等情況進行監(jiān)測分析，理論論證改進工法的可行性，在工程中論證改進工法的經(jīng)濟性。

開挖工法示意如圖5所示。

圖5 下穿密集房屋區(qū)開挖工法示意圖

模型選取現(xiàn)場土層作為計算對象，圍巖計算參數(shù)根據(jù)室內(nèi)土工試驗分析。隧道開挖前打設(shè)管棚進行超前預(yù)支護，開挖后及時施作初期支護及噴射混凝土，支護單元計算參數(shù)由剛度等效得到，混凝土計算參數(shù)根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB 10003-2005)的相關(guān)規(guī)定選取。計算參數(shù)見表1、表2。

表1 圍巖計算參數(shù)

表2 支護參數(shù)

2.3.2 監(jiān)控量測

施工中須嚴格按照監(jiān)測方案執(zhí)行，及時計算分析不同開挖部到達監(jiān)測斷面以及模型全部開挖完成后共計8個開挖進程下各測點沉降位移，以及隧道開挖后初期支護位移和受力情況。

2.4 計算結(jié)果分析

2.4.1 地表沉降分析

微臺階開挖法分為七個施工步驟，不同開挖步驟到達監(jiān)測斷面后地表沉降監(jiān)測點最大沉降統(tǒng)計值見表3。

表3 各階段地表路基最大沉降統(tǒng)計表

通過數(shù)據(jù)分析得知，采用微臺階法開挖工法對變形具有較好的控制作用。

2.4.2 位移分析

圍巖沿豎向和水平方向的位移情況如圖6、圖7所示。

圖6 圍巖沿豎直方向位移云圖

圖7 圍巖沿水平方向位移云圖

初期支護及二次襯砌沿豎向和水平方向的位移情況如圖8、圖9所示。

圖8 初期支護及二次襯砌沿豎直方向變形云圖

圖9 初期支護及二次襯砌沿水平方向變形云圖

由以上圍巖及支護位移云圖可知：在該埋深下，隧道開挖后圍巖及初期支護沿豎直方向變形量較大，沿水平方向變形量較小。

2.4.3 應(yīng)力分析

圍巖沿豎向和水平方向的應(yīng)力情況如圖10、圖11所示。

圖10 圍巖沿豎直方向應(yīng)力

圖11 圍巖沿水平方向應(yīng)力

初期支護及二次襯砌沿豎向和水平方向的應(yīng)力情況如圖12、圖13所示。

圖12 初期支護及二次襯砌沿豎直方向應(yīng)力云圖

圖13 初期支護及二次襯砌沿水平方向應(yīng)力云圖

由以上圍巖及支護位移云圖可知，在該埋深下，隧道開挖后圍巖及支護整體應(yīng)力數(shù)值不大，初期支護沿豎直方向應(yīng)力略大于沿水平方向應(yīng)力，最大值為3.59 MPa。

采用微臺階開挖工法，能夠有效控制初支變形和地表沉降(表4)，在保障安全的情況下提高隧道施工效率。

表4 嶺上隧道監(jiān)控量測情況統(tǒng)計表

2.5 效益分析

2.5.1 工效對比

兩種開挖方法工效對比見表5。

表5 兩種開挖方法工效對比表

從表5中可以看出，在工效方面，微臺階法具有較大優(yōu)勢。

2.5.2 經(jīng)濟效益對比

嶺上隧道總長3 410.05 m，暗洞長3 374 m，采用三臺階七步法施工月進尺72 m，完成暗洞施工約需46.8個月，通過采用微臺階法機械化作業(yè)，月進尺86.4 m，施工需約39.8個月，節(jié)省約7個月，加快了施工進度，節(jié)約施工成本見表6。

表6 微臺階開挖支護節(jié)省成本表

從表6中可以看出，按嶺上隧道暗洞長度3 374 m長度計算，應(yīng)用微臺階法可節(jié)省工期7個月，節(jié)約成本約4 102 000元，平均每進尺1 m節(jié)約1 215.75元。

3 結(jié)束語

應(yīng)用大斷面黃土隧道微臺階開挖方法，能有效地克服大型機械設(shè)備作業(yè)半徑不能覆蓋至工程作業(yè)面上，不能形成隧道機械化作業(yè)，而導(dǎo)致作業(yè)人員數(shù)量投入多、作業(yè)強度大、施工效率低，不能快速封閉開挖面，安全得不到有效保障，且成本得不到有效控制。微臺階法通過在原有三臺階七步法基礎(chǔ)進行了優(yōu)化，實現(xiàn)了機械化作業(yè)，減少施工人員數(shù)量，加快封閉時間，在確保安全的情況下能夠大幅度節(jié)約成本，相比較常規(guī)開挖方法優(yōu)勢巨大，可為后期類似工程施工提供參考依據(jù)。