仰拱步距和台阶长度对软岩大断面隧道稳定性影响分析

史继尧， 王 玥

(中铁隧道集团有限公司勘测设计研究院， 广东 广州 511455)



仰拱步距和台阶长度对软岩大断面隧道稳定性影响分析

史继尧， 王 玥

(中铁隧道集团有限公司勘测设计研究院， 广东 广州 511455)

在软岩大断面隧道施工过程中，围岩稳定性控制难度很大。依托宝兰客专古城岭隧道的勘察设计资料、施工工艺和监测数据，建立符合工程实际的基本数值模型，分析软岩大断面隧道的变形特点，揭示仰拱步距和台阶长度对初期支护变形的影响规律。根据模拟试验结果指导古城岭隧道大变形区段施工，将初期支护累计变形减小了70%。

软岩大断面隧道； 仰拱步距； 台阶长度； 数值模拟； 初期支护变形； 结构内力； 围岩稳定性

0 引言

近年来，伴随着我国经济建设的迅猛发展，西部地区进行了大量的工程建设。由于我国西北地区黄土高原的特殊地质，存在大量的软岩土隧道。大断面黄土隧道的施工变形控制技术越来越受重视。在软岩隧道施工过程中，隧道围岩稳定性的控制是施工过程中的重要问题，需要进行科学的支护处理。

为了确保施工安全、快速、高效以及对施工资源的合理利用，大量学者对软岩隧道的围岩变形进行了探讨和研究。李晓红等[1]分析了初期支护对软岩隧道围岩稳定性和位移的影响程度，为确定合理的二次支护时机提供了一定的理论依据；顾士亮[2]对软岩动压巷道围岩稳定性原理进行了总结分析，提出了深埋巷道围岩控制的内、外结构稳定性原理；李宁等[3]提出了一种软岩及土质隧洞围岩稳定性评价新方法，若过分地增加支护处理，不但耗费工期，而且严重浪费资源。上述研究对隧道围岩稳定性及支护状况作出了一定的评价，但未能对有效控制围岩体收敛速率提出合理的施工工艺。

在变形控制和施工工艺方面： 郭永平[4]对浅埋软弱地层海底隧道施工变形控制技术进行了探讨；王立英等[5]以兰渝铁路两水隧道为施工实例，对软岩大变形隧道施工技术进行了探讨；张峰辉[6]对隧道仰拱移动模架浇筑施工工艺进行了研究，通过工程实践证明仰拱移动模架在实际操作中切实可行，能有效加快施工进度，改善仰拱施工质量；蒋晖光等[7]对隧道仰拱长栈桥施工工艺进行了分析；黄明利等[8]对特大断面超浅埋隧道预留十字岩梁岩柱开挖技术进行了总结。由于不同的工程结构及不同的地质情况下围岩失稳变形机制不同，以上研究偏重于对技术和工艺的探讨，并没有大量的数据支持和科学的汇总分析，导致其研究成果适用范围较小。

此外，席浩等[9]采用MIDAS数值模拟软件探讨了宝兰客专苏家川隧道围岩变形控制技术；李树清等[10]采用FLAC3D数值模拟软件对隧道围岩体稳定性及不同施工工艺进行了研究。但以上研究的模拟过程侧重于对规律和工艺的研究，对实际工程中的验证和指导稍有欠缺。

本文以宝兰客专古城岭隧道为背景，根据其水文地质、隧道结构、施工工艺和监测数据，建立符合实际的数值模型，主要对不同仰拱步距和台阶长度的围岩稳定性进行单因素模拟分析，得出适宜的仰拱步距和台阶长度，并据此指导工程施工，有效地控制了施工过程中出现的大变形。

1 工程概况

新建铁路宝鸡至兰州客运专线站前工程BLTJ-14标段位于甘肃省兰州市榆中县境内，起讫里程为DK1012+435.5～DK1028+332，全长15.897 km。工程地理位置见图1。

图1 工程地理位置

站前工程主要有2座隧道(共15 817.4 m)、1座桥梁(99 m)和无砟轨道(31.8 km)。其中古城岭隧道(10 364.6 m)和兰山隧道(5 452.8 m)为重点工程。

工程地质： 1)标段地处陇西黄土高原西北部，沿线地形起伏较大，位于黄土高原梁峁、沟壑纵横区。洞身主要为冲积砂质黄土及第三系泥岩夹砂岩及砾岩，局部为碎石类土，均为Ⅳ级和Ⅴ级围岩。2)标段线路经过的地区地表水主要为沟谷内季节性流水及灌溉用水，枯水期几乎断流，水量不大，未见地下水发育。3)标段不良地质主要为黄土陷穴，主要分布于陡坎处，特殊岩土主要为湿陷性黄土、松软土及膨胀土，湿陷土层20～30 m，砂(黏)质黄土属松软土，层厚 5～15 m。

宝兰客专古城岭隧道正洞采用七步三台阶法施工，为单洞双线大断面隧道。隧道正洞衬砌断面见图2。

2 模型试验与对比分析

2.1 建立模型

利用ANSYS建立三维隧道模型，导入FLAC3D进行模拟计算分析。建模范围在轴向(y方向)取80 m，横向(x方向)取100 m，上覆土体厚度取50 m，下部土层取50 m。采用七步三台阶法开挖，按施工方案每榀拱架设置超前小导管支护和锁脚锚管。

因模型过大，故应做适当的简化计算。其中，超前小导管和锁脚锚管均按锚杆单元计算；初期支护层的钢架和喷射混凝土厚度较小，按壳单元计算；工程全长范围内基本没有遭遇地下水，所以模型未涉及渗流计算，未设置防水层，在初期支护壳结构和二次衬砌之间设置了接触面单元(接触面单元力学参数取围岩参数的1/2)，确保其可以相对滑动，符合复合式衬砌初期支护和二次衬砌间不传递剪力的实际情况。

计算采用的土体、二次衬砌及仰拱的数值模拟均为实体单元，本构关系的依据为摩尔-库仑准则，具体参数如表1所示。

锚杆单元采用的是FLAC3D软件中自带的Cable单元进行模拟分析，分析参数如表2所示。

衬砌的Shell单元采用弹性本构关系。衬砌力学参数见表3。

图2 隧道正洞衬砌断面(单位： cm)

表1 模型主体单元基本力学参数

Table 1 Basic mechanical parameters of main body unit of model

主体单元密度/(kg/m3)弹性模量/GPa泊松比ν体积模量/GPa剪切模量/GPa内摩擦角/(°)黏聚力/MPa围岩20000.20.300.170.77260.56二次衬砌2500280.2518.611.2401.2仰拱2500280.2518.611.2401.2

表2 锚杆单元力学参数

表3 衬砌力学参数

在基本模型建立完毕后，根据工程实际，从围岩条件、工法工艺、监测数据等方面考虑(模型示意图见图3，工法、工艺示意图见图4和图5)，选取了能代表整条隧道初期支护变形水平的DK1019+347断面和DK1019+027断面进行计算分析，其仰拱步距分别为22 m和28 m，围岩级别均为Ⅴ级，覆土厚度均为90 m左右，得到了初期支护结构的变形情况与数值模拟计算结果，如图6和图7所示。

由图6和图7可知，选取断面的初期支护变形模拟计算值与实测值变化趋势相同，数值范围相近，说明模型的参数和过程模拟与工程实际条件比较符合，可以用作下一步的单因素试验。

图3 模型示意图

图4 七步三台阶工法示意图

图5 超前小导管和锁脚锚管示意图

Fig. 5 Sketch diagram of advanced small duct and foot-locking anchor pipe

从各个测点的历时变形情况来看，变形主要发生在台阶开挖阶段，其次发生在仰拱施作阶段，其间发生的变形占累计变形的80%以上。因为本工程施工进度较快，所以软弱围岩在开挖后由于应力重分布引起的土体后期变形不明显，其所占累计值的比重较小。

2.2 仰拱步距的影响

在已建立的数值模型基础上进行单因素数值模拟试验，将仰拱步距依次设置为15(紧跟下台阶施工)、25、35、40、45 m进行计算，得到的部分结果如图8和图9所示。

图6 DK1019+347断面初期支护变形情况对比

Fig. 6 Deformation of primary support of cross-section DK1019+347

图7 DK1019+027断面初期支护变形情况对比

Fig. 7 Deformation of primary support of cross-section DK1019+027

(a) 纵断面开挖示意图 (b) 纵断面开挖竖向位移云图 (c) 横断面开挖竖向位移云图

图8 仰拱步距为45 m时的模型示意及竖向位移计算结果(单位： m)

Fig. 8 Sketch diagram of model when invert arch step distance is 45 m and nephograms of vertical displacement (m)

各仰拱步距情况的数值模拟计算结果汇总如表4所示。

由图9和表4可知： 随着仰拱步距的增加，隧道初期支护变形不断增大，仰拱步距15 m(紧跟下台阶)与仰拱步距45 m的最终累计变形相差超过1倍，说明调整仰拱步距可以有效控制初期支护结构变形。

仰拱步距在20～30 m，是对初期支护变形影响最敏感的距离。这是因为仰拱步距短，紧跟下台阶时，一次开挖土方多，开挖的空间效应较大，开挖早期变形累计很大，一味地缩短仰拱步距，对于减小初期支护结构变形的效果越来越小；而仰拱步距超过35 m时，围岩的扰动变形已经基本释放完毕，与初期支护形成了比较稳定的应力重分布，所以仰拱步距35 m与仰拱步距45 m的最终累计变形相差仅为5%，进一步加大仰拱步距也不会使初期支护变形显著增大。

由于仰拱紧跟下台阶的工艺需要施作完仰拱初期支护后回填土方，后期施作仰拱填充时再挖开，延长了推进时间，增加了工作量，对控制变形有所趋缓。所以从控制变形的角度出发，为使变形量最小，应选择15 m仰拱步距(即仰拱紧跟下台阶)。如想避免仰拱部位土方开挖—施作初期支护—回填土—土方开挖—仰拱填充的重复工作，加快施工进度和效率，则应将下台阶与仰拱之间的作业空间压缩得越短越好，本工程中以20 m左右为最佳。

图9 仰拱步距对最终累计变形的影响

Fig. 9 Relationships between invert arch step distance and final accumulated deformations

表4 各仰拱步距情况的数值模拟计算结果

Table 4 Numerical simulation results under different invert arch step distances

步距/m拱顶沉降/mm上台阶收敛/mm中台阶收敛/mm下台阶收敛/mm1528.1517.7821.3215.712235.0324.1329.4021.002544.0932.1338.2328.402853.9739.1146.0234.083560.1643.8552.1039.034062.1244.9053.5039.604563.4745.8554.0040.42

如果施工现场允许仰拱初期支护步距超过35 m，则可考虑进一步加大，如45 m，为掌子面施工提供更大作业空间，便于组织施工。因为此时仰拱步距的增加，不会导致初期支护变形的明显增大，但在工程实际应用中，考虑到地下工程的复杂性，应结合变形监测数据开展工作。古城岭隧道推荐仰拱步距值见表5。

2.3 台阶参数的影响

根据现场实际施工要求，仰拱开挖通常要滞后下台阶10～15 m，以便给作业机械活动空间，同时尽早完成仰拱封闭。所以对台阶参数的数值模拟试验，应将仰拱开挖支护与下台阶的距离设置为15 m，其他所有影响因素不变，试验台阶长度依次为0、2、3、4、5、6、7、8、9、10 m(其中上、中、下三台阶等长，即设置为0时，为全断面开挖)。对10种情况进行分析计算，得到初期支护结构的变形情况如表6所示。不同台阶长度对最终累计变形的影响见图10。

表5 古城岭隧道推荐仰拱步距值

表6 不同台阶长度下初期支护结构变形情况

Table 6 Deformation of primary support structure under different step distances

台阶长度/m拱顶沉降/mm上台阶收敛/mm中台阶收敛/mm下台阶收敛/mm082.4056.1868.6748.36261.8042.1451.5136.27355.6438.9946.8733.99451.7237.4044.1433.03555.5540.1647.4135.47661.1144.1852.1439.02765.0046.9955.4741.50867.7849.0057.8343.27969.9950.6059.7344.701071.7251.8561.1945.79

图10 不同台阶长度对最终累计变形的影响

Fig. 10 Relationships between bench length and final accumulated deformation

由图10可知： 在同样的施工参数下，不同的台阶长度对初期支护结构的最终变形影响较大，在本工程的工艺流程和地质情况中，最佳的台阶长度为4 m左右。当台阶长度为0，即全断面开挖时，变形量最大，约为最佳台阶长度变形值的1.6倍，这是由于一次性开挖土体过多，对围岩造成剧烈扰动，同时没有核心土反压掌子面，因此产生了大变形；随着台阶的设置和延长，核心土对掌子面的稳定发挥了巨大的作用，初期支护的变形迅速得到控制，且在应力完全释放之前完成了仰拱初期支护的封闭成环，在本工程的模拟试验中，台阶长度达到3～5 m时控制变形较好；随着台阶进一步延长，围岩应力释放时间越长，变形发展越完全，最终累计变形开始增加，但增加的幅度越来越平缓，当台阶长度超过9 m时，围岩的应力释放已经基本完毕，最终累计变形变化不大。

3 工程应用

3.1 古城岭隧道3号斜井兰州方向

古城岭隧道3号斜井兰州端掌子面施工至DK1019+675处时，变形显著增大，拱顶最大累计沉降超过-400 mm，超过红色预警值。掌子面开挖揭示岩性为第三系砂质泥岩，拱顶至以下1 m为砂质泥岩夹近水平状第三系薄层砂岩，砂岩厚度3～5 cm，颜色为灰白色；拱顶以下1 m至仰拱底部为弱风化砂质泥岩，厚层—巨厚层构造，浅棕红色，成岩作用差，质软。围岩稳定性较差，泥岩有弱膨胀性，为Ⅴ级围岩。

设计采用三台阶+临时横撑法施工，具体支护参数为：φ42超前小导管，单根长3.5 m，环向间距40 cm，纵向搭接不小于1 m；全环设I20工字钢架，间距0.6 m/榀；φ8钢筋网，网格间距20 cm×20 cm；φ22连接筋，环向间距1.0 m；拱部设φ25×7中空锚杆，单根长4 m，边墙设φ22砂浆锚杆，单根长4 m，环纵向间距1.2 m×1.0 m，梅花形布设；C25喷射混凝土厚28 cm。

3.2 施工工艺优化

针对古城岭隧道3号斜井兰州方向开挖后拱顶沉降及收敛的大变形情况，施工现场采取了一系列辅助措施，如加密超前小导管、增加锁脚锚管、增加纵向不同拱架间的连接强度、增大拱脚垫块面积等，但对拱顶沉降和周边收敛变形的控制未能取得理想效果。

根据数值模拟得出的指导意见，现场于2014年8月20日起调整步距和台阶参数，台阶长度由5 m调整至4 m，使仰拱初期支护封闭成环紧跟下台阶施工，仰拱步距约16 m，至2014年8月31日基本调整完毕。调整过程见图11。

根据图11的仰拱初期支护封闭成环步距情况，可按里程分为3段，具体段落划分见表7。

初期支护结构实测累计变形如图12所示。

图11 仰拱步距调整过程(2014年)

表7 里程分段

Table 7 Sectioning

分段分类依据里程初期支护结构封闭成环施工速度/(m/d) 标准步距段 2014年8月20日已完成仰拱封闭 DK1019+767之前 约30m步距,约12d5过渡段— DK1019+767～+828 介于两者之间 介于两者之间 仰拱紧跟段 2014年8月31日上台阶还未开挖 DK1019+828之后 约20m步距,约8d3.5

图12 初期支护结构实测累计变形图

Fig. 12 Measured accumulated deformation of primary support structure

由图12可知，缩短仰拱初期支护封闭的步距后，拱顶沉降有明显减小的趋势，上、中、下台阶的收敛变形也逐渐回落。

选取已经完成仰拱初期支护封闭的断面，比较其不同工艺参数的平均沉降值，见表8。

表8 不同工艺参数的平均沉降值统计

Table 8 Average settlements of primary support under different parameters

分段断面数量平均沉降值/mm标准步距段5-410.66过渡段12-304.01仰拱紧跟段11-110.62

由表8中的数据可知，加快仰拱施工，缩短仰拱初期支护封闭的步距，对于控制拱顶沉降变形有明显的作用。

同原来的标准步距工法相比(台阶长度5 m、仰拱步距约30 m)，仰拱紧跟施工(台阶长度4 m、仰拱步距约16 m)能使拱顶沉降减小70%以上。

4 结论与讨论

1)在复杂多变的地下工程中，数值模拟不适合作定量的数值预测，但对规律的定性分析以及单因素的测试有较大意义。

2)在Ⅳ级和Ⅴ级软弱围岩条件下大断面隧道施工过程中，80%以上的初期支护结构变形发生在初期支护结构封闭成环之前，所以缩短仰拱步距、尽早完成初期支护封闭是控制变形的有力措施。

3)在初期支护变形超限的情况下，应考虑缩短台阶长度，仰拱紧跟下台阶。在本工程的实践中，该措施配合一些辅助手段，如加密超前小导管、增加锁脚锚管、增加纵向不同拱架间的连接强度、增大拱脚垫块面积等，使拱顶沉降减小了70%。

4)在初期支护变形较大但仍处于可控状态时，应考虑尽量缩短仰拱与下台阶的距离，压缩机械作业空间，以取得控制变形和快速施工的最佳效果。

5)工程实际中如果进行了应力、应变测试，还可以进一步结合数值模拟对隧道的结构参数进行调整优化。

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Analysis of Influence of Invert Arch Step Distance and Bench Length on Stability of Large Cross-section Soft Rock Tunnels

SHI Jiyao, WANG Yue

(Survey,DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Guangzhou511455,Guangdong,China)

The control of stability of surrounding rocks is difficult during construction of large cross-section soft rock tunnel. A numerical model of Guchengling Tunnel on Baoji-Lanzhou Passenger-dedicated Railway is established based on surveying and design data, construction technology and monitoring data. The deformation characteristics of large cross-section soft rock tunnels are analyzed and the influence of invert arch step distance and bench length on stability of large cross-section soft rock tunnels is revealed. The numerical test results are regarded as guidance for construction of large deformation section of Guchengling Tunnel, the accumulated deformation of primary support has been reduced by 70%.

large cross-section soft rock tunnel; step distance of invert arch; bench length; numerical simulation; primary support deformation; internal force of structure; stability of surrounding rock

2016-05-09；

2016-12-26

史继尧(1976—)，男，河南平顶山人，2010年毕业于河南理工大学，工程力学专业，硕士，工程师，现从事山岭隧道监控量测及科研工作。E-mail: 306344547@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.04.007

U 45

B

1672-741X(2017)04-0428-07