台阶法施工技术在高速铁路隧道施工中的应用

刘磊

（中铁十六局集团 第二工程有限公司，天津市 300162）

台阶法施工技术在高速铁路隧道施工中的应用

刘磊

（中铁十六局集团 第二工程有限公司，天津市 300162）

高速铁路隧道一般选择单洞双线的断面，影响选择隧道断面的因素是隧道空气动力学。施工过程中，增大开挖浅埋隧道断面的同时，安全性的保障和技术性合格的难度也在增加。正确的施工方案是确保工程保质保量完成的关键。为使台阶法施工技术可以广泛应用于高速铁路隧道施工，举例研究了某高速铁路浅埋隧道工程，用模拟数值及现场测试的方式研究分析台阶法施工技术。

隧道施工；台阶法；初期支护；位移分布

0 引言

隧道工程的施工技术因隧道结构的不同可分为分部开挖法和台阶开挖法两种。分部开挖法的施工组织难度大，因多分部开挖的施工现场无法满足大型机械的工作要求，所以要加大人力投入，使工程质量和施工过程中的安全得不到保障，因此应用较少。台阶开挖法则相反，此施工方法可以极大减少围岩扰动开挖次数，使围岩结构保持稳定，再加上施工过程中投入人力少，所以组织难度小，工程质量和施工安全性也容易得到保障，因此台阶法施工技术得到广泛应用，可以使隧道施工保质保量完成。

1 数值模型

分析弹塑性理论可知，隧道开挖的建立会使周围3～5倍洞径的岩体受到影响。现场调研勘察后，数值模型取 50 m×50 m的计算范围，取150°和30°的对位倾角交叉分布及1 m和2 m的节理间距。节理面接触-库仑滑移模型和莫尔-库仑本构模型分别应用在节理结构面和隧道洞内周围岩体。根据实验报告显示下列岩石喷混凝土接触面和岩物理学参数：抗拉和黏结强度及黏聚力同为1 MPa，剪切和径向刚度同为1 GPa，围岩为V级，泊松比0.3，弹性模量2.2 GPa，密度2 500 kg/m3。

2 采用大拱脚台阶法施工的力学行为

应用于隧道建模的MIDAS/GTS有限元软件是本次施工中采用的分析施工力学行为的软件。选取厚度及强风化厚度分别为5 m和20 m的实际断面作为工程样本[1]。设置模型尺寸：纵向和竖直向下的长度分别为50 m和70 m；隧道轮廓线与横向左右两侧长度同为5 m；竖直向上长度为与地表的距离。

设置模型开挖深度为20 m，是因开挖深度会对纵向、横向和竖向位移有所影响，至于剩下的作为其他方面使用。模型有自由和法向面约束两个边界。为使围岩稳定性增强，提高20%内聚力，并使用小导管（通过使围岩参数提高发挥小导管作用）超前注浆施工。围岩在模型中参数应设置为IV级，这是因为使用小导管超前注浆施工后围岩稳定性会得到提高。开始时使用桁架和壳单元模拟分别作为锚杆和支护。

（1）虽然大拱脚台阶法在如地表沉降、水平收敛、隧道拱顶沉降等位移方面大于中隔壁交叉法，但是还可以接受。

（2）掌子面挤出位移因将临时支撑拆除变为中隔壁交叉法后发生比较大的变化。

（3）使用这两种方法出现的作用力不同。如初支作用力仅为拉力的是大拱脚台阶法，而有拉应力和压力的是中隔壁交叉法，初支受力因出现拉应力而受影响。

（4）使用这两种方法都比较安全，因为锚杆最大承载力都大于轴力。

（5）如果拆除临时支撑变为中隔壁交叉法，会导致施工面和施工干扰增大，而且作业速度和安全性也会减小。除此之外，围岩应力因施工干扰会破坏以前的力学平衡，使其形变量增大。

（6）使用大拱脚台阶法施工可以避免中隔壁交叉法施工中出现的问题。具体体现在以下方面：一是在许多作业面同时施工时依旧可以采用大型机械施工，既提升了工作效率，又确保了工程进度；二是大拱脚台阶法还可以大范围工作，便于根据现场情况随时调整施工方案，还可避免拆除临时支撑，在节约资源的同时保障了工程按时结束。

3 台阶法施工过程变形规律

3.1 位移分布特征

模型开挖会导致隧道应力状态破坏，由位移云图可发现，隧道经迭代计算达到新平衡时：垂直方向大多以底部隆起和顶部沉降距拱底或拱顶10 m范围的位移变化为主；水平方向位移在隧道拱脚和周围的圆弧处，主要为向洞内收敛的水平位移，如果出现大于12 mm的水平位移，洞室开挖外5 m范围则会受到影响，由于这些区域大多是三心圆隧道圆弧过渡区，所以水平位移会因为应力集中现象出现而发生较大变化；与此同时，隧道围岩水平及竖直方向的变形场因横穿断层和节理分布的影响，会出现不对称现象。

3.2 位移变化规律

（1）从图1可知，隧道垂直方向由上而下位移变化速率逐渐减小，最后接近平衡，竖向位移占总位移变化量59.24%的阶段为上台阶开挖支护阶段，因为上台阶开挖打破了岩体在初始地应力下的平衡，使得岩体拱顶处于高地应力区卸荷条件，进而使拱顶处径向和切向应力分别减小和增大，导致岩体更容易被破坏[2]。隧道成拱因受断层横穿和节理分布的干扰，变形沉降量大，所以效果较差，但洞顶质点位移由于设立的初期支护而减缓了变化率，锁脚锚杆在开挖到中台阶时及时施加，使拱脚处竖向沉降位移得到有效控制，底部仰拱在开挖到下台阶时及时施加，也使底部竖向位移值趋于稳定变化。

图1 开挖步对拱顶监测点沉降影响的变化曲线

（2）分析图2可知，图中数据呈现出先增大再减小的趋势，表现了隧道左右两侧拱脚位置的水平位移变化率。洞周水平收敛值在中台阶施工阶段的变化率为最大，而且最后拱脚水平形变量会达到水平收敛值的80%。出现这样的情况是由于上台阶阶段开挖支护后，开挖临空面与监测点相距较远，所以监测点位移变化受到的影响小，进而使得洞周水平位移变化较小。拱脚部分由于中台阶开挖而产生临空面，洞周岩体也因释放了应力而发生卸荷回弹现象。洞周两侧围岩在封闭仰拱前出现内收敛水平位移，这是由于隧道围岩侧压力过大，拱脚岩体无法承担，但只要支护衬砌和拱底仰拱伴随开挖及时进行施工，就可以重新闭合和分布隧道轮廓及围岩应力，这样就可使隧道拥有较为稳定的形变。最后左侧拱脚因软岩隧道横穿断层而弱化了围岩承载力，所以会出现较大的水平位移。

图2 开挖步对拱脚监测点水平位移影响的变化曲线

4 现场数值模拟测试

隧道数值测试计算段，设置参数相同的为埋深深度和围岩条件。测试现场拱顶下沉、水平收敛、地表沉降、围岩-初支接触压力及锚杆轴力这5项数据需要监控。比较图3结果可分析出下列几项结论：

（1）隧道开挖变化影响着拱顶沉降及水平收敛的值，值越稳定，则代表变化越均匀。

（2）地表横向累计沉降数值结果小于实测值3 mm左右，出现沉降槽也符合逻辑[3]。

（3）地表纵向沉降因开挖变化而上下波动，沉降速度也逐步增大，掌子面通过20 m沉降速度又接近平稳。

（4）拱顶到拱脚的压力值因初支被开挖后的围岩挤压而出现向下增大的现象。拱脚和拱顶的接触压力值分别为最大和最小，左右拱脚压应力分别为1.00 MPa和0.29 MPa，明显可以看出左拱脚压应力比较异常，进一步证明围岩结构稳定性可以通过锚杆的使用加强。

（5）封闭结构为环所并及时施作仰拱，能够使拱顶沉降和水平收敛趋于平稳，这样的操作可以为进一步的施工创造良好条件。

（6）现场实测与数值模拟数据差值应小于8%。

5 结论

综上所述，台阶开挖法灵活多变、适用性强，只要是软弱地层或第4级沉积地层都可以使用台阶开挖法，此外，台阶开挖法施工作业空间足够大，满足大型机械设备施工条件，施工速度快，投入人力资源少，使得施工组织难度大大减小。虽然台阶开挖法也有缺点，它的上下部作业时会有干扰，下部作业时会对上部稳定性产生影响，但其对围岩的扰动次数并不多，仍然能保证围岩的结构稳定性。

[1]方克军.高铁隧道台阶法开挖施工技术及控制措施 [J].门窗，2016(4)：171-172.

[2]杨义轩.隧道下穿高速公路台阶法施工[J].山西建筑，2012(9)：203-204.

[3]严启斌，许长青.隧道短台阶法施工方案研究[J].山西建筑，2009 (17)：314-315.

福建省到2020年98%乡镇将通达三级及以上公路

近日，《福建省“十三五”交通精准扶贫建设专项规划》发布。规划提出，通过精准扶贫、精准发力，到2020年，98%乡镇将通达三级及以上公路，建成39座陆岛码头、90个乡镇综合运输服务站项目。届时，交通基础相对较弱的建宁、宁化等53个重点支持县，将全面建成“外通内联、通村畅乡、海岛便捷、安全舒适”的交通运输网络。

“十三五”期间，实行“一岛一议”推进海岛交通运输精准扶贫项目建设。今年，将莆田南日岛、宁德嵛山岛和宁德三都澳岛3个岛屿作为首批试点，实施公路建设、轮渡配套、道路运输等交通扶贫项目。

为促进各地加快建设，省交通运输厅给予专项支持。对按三级及以上标准实施的晋级建设项目，按三级公路补助标准执行，省级最高给予180万元/km补助。对省级扶贫开发重点县的农村公路晋级建设项目，根据建设标准不同，按60万元/km～120万元/km的标准予以补助。

陆岛码头项目方面，省级按项目初步设计概算总投资的25%安排配套补助。对2018年底前完成竣工验收的陆岛码头项目，按项目初步设计概算的5%给予奖励；对2019年底前完成竣工验收的陆岛码头项目，按初步设计概算的3%给予奖励。乡镇综合运输服务站项目分为新建项目、改造项目两类，省级分别按每个60万元、30万元标准给予补助。

U455.4

B

1009-7716（2017）08-0172-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.053

2017-04-10

刘磊（1982-），男，山东滨州人，工程师，从事铁路工程施工技术工作。