台阶法在超大断面浅埋偏压隧道中的应用研究

王维富, 梅 竹

(1. 蒙西华中铁路股份有限公司， 北京 100073； 2. 中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北 武汉 430063)

台阶法在超大断面浅埋偏压隧道中的应用研究

王维富1, 梅 竹2

(1. 蒙西华中铁路股份有限公司， 北京 100073； 2. 中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北 武汉 430063)

为探索台阶法在超大断面浅埋偏压隧道施工中的可行性，以蒙华铁路石岩岭隧道为研究对象，对台阶法和传统分部开挖法进行比选，提出三台阶临时仰拱+竖向支撑的开挖工法，并采用MIDAS有限元软件建立地层-结构模型，对施工各阶段隧道-围岩体系的应变-应力进行模拟分析，以判断开挖过程的结构风险。对台阶法施工过程中出现的拱顶沉降大、初期支护出现裂缝、爆破对软硬不均地段的影响和地表土体开裂等问题进行分析并提出相应的对策，现场实施效果表明： 台阶法能满足石岩岭超大断面浅埋偏压隧道施工安全的要求，且具有施作技术简单、高效快捷的优点，可为类似工程施工提供参考。

蒙华铁路； 超大断面隧道； 浅埋偏压； 台阶法

0 引言

长距离、超大断面隧道是现代交通工程的一种重要类型，由于其特点，往往在项目中成为工期控制及安全施工的重点。如何在超大断面隧道的施工中选择合适的开挖工法使效率和安全兼顾，一直是工程技术人员探索的问题之一[1]。在大断面隧道施工工法研究中，王梦恕等[2]系统介绍了大断面隧道施工中宜采取的台阶法、CD法、CRD法、双侧壁导坑法等几种工法，并指出工法的选择应按照快速、安全、质量及环境的要求，结合实际情况综合考虑；石磊等[3]通过对大断面黄土隧道现场施工过程不同工法分析比较，认为工法的选择应考虑地质条件变化的适应性，优先选用全断面或少分部开挖方法，减少施工工序，便于机械化施工； 吴占瑞等[4]认为采用双侧壁导坑法对跨度和高度大的浅埋隧道更具有适应性； 孙兆远等[5]对不同工法引起的隧道变形机制进行分析，认为台阶法及分部开挖法均能满足安全需要，但采用分部开挖法时变形及沉降的速率发展更均匀； 熊造[6]通过数值模拟分析，指出动态分部工法施工能更有效地控制地表变形及隧道受力； 夏润禾等[7]根据贵广铁路隧道施工实践，提出大拱脚台阶法施工工法，认为其在软弱围岩地质条件下可以有效控制隧道变形； 李亚翠等[8]通过数值模拟对比分析，认为六步CD法为大断面土质隧道及类似隧道施工的优选工法； 崔小鹏等[9]在分析比较三台阶七步法和CRD法时提出，CRD工法能够有效控制围岩变形和保证隧道稳定，但支撑和拆除比较繁琐； 还有部分学者[10-12]根据工程实践以及理论分析，提出三台阶七步法在大断面软弱围岩隧道施工中围岩变形控制效果最好。上述研究的核心思想均是将超大断面变为小断面，分部开挖，提高施工安全度。但无论是CRD法、双侧壁导坑法或其他主流工法，现场施工过程

中均存在施工技术复杂、对支护稳定不利以及影响机械化施工等共性问题[13-14]。本文结合近几年超大断面施工的成功经验以及CRD法、双侧壁导坑法等工法存在的问题，以蒙华铁路石岩岭隧道特定地质条件为背景，探索台阶法应用于超大断面浅埋偏压隧道施工的可行性。

1 工程概况

石岩岭隧道位于江西省宜春市宜丰县境内，全长1 644.92 m。其中，出口DK1 701+004～+723.95为燕尾段，长719.95 m；DK1 701+590～+723.95段133.95 m为三线车站隧道。石岩岭隧道出口段平面布置见图1。

图1 石岩岭隧道出口段平面布置示意图

DK1 701+650～+713.95段隧道横断面见图2，隧道开挖宽度为18.74 m，高度为14.24 m，面积为216 m2，为一般单线隧道开挖断面的4倍、双线隧道开挖断面的2.5倍，属超大开挖断面。该段隧道地形为浅埋偏压且该段隧道洞身主要位于全—弱风化斜长闪长岩中。该段洞口超前支护采用φ108 mm长管棚，环向间距为30 cm。衬砌结构采用Ⅴkc型衬砌； 初期支护厚30 cm，内设H230格栅钢架，间距0.6 m/榀； 二次衬砌拱墙厚75 cm，仰拱厚80 cm，配筋规格为φ22@100 mm。现场开挖揭示为全风化斜长闪长岩地层，干燥无水，稳定性较好； 洞口管棚施工过程反映，钻进35～40 m时均进入强风化地层。

图2 三线段横断面示意图(单位： cm)

2 开挖工法选择

首先对国内大断面隧道采用的CRD法、双侧导坑法等施工中遇到的常见问题进行汇总，主要包括： 1)临时支撑的拆除比较麻烦，施工过程存在多次应力转换，技术复杂，施工作业难度大，容易出现操作失误问题； 2)分部开挖工法的核心是将大断面迅速转换为小断面开挖，步步封闭成环，使每一个施工阶段都形成一个完整的受力体系，对工序的衔接、施工人员技术要求较高，转换时间过长，不利于及时形成稳定的支护体系； 3)CRD法施工长度过长时，受工作面限制无法机械化作业，施工效率低，进度慢。

其次对现场实际地形、地层进行踏勘，结果显示洞顶及周边为树林，无建筑物，可允许适当沉降变形。另外，根据洞口超前钻探揭示，钻至35～40 m时进入强风化层，洞口全风化段为闪长岩地层，干燥无水，稳定性较好。

综上分析，考虑台阶法存在工法转换方便、围岩变形过大时可及时增加临时加固措施以确保施工安全的特点，为更贴切现场实际情况，结合蒙华铁路“化繁为简”的建设思路，决定在石岩岭隧道采取三台阶临时仰拱+竖向支撑的开挖工法。

3 台阶法数值模拟分析

3.1 计算模型

选取DK1 701+705开挖断面，地层由上到下依次为W4(全风化)、W3(强风化)、W2(弱风化)，其对应的地层参数见表1。计算采用有限元软件MIDAS，建立地层-结构模型，二维模拟分析隧道-围岩体系的应变-应力。围岩材料符合摩尔-库仑屈服准则，隧道初期支护及临时仰拱结构材料为C25喷射混凝土，材料符合线弹性材料特征，其弹性模量为23 GPa，重度为22 kN /m3，泊松比为 0.20。

表1 地层参数

计算分析时，土体采用平面单元模拟，初期支护及临时支护采用线性梁单元模拟。边界采用位移边界条件，水平向采用水平约束，竖向在模型底部采用竖向约束，上部为自由过界。计算模型水平宽度取150 m，竖向从地面取至隧道仰拱下30 m处。偏压对侧采用反压回填，中间设临时竖撑，计算模型如见图3。计算分析按8个施工步骤进行模拟： 第1步，围岩体系在自重作用下的地应力平衡，并消除初始位移； 第2步，模拟隧道上台阶开挖施工； 第3步，模拟隧道上台阶初期支护及临时支护施作； 第4步，模拟隧道中台阶开挖施工； 第5步，模拟隧道中台阶初期支护及临时支护施作； 第6步，模拟隧道下台阶开挖施工； 第7步，模拟隧道下台阶初期支护施作； 第8步，模拟隧道临时支护拆除。

图3 计算模型

3.2 计算结果分析

各施工步完成后隧道初期支护轴力和弯矩见图4和图5。提取上台阶初期支护及临时仰拱完成、中台阶初期支护及临时仰拱完成、下台阶初期支护完成、拆除临时仰拱等各阶段的正负弯矩极值及其对应的轴力计算结果，如表2所示。由表2可知： 在拆除临时仰拱阶段，计算配筋面积最大，设计实际配筋面积不足，最大竖向位移达到143.4 mm，局部地段结构安全风险较大，在施工过程中应有针对性地加强处理措施。

(a) 上台阶开挖

(b) 中台阶开挖

(c) 下台阶开挖

(d) 临时支护拆除

Fig. 4 Axial force diagrams of every construction step(unit: kN)

(a)上台阶开挖(b)中台阶开挖(c)下台阶开挖(d)拆除临时支护

图5 各施工阶段弯矩图(单位： kN·m)

注： 配筋检算未考虑8字结对格栅钢架的加强作用。

4 现场实施情况

现场采用三台阶临时仰拱法施工，见图6。上台阶采用人工配合机械开挖，台阶长度5 m；预留2.5 m长核心土，临时仰拱紧跟核心土。衬砌采用Ⅴkc型衬砌，拱架为H230型四肢格栅钢架，间距自DK1 701+705后由50 cm变更为40 cm； 核心土及临时仰拱上设置φ245mm竖向钢管临时支撑，纵向间距为80 cm，即每2榀设置临时仰拱。中台阶开挖采用人工配合机械开挖，每循环进尺1榀格栅拱架，两侧同时施工，同时施工临时仰拱，临时仰拱紧跟中台阶掌子面，并在中台阶临时仰拱上每80 cm设置φ245 mm临时竖向钢管支撑。待上、中台阶施作一定长度后，开始进行下台阶开挖及仰拱封闭成环，然后拆除临时仰拱及坚向支撑。

5 施工问题分析与对策

由于受当地连续降雨等不利条件的影响，DK1 701+690～+713.95段施工过程中陆续出现了拱顶变形较大、初期支护出现裂缝、爆破对软硬不均地段振动影响较大及地表沉降土体产生裂缝等不良现象。针对出现的问题进行分析并采取相应的措施，具体如下。

5.1 拱顶变形

DK1 701+690～+713.95段位于洞口浅埋地段，周边围岩为全风化花岗闪长岩，台阶法施工超大断面，造成拱顶沉降较大。为防止隧道变形侵限，该段预留变形量加大至30 cm，减小初期支护钢架间距至40 cm，加强初期支护纵向连接，增加锁脚锚管设置。现场备用临时钢管支撑，加强临时支撑的设置与拆除工序培训，将该工序转换的时间控制在最短。加密监控量测间距及频率，确保监控量测指导施工。采取以上措施后，隧道变形监测见图7，其中拱顶沉降最大值为159 mm，单日最大沉降速率为10.5 mm/d，周边收敛最大值为59 mm，变形均在可控范围以内。

(a) 初期支护

(b) 上台阶开挖

(a) 拱顶沉降

(b) 水平收敛

5.2 初期支护裂缝

通过理论计算可知，结构安全度较低，开挖过程中易出现初期支护开裂等情况。另外，该段偏压较为严重，隧道顶部线路右侧覆土厚度较左侧大，作用在隧道结构上的偏压荷载也较大。现场开挖至DK1 701+683.7时，发现DK1 701+706～+712段线路左侧中台阶与下台阶连接处出现一条纵向不规则裂缝(见图8)，缝宽3～10 mm，长5～6 m，有蜕皮现象。

图8 初期支护裂缝

经过现场勘察分析，DK1 701+670～+710段地表浅埋偏压，拱顶最小覆土1.75 m，山体坡度达1∶1.5，开裂段洞身位于土石分界线处，且地表浅埋偏压，岩层沿线路向左侧倾斜，由监控量测数据可知，该段上、中台阶施工过程中均存在初期支护整体向线路左侧移动的问题。在DK1 701+706～+712段初期支护成环以后，该段发生了纵向裂缝，其原因是围岩荷载过大，结构产生了裂缝，现场采取以下处理措施： 1) 开裂处增设钢管斜撑，以减弱偏压对结构的影响； 2) 增设钢架套拱，加强初期支护刚度，同时减小二次衬砌厚度，加强二次衬砌配筋； 3) 每榀钢架连接处增设1组锁脚锚管，加强钢架与围岩的连接，限制水平收敛； 4) 对地表进行注浆加固，改良隧道上方土体。后期施工监控量测数据显示，该段初期支护及地表稳定，变形较小，无开裂现象。

5.3 软硬不均地段

随着隧道开挖的深入，线路右侧开始出露弱风化斜长闪长岩，岩质较硬，需爆破开挖，爆破势必会对隧道上方及掌子面的全风化斜长闪长岩地层产生一定的影响，从而进一步加剧土体变形。针对该类不良地质条件，现场采取增设掌子面玻璃纤维锚杆、加强锁脚锚管设置、减小初期支护钢架间距等措施。同时，对施工过程中的爆破进行控制，尽量减小对周边土体的影响。采取以上措施后，该段顺利完成施工，各项监控量测数据均在可控范围以内，初期支护表面无开裂等现象。

5.4 地表土体开裂

隧道上方地表自然地面横坡最大坡度达到1∶1.5，拱顶最小覆土仅为1.75 m，隧道开挖至DK1 701+708处时地表偏压力较弱侧沉降较大，当日最大速率达6 mm/d，土体产生3～4 cm宽裂缝，裂缝走向垂直与线路方向，见图9。随着隧道的掘进，在DK1 701+705、+703、+698等处地表均产生大小不一的沉降裂缝，最大沉降达15 cm。考虑到本段地形偏压，为防止裂缝进一步发展产生土体滑移现象，同时为了确保隧道运营期间外部条件安全，在DK1 701+682.75～+705段右侧设置5根抗滑桩，桩间距5 m，桩长21 m，桩截面尺寸为 2.5 m×2.25 m，桩间设置挡土板。从DK1 701+682.75起右侧设置C30混凝土挡土墙顺接抗滑桩，直至反压回填线顺接原地面线止。

图9 地表裂缝

6 结论与讨论

1)台阶法为常用施工工法，具有现场施工人员操作熟练，主观接受意愿高，可快速形成正常施工能力，能满足大型机械施工作业环境要求，显著节约出渣时间，提高工效，且施工工序较分部开挖法(CRD、双侧壁导坑等)简单，临时支护拆除各分部开挖断面衔接性好等优点。台阶法对变形的控制弱于分部开挖法，但对山岭地带周边无控制建筑物的环境，在满足结构安全的前提下，2类工法均是可行的，而台阶法具有优势。

2)现场监控量测数据表明，由于开挖跨度较大，台阶法结构变形速率不均匀(早期变形速率较大)，使用时必须注意提高结构早期刚度。采用台阶法进行超大断面隧道施工对现场监控量测频次有更高要求，同时必须确保测量数据的准确。

3)在超大断面隧道中使用台阶法开挖前，需结合工点工程地质条件及隧道开挖结构轮廓等因素针对性地设计预处理措施，做好充分的安全储备，建立变形预警机制，避免因结构破坏而进行二次处理。

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铁路“十三五”发展规划发布铁路发展蓝图绘就

日前，国家发改委、交通运输部、国家铁路局、中国铁路总公司联合印发《铁路“十三五”发展规划》(以下简称《规划》)，对“十三五”时期铁路建设发展的目标、重点任务、保障措施等进行了总体规划。据《规划》，到2020年，全国铁路营业里程达到15万km，城际和市域(郊)铁路规模达到2 000 km左右，高速铁路网覆盖80%以上大城市。

里程更长、覆盖更广、更加便捷

“十二五”期间，铁路完成固定资产投资3.58万亿元、新线投产3.05万km，投资规模和投产规模达到历史高位。动车组承担客运比重接近50%。“复兴号”中国标准动车组全面实现自主化设计。土耳其安伊高速铁路建成通车。

“十二五”时期，我国铁路改革发展成效显著，为“十三五”发展奠定了良好基础。一方面，体制改革实现重大突破，实施政企分开，组建国家铁路局、中国铁路总公司;简政放权、投融资体制改革等扎实推进。另一方面，设施网络建设快速推进，运输服务品质显著改善，科技创新能力明显提高，“走出去”成为新亮点。

《规划》提出7项重点任务: 完善铁路设施网络、提升技术装备水平、改善铁路运输服务、强化安全生产管理、推进智能化现代化、推动铁路绿色发展和加强国际交流合作。

《规划》明确了发展目标。到2020年，全国铁路营业里程达到15万km，其中高速铁路3万km，复线率和电气化率分别达到60%和70%左右。中西部路网规模达到9万km左右。基本实现客运“零距离”换乘和货运“无缝化”衔接。全国铁路网基本覆盖城区常住人口20万以上城市。动车组列车承担旅客运量比重达到65%。实现北京至大部分省会城市之间2～8 h通达等。

有效支撑国家重大任务和战略

此次规划凸显铁路建设与国家重大任务战略紧密结合的特点。全面建成小康社会要求铁路增强服务保障能力，推进实施国家重大战略要求铁路发挥引领带动作用，全面开放新格局要求铁路提升国际竞争能力。《规划》明确，铁路建设需有效支撑精准扶贫、精准脱贫，支撑“三大战略”、推进新型城镇化和军民融合深度发展等。

我国承建的土耳其安伊高速铁路、肯尼亚蒙内铁路建成通车，雅万高铁和中老、匈塞等铁路合作积极推进。《规划》明确，铁路作为国际合作的重要领域和优先方向，要强化与周边国家互联互通，加快铁路“走出去”，推进中国铁路标准国际化进程，将中欧班列打造成为世界知名物流品牌，成为推进“一带一路”建设的重要平台。

为支撑“三大战略”，《规划》要求继续推进以中西部地区为重点的铁路建设，加快形成快速畅通的铁路大通道，进一步完善覆盖广泛的运输网络，缩小地区发展差距，推动更大范围更高水平更深层次区域协同合作。

《规划》提出，决胜全面建成小康社会，要把有效支撑精准扶贫、精准脱贫放在突出位置，加强革命老区、民族地区、边疆地区及贫困地区铁路对外运输通道建设，提升铁路服务水平和覆盖程度。

在推动军民融合方面，《规划》要求，完善军民融合交通运输网络，强化铁路线路和站点配套设施国防功能，提高装卸载地域整体保障水平，推进国防信息通信网与铁路信息基础网络互联建设。

(摘自 高铁网 http://news.gaotie.cn/guihua/2017-11-29/432465.html)

StudyofApplicationofBenchMethodtoShallow-buriedAsymmetrically-pressuredRailwayTunnelofSuper-largeCross-section

WANG Weifu1, MEI Zhu2

(1.Mengxi-HuazhongRailwayCo.,Ltd.,Beijing100073,China; 2.ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.,Ltd.,Wuhan430063,Hubei,China)

The feasibility of bench method to shallow-buried asymmetrically-pressured tunnel of super-large cross-section is studied by taking Shiyanling Tunnel on Menghua Railway for example. Firstly, the three-bench excavation method to temporary invert and vertical support pillar is selected by comparing bench method to traditional partial excavation method; and the structure stability is analyzed by software MIDAS so as to guide the tunnel construction. And then, the problems encountered during construction, i.e. large settlement of crown top, fissures of primary support and the ground and the influence of blasting on tunnel deformation in hard-soft heterogeneous ground are analyzed; and relevant countermeasures are adopted. The site application results show that the above-mentioned method with advantages of easy operation and high efficiency is feasible to Shiyanling Tunnel. The study results can provide reference for similar projects in the future.

Menghua Railway; super-large cross-section tunnel; shallow-buried and asymmetrical pressure; bench method

2017-07-14;

2017-11-20

王维富(1977—)，男，重庆潼南人，1999年毕业于西南交通大学，房屋建筑与装饰专业，本科，高级工程师，现主要从事隧道及地下工程建设管理与技术研究工作。E-mail： 461410252@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.011

U 455.4

B

2096-4498(2017)12-1578-07