基于中条山隧道的台阶法几何参数优化分析

邓 涛， 刘大刚, *， 蔡闽金， 赵思光， 何 伟

(1. 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都 610031； 2. 中铁隧道局集团有限公司勘察设计研究院， 广东 广州 511458)

基于中条山隧道的台阶法几何参数优化分析

邓 涛1， 刘大刚1, *， 蔡闽金1， 赵思光1， 何 伟2

(1. 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都 610031； 2. 中铁隧道局集团有限公司勘察设计研究院， 广东 广州 511458)

为提高台阶法在软岩条件下施工时的安全性，充分发挥其施工高效的固有优势，以中条山隧道为工程依托对该法施工时几何参数的选取进行优化分析。分析采取数值模拟结合现场监测数据的方法，以初期支护结构安全性、掌子面稳定性以及施工便利性作为优化选择的依据。根据研究成果可知： 在软岩条件下隧道采用台阶法施工时，上台阶长度控制在4～5 m时隧道初期支护结构受力合理，施工机械操作便利； 上台阶高度取值为0.6H(H为隧道高度)时能较好地兼顾隧道的施工效率以及掌子面的稳定性，但是在围岩条件较差如Ⅴ级围岩掌子面出水或浅埋情况下，其取值应适当提高但也不宜超过0.7H。

铁路隧道； 软岩； 台阶法； 台阶高度； 台阶长度； 掌子面稳定性； 参数优化

0 引言

软岩具有岩性弱、强度低和自稳能力差等特点，往往导致软岩隧道施工期间洞周变形量大、掌子面稳定性差。为能较好地控制软岩隧道的变形，提高其稳定性，软岩隧道施工时需要快速及时的支护[1-3]。台阶法因工序简单且机械化程度高，具有施工快速、支护及时的特点，但由于开挖断面大，软弱围岩条件下该法对超前支护要求较高，因而在实际施工时往往被多台阶、多分部、短进尺以及架设各种临时支撑的开挖方法所替代，如中侧壁导坑、CD 或CRD 法等。然而这些施工方法工序复杂、施工速度缓慢，施工安全也不易保障[4]。在台阶法上，通过对其施工几何参数优化，达到提高其安全性并充分发挥施工高效的优势是极具现实意义的。张秀良[5]对兰渝线铁路隧道台阶法现场施工方式及出现变形总结出掌子面稳定性与围岩内摩擦角、台阶高度、掌子面的垂直程度及超前支护有很大关系；邹成路等[6]以人和隧道为工程依托，用数值模拟的方法对台阶法上台阶开挖高度进行了优化，并通过对比得出施工中上台阶高度采用0.65H(H为隧道高度)时为最优；宋曙光等[7]通过数值模拟分析铁路隧道在极软弱围岩中采用不同台阶高度下的拱顶沉降、水平收敛以及掌子面挤出变形，揭示了台阶法施工过程中围岩力学效应的演化规律，并最终得出最优台阶高度。

目前研究者已从控制结构受力及隧道变形角度对台阶法施工几何参数进行了优化，特别是对台阶高度的优化有了较为明确的研究，但是，台阶长度的优化分析以及从施工便利、掌子面稳定性角度出发的台阶高度优化分析研究还比较欠缺。本文以中条山隧道为依托工程，综合考虑初期支护结构安全性、掌子面稳定性以及施工便利性3方面因素对台阶法施工时的台阶长度以及台阶高度进行优化分析，给出了结合实际围岩条件的台阶参数选取建议。

1 工程概况

蒙西至华中地区铁路煤运通道重点工程MHSS-3标段中条山隧道位于山西省运城市，线路穿越中条山山脉。隧道进口位于运城市盐湖区解州镇，设计为双洞单线隧道。选取右线进口DK615+310～+360为依托，该段属于F2中条山北麓大断裂带，围岩以片麻岩为主，风化面呈黄褐色，岩石风化较严重，节理裂隙较发育，短小杂乱无序，围岩破碎，整体性差，围岩等级为Ⅴ级，埋深为40～70 m，地下水不发育，掌子面岩体干燥。

隧道高10.53 m，跨度为7.69 m，考虑隧道进口区段处于断层地带，围岩破碎，隧道修建时采用特定HD(活动断裂带衬砌型式的简称)型衬砌断面支护结构。隧道初期支护参数见表1，隧道轮廓断面如图1所示。

表1 隧道初期支护参数

图1 隧道轮廓断面图(单位： cm)

2 施工几何参数力学响应分析

2.1 计算模型建立

结合依托工程实际，利用FLAC3D建立三维数值分析模型：

1)模型X、Y、Z方向的尺寸为56.4 m×64 m×69.53 m，Y为隧道掘进方向；

2)围岩采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，喷射混凝土采用Elastic各向同性弹性模型；

3)钢拱架及钢筋网通过刚度换算的方式转换为混凝土施加至隧道初期支护；

4)锚杆支护通过提升锚固区域内围岩内摩擦角与摩擦力的方式实现。

具体模型如图2所示。

图2 计算模型

2.2 计算参数确定

为确保计算所选取的物理力学参数以及锚固区加固程度能最大程度地接近工程实际，现利用反演分析法中的正反分析法来确定计算所需的围岩物理力学参数。具体操作方法： 采用计算模型对现场施工进行模拟，结合铁路设计规范Ⅴ级围岩参数取值不断调整其力学参数后使得计算所得变形结果与实测数据能较好地吻合，此时所选取的力学参数即可作为后续模型的计算参数。施工现场对DK615+310～+360里程段进行了较为详细的隧道变形监测，内容包括洞周水平收敛及拱顶沉降。在对监测数据进行观察分析后发现DK615+310、DK615+325和DK615+355断面的监测数据具有较强的代表性，故可取作典型断面。V级围岩计算参数以及通过反演分析得到的围岩物理力学参数见表2，该参数下计算所得拱顶沉降及最大水平收敛结果与实测对比分别如图3和图4所示。

表2 模型计算参数

图3 拱顶沉降曲线对比

图4 最大水平收敛曲线对比

2.3 施工及支护技术

中条山隧道进口段采用二台阶法施工。为使隧道初期支护及时封闭成环，尽早形成合理的受力结构，同时达到缩短建设工期的目的，该区段隧道采用下台阶与仰拱一次开挖工法进行施工。具体施工及支护顺序见表3。

2.4 台阶高度力学响应分析

现选取上台阶高度为0.4H、0.5H、0.6H、0.7H(H为隧道高度)4种典型台阶高度进行隧道的开挖模拟，模拟过程中将拱顶沉降、最大水平收敛和初期支护结构最大拉压应力进行监测记录。

表3 施工及支护顺序

2.4.1 围岩变形

开挖模拟过程中，监测点不动，掌子面向前推进，每循环开挖结束将拱顶沉降及最大水平收敛记录1次。掌子面推进过程中，拱顶沉降与最大水平收敛的累计结果分别如图5和图6所示。

图5 不同台阶高度下累计拱顶沉降

Fig. 5 Accumulated crown top settlement under different heights of bench

图6 不同台阶高度下累计最大水平收敛

Fig. 6 Accumulated horizontal convergence under different heights of bench

由图5和图6可知: 当上台阶高度从0.4H增加到0.6H的过程中，拱顶沉降与水平收敛一直在减小，特别是从0.4H增加到0.5H过程中，减小程度比较明显，但是当上台阶高度从0.6H增加到0.7H的过程中，变形量基本不再变化。另外，不难发现，上台阶高度越高，隧道的先行位移量越大，而过大的先行位移会使得掌子面后方围岩松动，给开挖后的支护造成困难[7]。总的来说，增加上台阶高度能减小隧道的变形量，但也不是越高越好，控制在0.5H～0.7H较为合适。

2.4.2 结构受力

通过分析计算结果发现，初期支护环上最大压应力产生在拱腰，而最大拉应力出现在拱顶。各台阶高度下初期支护结构的最大拉压应力见表4。根据表4的统计结果，初期支护所受的最大拉应力会随上台阶高度的增加而减小，且当台阶高度为0.4H时，最大拉应力已经超过了初期喷射混凝土的抗拉强度设计值1.3 MPa，而最大压应力与台阶高度的关系则并不明显。因此，从初期支护结构的受力安全角度出发，上台阶高度不宜小于0.5H。

表4不同台阶高度下最大拉压应力统计表

Table 4 Maximum tension and compression stresses under different heights of bench

MPa

2.5 台阶长度力学响应分析

现选取台阶长度为3.2、4.8、6.4、9.6 m进行隧道的开挖模拟。

2.5.1 围岩变形

各台阶长度下，隧道拱顶沉降及最大水平收敛的累计结果如图7与图8所示。由图7与图8可知： 隧道的变形会随台阶长度的增加而增加，其中拱顶沉降的增加趋势比水平收敛更加明显。

2.5.2 结构受力

各台阶长度下，初期支护结构所受的最大拉压应力如表5所示。由表5可知： 随着台阶长度增加，初期支护结构所受最大压应力逐渐减小，而所受的最大拉应力会随台阶长度的增加呈现出先减小后增加的趋势。由于最大压应力与其抗压强度设计值12.5 MPa之间还有较大的富余量，故选择台阶长度时，应以拉应力作为控制基准。利用线性插值知当台阶长度大于7 m 时，最大拉应力会超过1.3 MPa，因此将台阶长度控制在4.8～6.4 m时，对结构受力是最有利的。

图7 不同台阶长度下累计拱顶沉降

Fig. 7 Accumulated crown top settlement under different lengths of bench

图8 不同台阶长度下累计最大水平收敛

Fig. 8 Accumulated horizontal convergence under different lengths of bench

表5不同台阶长度下最大拉压应力统计表

Table 5 Maximum tension and compression stresses under different lengths of bench MPa

3 考虑掌子面稳定性的台阶高度优化

隧道掌子面稳定性受多方面因素影响： 机制层面上，隧道开挖之后原来处于挤压状态的围岩由于解除了束缚而向隧道空间产生松胀变形，同时隧道周边岩石应力重新分布，产生应力集中，当变形及应力集中超过围岩所能承受的范围时，隧道便会产生稳定性问题[8]； 客观层面上，不合理的施工及支护参数也是引发掌子面稳定性问题的关键因素[9]。由于影响掌子面稳定性的因素众多，目前并没有关于隧道掌子面的失稳模型被明确建立，业内主要从变形量及变形速率[10]、掌子面弹塑性发展规律[11]以及结构能量耗散角度对掌子面稳定性进行定性描述，其中变形多指掌子面挤出变形，国内外众多规范也都选其作为施工时掌子面稳定性的控制标准[12-14]。本文目的在于通过研究台阶高度对掌子面稳定性的影响规律为施工确定最优台阶高度，在分析时选取掌子面挤出变形对各台阶高度适应性做出评判。

一般情况下，岩性较弱及富存地下水地段掌子面稳定性问题比较严重。究其原因，在富存地下水条件下，围岩被劣化，物理力学参数降低[15]。结合铁路隧道设计规范采用修正围岩级别的方式来反映地下水对围岩的影响。Ⅳ、Ⅴ级围岩在地下水影响下修正如表6所示。

结合表6来看，不论是由于自身围岩等级较低还是由于地下水的劣化影响，岩性都是影响掌子面稳定性的关键因素。因此，结合表6在Ⅴ、Ⅵ级围岩级别内各取2组围岩参数形成4种围岩条件(如表7所示)进行开挖模拟。在开挖过程中对上下台阶掌子面的最大挤出变形进行监测，得出在不同围岩条件及不同台阶高度下各台阶掌子面的最大挤出变形统计结果，如表8和表9所示。

表7各围岩条件下的围岩物理力学参数

Table 7 Physico-mechanical parameters of different surrounding rocks

围岩级别计算参数重度/(kg/m3)弹性模晨E/GPa泊松比内摩擦角/(°)黏聚力/MPaⅤa19501.300.37270.15Ⅴb18001.000.40220.10Ⅵa17000.800.45200.08Ⅵb17000.600.45180.05

注： a、b分别表示围岩级别参数区间的上下限范围，下同。

表8 上台阶掌子面最大挤出变形统计

表9 下台阶掌子面最大挤出变形统计

根据表8和表9不难发现，随着上台阶高度的增加，上台阶的掌子面最大挤出变形越来越大，而下台阶掌子面的最大挤出变形则越来越小，而且这种规律在越差的围岩条件下越明显。同时，当上台阶高度小于0.6H时，各围岩条件下上台阶的最大挤出变形小于下台阶，当上台阶高度大于0.7H时，各围岩条件下上台阶掌子面最大挤出变形大于下台阶。也就是说，2台阶的最大挤出变形会在上台阶高度为0.6H与0.7H之间产生平衡点。为找出该点位置，现将0.7H或0.6H对应的下台阶最大挤出变形值，代入上台阶0.6H与0.7H最大挤出变形区间段进行线性插值近似计算，通过插值计算得出各围岩条件下上下台阶最大挤出变形平衡点，如表10所示。

表10 2台阶掌子面最大挤出变形平衡点统计

Table 10 Heights of top heading for balanced extrusion deformation of two bench face in different surrounding rocks

ⅤaⅤbⅣaⅣb0.61H0.68H0.68H0.7H

由表10可知： 围岩条件越差，上下台阶最大挤出变形平衡点对应的上台阶高度越高。考虑到上台阶的约束条件是强于下台阶的，即使最大挤出变形相同，下台阶掌子面的稳定性也会差于上台阶。因此，若要提高隧道掌子面的稳定性，首先考虑的应该是降低下台阶的最大挤出变形量，也就是说上台阶高度的取值应满足下台阶的掌子面最大挤出变形不小于上台阶的最大挤出变形。综合前面的计算结果来看，在不同的围岩条件下，将上台阶高度设置在上下台阶最大挤出变形平衡点附近对隧道掌子面的稳定性是最有利的；但同时也应考虑到这样的选择是偏安全的，仅在围岩条件较差，如Ⅴ级围岩掌子面出水或者其他岩性较差情况下效果可能明显，而对于不是很差的围岩条件，下台阶高度的选择也可适当放宽。

4 考虑施工便利性的几何参数优化

4.1 台阶长度优化

根据现场施工经验，采用台阶法施工时，在钻爆阶段需用挖掘机将约3 m长的台架吊至上台阶，工人站在台架上进行钻孔打眼作业；在初期支护阶段，挖机需将钢拱架、钢筋网等材料运送至上台阶，工人在台架上进行钢拱架安装等初期支护作业。因此，上台阶应该留够安放台架及堆放初期支护材料的空间而不宜过短，至少大于4 m；另一方面，在爆破之后的挖碴阶段，挖掘机位于下台阶扒上台阶碴，若台阶过长，则挖机就位次数以及扒碴效率会受到很大的影响，考虑到挖机机械臂长度以及下台阶高度对机械臂伸展的影响，上台阶长度宜控制在5 m以内。隧道内作业空间示意如图9所示。

图9 隧道内作业空间示意图

4.2 台阶高度优化

根据前面的研究结果，上台阶高度取大值(0.6H～0.7H)时，隧道的变形受力均是有利的，但是根据现场施工情况，上台阶的打眼作业需在台架上进行，过高的台架对于工人的操作以及挖机的吊装都是不利的。同时，钻孔打眼阶段，上下台阶同步进行，根据短板效应，均衡分配上下台阶的工作量能提高该阶段的工作效率。根据中条山隧道的施工经验总结，结合隧道横断面上窄下宽的特点，将上台阶高度控制在0.55H～0.6H(中条山隧道采用0.55H)对施工工效以及工人的操作便利性提升效果明显。隧道内钻孔作业示意如图10所示。

图10 隧道内钻孔作业示意图

5 结论与讨论

本文从初期支护结构安全性、掌子面稳定性和施工便利性3个角度出发，以上台阶长度与高度为主要研究对象对中条山软岩隧道台阶法施工的台阶高度与长度的选择进行了优化分析。通过分析得到如下结论：

1)上台阶高度控制在0.5H～0.7H有利于隧道拱顶沉降及水平收敛的变形控制，结构受力合理；

2)初期支护结构所受最大拉应力随上台阶长度的增加呈现出先减小后增大的趋势，即过短或过长的上台阶长度对结构受力都是不利的，该隧道条件下将其控制在5 m左右时初期支护结构受力安全合理；

3)上台阶高度在0.6H～0.7H合理选取时能使上下台阶最大挤出变形达到平衡，上台阶高度选取在平衡点附近对掌子面稳定性有利；

4)上台阶长度控制在4～5 m、高度控制在0.55H～0.6H时隧道内人员及机械操作便利，有利于施工效率提升。

综合考虑以上几点，施工时上台阶长度宜控制为4～5 m；而上台阶高度为能较好地兼顾掌子面的稳定性以及施工的效率问题，宜取为0.6H，但在Ⅴ级围岩掌子面出水或其他岩性更差的情况下，其取值应适当提高但也不宜大于0.7H。该研究结论是从施工安全及便利性等多角度出发得出，对类似工程在选用台阶法进行施工时具有借鉴意义。

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蒙华铁路中条山隧道进口与1号斜井贯通

2017年11月12日5时10分，由中铁隧道局集团有限公司承建的蒙华铁路中条山隧道进口与1号斜井顺利贯通。

中条山隧道进口与1号斜井是蒙华铁路全线独头掘进最长的单洞单线隧道作业面。贯通前，中条山隧道进口的通风距离为3.7 km，是单线隧道施工的通风极限。贯通后，中条山隧道进口与1号斜井区间段连通距离达6.8 km，隧道里有了“穿堂风”，将大大改善隧道内的通风条件和空气质量，为接下来的施工和管理带来极大便利。

蒙华铁路中条山隧道全长18.4 km，为高风险隧道，是全线重点控制工程之一。隧道进口位于盐湖区解州镇，出口位于平陆县常乐镇。其中，蒙华铁路MHSS-3标一工区承担的施工任务占隧道全长的44.5%，是施工难度、管理跨度最大的工区。自2015年3月进场以来，施工方不断优化施工方案，科学运用机械化配套施工，有效预防了隧道关门坍塌风险，提高了施工质量，先后有70多人次受到上级表彰。

(摘自 山西新闻网 http://yc.sxgov.cn/content/2017-11/17/content_8428918.htm)

OptimizationAnalysisofGeometricParametersofBenchMethodUsedinZhongtiaoshanTunnel

DENG Tao1, LIU Dagang1,*, CAI Minjin1, ZHAO Siguang1, HE Wei2

(1.SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China; 2.DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroup,Guangzhou511458,Guangdong,China)

In order to guarantee the construction safety and high efficiency of bench method in soft rock, the geometric parameters of bench method used in Zhongtiaoshan Tunnel is optimized and analyzed. And then, the numerical simulation method and site monitoring method are adopted; and the safety of primary support structure, stability of tunnel face and construction convenience are taken as references for optimization work. The analytical results show that: 1) The stress on tunnel primary support structure is rational and the construction machinery operation is convenient when adopting bench method for soft rock tunnel and the top heading length is controlled within range of 4-5 m. 2) The tunnel construction efficiency and the tunnel face stability can be guaranteed when the top heading height is 0.6H(Hrefers to height of tunnel cross-section); the top heading height should be in the range of 0.6H-0.7Hwhen the tunnel is in bad surrounding rock (i.e. shallow bury or water inrush from Grade Ⅴ surrounding rock).

railway tunnel; soft rock; bench method; bench height; bench length; stability of tunnel face; parameter optimization

2017-05-09;

2017-07-20

中铁隧道集团科技创新计划(隧研合2015-01)

邓涛 (1993—)，男，四川冕宁人，西南交通大学土木工程学院在读硕士，研究方向为隧道及地下工程。E-mail： 349928617@qq.com。*通信作者： 刘大刚, E-mail： 82384975@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.007

U 455.4

A

2096-4498(2017)12-1550-07