下台阶含仰拱一次开挖工法特性研究

蔡闽金，刘大刚，邓涛，赵思光，何伟

(1. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；3. 中铁隧道集团有限公司 勘测设计研究院，河南 洛阳 471000)

台阶法因在隧道开挖过程中工法易于转变，适应性强，有利于围岩稳定和机械化施工，且施工组织和安全控制难度小，在未来一段时间内仍是铁路隧道的主要施工方法[1]。目前，国内对台阶法进行的了一定的研究。邹成路等[2]研究了不同的台阶开挖高度对隧道衬砌和围岩的影响效应，确定了隧道安全施工的最佳台阶开挖高度。黄嘉亿[3]研究了不同的上台阶长跨比、围岩级别对洞室变形及支护应力的作用效果，应证了隧道安全步距要求的合理性。周路军等[4]研究了核心土长度在隧道环形开挖时的影响，确定了核心土合理预留长度。皇甫明等[5]分析了不同长度核心土对工作面前方地层下沉及对工作面大、小主应力分布的力学效应。郭桃明等[6]研究了台阶长度及核心土长度、宽度对隧道掌子面的纵向位移、塑性区纵向深度和横向大小的影响规律。席浩等[7]研究了不同的仰拱封闭距离对隧道变形的作用机制，探明了仰拱最佳封闭距离。李文江等[8−9]对台阶法中的临时仰拱进行了研究，确定了临时仰拱对结构变形和受力的影响。以上研究均建立在仰拱单独开挖和初期支护独立施作且不与掌子面开挖同步施作的基础上，然而大量的工程经验表明：仰拱的开挖滞后于下台阶的开挖，对安全控制、工时、安全步距产生了不良的影响。由于仰拱单独开挖，存在仰拱初支封闭不及时，导致产生初支过大变形、掉拱、关门塌方等安全隐患；仰拱单独钻爆开挖增加了对围岩的扰动次数，仰拱爆破采用竖直钻爆成形较差，容易破坏通风管；仰拱开挖施工与掌子面开挖施工之间相互干扰，对循环时间的控制造成不利影响。为使隧道初支及时封闭成环，减少仰拱单独开挖对围岩的多次扰动以及降低各个工序之间的相互干扰，提高工效，本文以段家坪隧道为工程依托，对台阶法中下台阶和仰拱一次开挖支护工法进行研究。

1　工程概况

段家坪隧道位于陕西省宜川县秋林镇境内，为双线单洞铁路隧道，全长10 722.98 m，起讫里程为DK446+664.02～DK457+387，洞身纵坡分别为5%(上坡)、4.5%(下坡)。地处黄土高原残垣区，残塬面窄、短，较为平整，海拔1 300 m左右，最低处为河谷，高程约820 m，残塬周边向塬侵蚀强烈，冲沟发育。围岩参数按Ⅳ级围岩参数取值，支护参数按设计取值，衬砌断面见图1。

图1　段家坪复合式衬砌断面图Fig. 1　Composite lining section of Duanjiaping

2种工法的施工工序如下：

1) 传统工法施工工序：①上台阶开挖；②上台阶支护；③中台阶开挖；④中台阶支护；⑤下台阶开挖；⑥下台阶支护；⑦仰拱开挖；⑧仰拱支护；

2) 新工法施工工序：①上台阶开挖；②上台阶支护；③中台阶开挖；④中台阶支护；⑤下台阶和仰拱同时开挖；⑥下台阶和仰拱同时支护。

2　有限元分析

为了确定新工法在隧道开挖过程中的力学特征，及其较传统工法所表现的力学特性差异，依托段家坪隧道工程，对2种工法的开挖进行有限元模拟研究。

2.1　有限元模型

模型左右边界至隧道外侧面的距离各取2倍洞径，则模型横向长度约为57 m；模型上下边界至隧道顶面和基底均取3倍洞高，则模型高度约为57 m；模型的纵向长度取1 m；由此建立的模型尺寸为57 m×57 m×1 m。隧道埋深20 m。计算模型的前后左右施加法向约束，底部施加竖向约束，上表面为自由表面。各层之间采用实体单元进行模拟。同时，拱顶位置布置1个监测点，监测拱顶沉降，两侧的拱墙布置3个监测点，监测水平收敛情况，计算模型见图 4，监测点布置见图 5，计算中只考虑初期支护的作用，二次衬砌作为安全储备，模拟时不予考虑。

图2　计算模型Fig. 2　Computational model

2.2　计算结果分析

2种工法引起的结构最小主应力见图 4，最大主应力见图5，支护结构变形及增量比重见表1。

图3　测点布置图Fig. 3　Arrangement of measuring points

图4　结构最小主应力Fig. 4　Structure minimum principal stress

1) 结构应力分析

传统工法结构压应力呈现上部分大下部分小的分布状态，新工法改变了压应力分布的状态，使得较大的压应力从结构的上部分转移到了结构的下部分。最大压应力位置从拱顶转移到了拱脚的位置，同时结构的应力整体上增大，增加的应力控制在1 MPa以内，不影响结构的安全受力。

图5　结构最大主应力Fig. 5　Maximum principal stress of structure

新工法和传统工法支护结构拉应力分布状态相当，均分布在拱腰附近和仰拱底部的位置，新工法支护结构最大拉应力作用位置在拱腰附近，最大拉应力增加0.16 MPa，较传统工法差别不大。

2) 结构变形分析

由表3可知：新工法中初支结构各部位变形位移均有所减少，其中拱顶沉降、拱肩水平收敛、拱腰水平收敛的减少比重依次增加，减少比重均在5%以内，拱脚水平收敛减少最为明显，减少比重达到传统工法拱脚水平收敛值的14.45%。

表1　2种工法初支位移及增量比重Table 1　Displacement and incremental proportion of primary support of two methods

3　经济性分析

通过对施工现场各个工序的时间统计，对比在同等施工技术水平及地质条件下2种施工工法循环作业的时间，分析2种施工工法的经济性，2种施工工法的循环开挖时间见表2。

表2　2种施工工法循环作业时间Table 2　Cycle operation time of two construction method

由表2可知：新工法由于下台阶和仰拱同步开挖支护，省去了仰拱单独钻眼爆破、出渣、支护的时间，单次循环作业时间节省了 1 h，月进尺从 92 m/月增加到了100 m/月，进度指标提高了8%，同时由于工期的缩短，进步一地节省了人力物力成本，提高施工经济性。

4　安全性评定

为了保证施工过程中结构受力和变形的安全性，同时应证理论分析的合理性，从支护结构安全系数和现场实测与理论计算对比角度进行分析，支护结构安全系数见图 6，实测数据及理论计算值见表3。

图6　结构安全系数Fig. 6　Structural safety factor

4.1　支护结构安全系数分析

初期支护各部位安全系数均明显大于 1，说明新工法能够保证隧道施工安全；在拱脚部位的的初期支护安全系数较小，此处为结构薄弱环节，施工时应注意质量控制。

表3　实测数据及理论计算值Table 3　Measured data and theoretical calculation

4.2　现场实测与理论计算对比分析

由表3可知：

1) 每种工况下拱顶沉降、拱肩水平收敛、拱腰水平收敛实测值中的最大值均未超过规范极限值[10]及预留变形量值，说明了新工法在工程应用中是安全可行的。

2) 各个工况的拱顶沉降、拱肩收敛、拱腰收敛计算值均分布在对应实测数据的集中区间上，并与实测平均值吻合程度较高，误差在1 mm范围内，证明了理论分析的合理性。

5　关键工序分析

为了探明各个开挖步序对各部位沉降变形的影响，确定对各部位沉降变形影响较大的开挖步序，方便对现场施工进行更加有针对性地指导，下文对新工法各个开挖步序下的支护结构变形进行研究。各开挖步下支护结构变形增量及影响比重见表4。

由表4可知：拱顶沉降受上台阶开挖影响最大，比重达到 88.78%；拱肩水平收敛受上台阶影响最大，比重达到40.77%，其次为中台阶开挖和上台阶开挖；拱腰水平收敛受中台阶开挖影响最大，影响比重达到59.96%，其次为下台阶开挖，影响比重为45.04%。拱脚水平收敛只受下台阶开挖影响，比重达到 100%。因对此各部位变形起控制作用的关键工序汇总见表5。

表4　开挖步下支护结构变形增量及影响比重Table 4　Deformation increment and influence proportion of support structure under each step

表5　关键工序汇总Table 5　Summary of key processes

6　工法适用性分析

由于不同施工工法适用于不同的工程类型和地质条件，为了确定新工法的适用性，对比了不同施工工法之间的适用情况，不同施工工法的适用情况见表6。

由表6可知：对于新工法施工速度较全断面法稍慢，但是全断面法难以适应软弱围岩的隧道开挖，而较CD法而言，新台阶法由于临时支护结构少，施工断面大，施工进度更快，同时施工组织难度较低，因此对于软弱围岩地区的隧道开挖，采用新工法具备较强的综合适用性。

表6　不同施工工法的适用情况Table 6　Applicability of different construction methods

7　结论

1) 新工法中支护结构的压应力分布状态改变，呈现为隧道上部结构压应力小，下部结构压应力大，其中拱脚部位的压应力最大，结构整体受压增大，增量在1 MPa以内。新工法中支护结构的拉应力分布状态及拉应力值变化不大。

2) 新工法结构的变形整体减少，其中拱顶沉降、拱肩水平收敛、拱腰水平收敛的减少比重依次增加，减少比重均在 5%以内，拱脚水平收敛减少最为明显，减少比重达到传统工法拱脚水平收敛值的14.45%。

3) 新工法单次循环作业时间节省了1 h，月进尺从92 m/月增加到了100 m/月，进度指标提高了8%。

4) 新工法初期支护各部位安全系数均明显大于 1，说明新工法能够保证隧道施工安全；在拱脚部位的初期支护安全系数较小，此处为结构薄弱环节，施工时应注意质量控制。

5) 现场实测新工法各部位变形量均未超过预留变形量及规范限值，说明新工法在工程实践中是安全可行的；理论分析结果和实测数据吻合程度高，应证了理论分析的合理性。

6) 拱顶沉降的关键工序为上台阶开挖，影响比重达到88.78%；拱肩水平收敛的关键工序为上、中台阶开挖，影响比重达到40.77%和37.62%；拱腰水平收敛的关键工序为中、下台阶开挖，影响比重达到54.96%和45.04%；拱脚水平收敛只受下台阶开挖影响。

7) 新工法在控制沉降变形、地层适用性、施工组织方面具有综合优势，具备一定的工程推广价值。

参考文献：

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