铁路客运专线大断面隧道开挖方法分析

任晋平

中铁二十三局轨道公司 上海 200000

1 引言

随着交通量的提升，铁路隧道必须拓宽，大断面隧道工程应运而生，并已经成为大运输量铁路工程运输发展趋势。大断面隧道工程开挖施工方式有很多种，比如台阶法、双侧壁导坑法、三台阶七步法等等，只有合理选用开挖方式，并加强施工技术控制，才能够保证工程项目建设的顺利进行。因此，对大断面隧道工程开挖施工技术进行详细探究迫在眉睫[1]。

2 大断面隧道开挖技术

2.1 双侧壁导坑法

①开挖左导洞上台阶，再施工其初衬和临时支护；②开挖左导洞下台阶，再施工其初衬和临时支护；③开挖右导洞上台阶，再施工其初衬和临时支护；④开挖右导洞下台阶，再施工其初衬和临时支护；⑤开挖核心土上部，再施工其初衬；⑥开挖核心土中部，再施工其临时支护；⑦开挖核心土下部，再施工其初衬；⑧拆除临时支护，再施工全环二衬。

2.2 三台阶施工

①先施工超前支护，然后开挖上弧型导航，再施工初衬；②开挖中导洞左上边墙，再施工其初衬；③开挖中导洞右上边墙，再施工其初衬；④开挖中导洞左下边墙，再施工其初衬；⑤开挖中导洞右下边墙，再施工其初衬；⑥依次开挖中导洞核心土上、中、下台阶；⑦开挖仰拱，再施工其初衬，最后施工全环二衬。

2.3 CRD法

①开挖左导坑上部，再施工其初衬和临时支护；②开挖左导坑下部，再施工其初衬和临时支护；③开挖右导坑上部，再施工其初衬和临时支护；④开挖右导坑下部，再施工其初衬；⑤拆除临时支护，再施工全环二衬[2]。

3 工程背景

某铁路客运专线隧道工程里程7238m，隧道最大埋深处约为225m，其最小埋深处约7m。隧道围岩为砂岩夹泥岩，但风化程度不同，隧道上方的围岩分为全风化、强风化、弱风化3种。最上层地表出露为全风化层，厚度10～3.5m，属Ⅲ级硬土；中间为强风化层，厚度24～20m，属Ⅳ级软石；弱风化层，厚度55～0m，属Ⅳ级软石[3]。

4 双侧壁导坑法模拟

新奥法施工的主要思想是通过施工量测合理控制施做支护结构时间，充分发挥围岩自身承载能力。在实际施工过程中，隧道从开挖到施做支护结构，其间均有一定的时间间隔，时间间隔的长短会直接影响围岩的位移变形和支护结构、二次衬砌的内部受力状况。在应用FLAC3D软件进行隧道开挖动态开挖过程中，通过围岩应力逐步释放的方法来实现

（1）开挖隧道左侧上部①，每次循环开挖进尺设为3m，由于隧道开挖和施做初支存在一定时间间隔，应力释放25%，计算平衡；距离左侧上部①掌子面3m处，施做初期支护和临时支撑，每循环长度设为3m，初期支护和架立工字钢（临时支撑）采用不占空间的壳结构来模拟，此时采取应力释放60%，计算平衡。

（2）距离左侧上部①掌子面3m处，开挖隧道左侧下部②，每次循环开挖进尺设为3m，由于隧道开挖和施做初支存在时间间隔，应力释放25%，计算平衡；距离左侧下部②掌子面3m处，施做初期支护和临时支撑，每循环长度设为3m，初期支护和架立工字钢（临时支撑）采用不占空间的壳结构进行模拟，隧道左侧下部初期支护和临时支撑完成后，使左侧导洞的初期支护和临时支撑形成封闭的环状。此时采取应力释放60%，计算平衡。

（3）距离左侧上部①掌子面6m处，开挖右侧上部③，每次循环开挖进尺设为3m由于隧道开挖和施做初支存在一定时间间隔，应力释放25%，计算平衡；距离右侧上部③掌子面3m处，施做初期支护和临时支撑，每循环长度设为3m，初期支护和架立工字钢（临时支撑）采用不占空间的壳结构来模拟，此时采取应力释放60%，计算平衡。

（4）距离右侧上部③掌子面3m处，开挖隧道右侧下部④，每次循环开挖进尺设为3m，由于隧道开挖和施做初支存在一定时间间隔，应力释放25%，计算平衡；距离右侧下部②掌子面3m处，施做初期支护和临时支撑，每循环长度设为3m，初期支护和架立工字钢（临时支撑）采用不占空间的壳结构来模拟，隧道左侧下部初期支护和临时支撑完成后，使右侧导洞的初期支护和临时支撑形成封闭的环状。此时采取应力释放60%，计算平衡。

（5）距离右侧上部③掌子面12m处，开挖隧道中间顶部⑤，每次循环开挖进尺设为3m，由于隧道开挖和施做初支存在一定时间间隔，应力释放2500，计算平衡；距离中间顶部⑤掌子面3m处，施做初期支护，每循环长度设为3m，初期支护采用不占空间的壳结构来模拟，此时采取应力释放60%，计算平衡。

（6）距离中间顶部⑤掌子面3m处，开挖隧道中间中部⑥，每次循环开挖进尺设为3m，应力释放25%，计算平衡。

（7）距离中间中部⑥掌子面3m处，开挖隧道中间底部⑦，每次循环开挖进尺设为3m，由于隧道开挖和施做初支存在一定时间间隔，应力释放25%，计算平衡；距离中间底部⑦掌子面3m处，施做初期支护，每循环长度设为3m，使整个隧道断面初期支护封闭成环（包括左右导洞的临时支护）。初期支护采用不占空间的壳结构来模拟，此时采取应力释放60%，计算平衡。

（8）距离中间底部⑦掌子面12m处，拆除临时支撑，施做二次衬砌，应力完全释放，计算平衡。

隧道开挖过程中，在隧道的拱顶和拱底产生竖向位移极值，在隧道洞室左右两侧中部产生水平位移极值，在此处设位移监测点，如图1所示。

图1 监测点

由云图可得测点在不同施工水平位移如图2和图3所示。

图2 x-z平面拱顶拱底竖向位移曲线

图3 x-z平面隧道洞室两侧边墙中部水平位移曲线

5 结束语

综上所述，在本工程施工中，采用双侧壁导坑施工技术进行铁路客运专线大断面隧道开挖，并应用FLAC3D软件进行隧道三维动态施工模拟，在隧道横断面内，随着各部分的开挖，出现竖向位移极值，左、右拱腰处产生水平位移极值，均在隧道断面开挖完成后达到极值，施做初期支护和二次衬砌后，围岩位移基本没有变化。另外，在隧道纵断面内，隧道全施工过程中，在掌子面前方的围岩产生了竖向位移，发生了应力重分布，处于受压状态，且产生了塑性变形区域，开挖影响范围约在掌子面前方一倍隧道跨度长度以内。施作初期支护和二次衬砌后，最终达到稳定。

参考文献

[1] 石磊,侯小军,武进广.大断面黄土隧道施工工法研究[J].隧道建设(中英文),2012,33(s1):173-178.

[2] 赵斌,章慧健,仇文革.特大断面铁路隧道施工过程应力特性研究[J].现代隧道技术,2014,51(1):70-76.

[3] 吴占瑞,漆泰岳,唐进才.浅埋大断面隧道施工工法优化分析[J].工业建筑,2012,42(8):102-107.