双线铁路隧道软弱围岩施工方法分析

刘宗族

(中铁二十四局集团安徽工程有限公司 安徽合肥 230001)

1 引言

随着高铁的大规模修建，铁路线路标准不断提高，使得铁路线路中隧道数量越来越多，单隧长度越来越长，要求隧道施工在保证安全性的情况下尽可能地提高施工进度，降低施工成本。双线铁路隧道在围岩软弱时常采用的施工方法有四步CD法、三台阶临时仰拱法及三台阶七步法(短台阶留核心土法)，每种工法的施工速度、成本及对围岩稳定性的影响各不相同。为了在保证围岩稳定的情况下，尽可能地提高隧道开挖速度，降低开挖成本，本文针对双线铁路隧道特点，结合现场实际情况，对四步CD法、三台阶临时仰拱法及三台阶七步法进行比较分析。

2 围岩稳定性比较

2.1 FLAC3D模型建立及实例分析

上界首隧道出口为浅埋偏压段，设计进洞施工方案为四步CD法，自进洞开始，对地表沉降、拱顶下沉和水平收敛进行了观测[1]。以上界首隧道出口观测数据为基础，采用BP神经网络参数反演的方法对数值模拟各岩层的弹性模量和抗拉强度进行选取，得到表1的力学参数结果[2-3]。

表1 力学参数取值

根据隧道勘察设计资料及隧道开挖影响范围建立三维直角坐标模型，x轴为隧道垂直方向，长100 m；y轴为隧道走向方向，长45 m；z轴为重力方向，长80 m。计算模型单元数为24 768，节点总数为10 163。拱顶部超前长管棚采用Beam单元模拟，系统锚杆和锁脚钢管采用Cable单元模拟，初期支护采用Shell单元模拟，岩体屈服准则选取Mohr-Coulomb屈服准则[4-5]，并且不考虑塑性流动及剪胀[6-8]。模型上边界无约束，下边界垂直位移约束，水平方向边界靠山一侧水平位移约束，自由面无约束。边界条件设置见图1。

图1 模型边界条件

按照上界首隧道出口观测点设置对模型拱顶下沉、水平收敛及地表沉降进行监测。建立三维FLAC3D数值模型，参照现场施工进度建立开挖方案进行计算。开挖方案见表2。

采取表1的力学参数进行数值模拟计算，与实测结果进行比较见图2。可见数值模拟结果与实测结果能较好地吻合。

表2 模拟开挖方案

图2 模拟结果与实测结果比较

2.2 不同工法模拟结果比较

根据不同施工工法开挖工序，将后25 m分别采用四步CD法、三台阶临时仰拱法及三台阶七步法进行模拟。各施工工法开挖工序见图3，数值模拟得到围岩变形情况见图4。

图3 各工法开挖工序图

图4 不同工法下沉比较

从图4可以看出，四步CD法变形最小，三台阶临时仰拱法与四步CD法相差不大，而三台阶七步法变形较大。三台阶临时仰拱法和三台阶七步法在上台阶开挖后即有明显拱顶下沉，而四步CD法则在第二部开挖后见到较大变形。总体下沉量三台阶七步法较四步CD法相差近一倍，而三台阶临时仰拱法只比四步CD法多20%左右。针对三台阶临时仰拱法上台阶开挖下沉速度快的特点，对于极软弱围岩可以采取在上台阶增加临时中支撑的方法控制拱顶下沉。

3 围岩变形实测分析

3.1 实测与模拟比较

根据前15 m监控量测数据，围岩变形量不大，而数值模拟结果表明三台阶临时仰拱法和四步CD法变形量相差不大，因此将后面25 m原设计的四步CD法变更为三台阶临时仰拱法施工。

对后25 m进行监控量测，将实测数据与数值模拟结果进行比较见图5。可见实测数据和模拟数据拥有相同的变形规律，但比模拟数据小20%左右，这是由于模拟采用的是前15 m四步CD法的施工速度，而三台阶临时仰拱法实际施工速度要快很多。

图5 实测数据与数值模拟结果进行比较

3.2 施工速度的影响

对标段内观测数据较全面的35个围岩软弱段(均为Ⅴ级围岩Vc型衬砌)进行统计，四步CD法最大变形值为42 mm，三台阶临时仰拱法最大变形值为48.5 mm，三台阶七步法最大变形值为72 mm；四步CD法平均变形值为28.1 mm，三台阶临时仰拱法平均变形值为38.8 mm，三台阶七步法平均变形值为53.4 mm。各软弱段最大地表下沉值与初支闭合时间关系见图6。

由图6可以看出，初支闭合时间越长，地表下沉越大，四步CD法虽然进度慢，但初支闭合处离掌子面较近，变形相对较小。平均下沉速度(最大下沉值与初支闭合时间之比)与初支闭合时间关系见图7。

图6 初支闭合时间与最大地表下沉值统计

图7 平均下沉速度与初支闭合时间关系

由图7可见各工法随着初支闭合时间的增大，下沉速度逐渐减小。在相同初支闭合情况下，三台阶临时仰拱法和四步CD法下沉速度较小，三台阶七步法下沉速度较大。

4 施工比较

九景衢铁路浙江段站前I标位于开化县境内，穿越低山区，隧道占标段总长的80%。其中18处隧道口进洞设计方案为四步CD法，5处隧道口进洞设计方案为三台阶临时仰拱法。以上界首隧道出口为例对四步CD法、三台阶临时仰拱法及三台阶七步法进行对比。

4.1 成本比较

各工法主要成本差别在临时支护，其中三台阶七步法没有临时支护。四步CD法与三台阶临时仰拱法临时支护成本计算见表3。

表3 每延米临时支护成本

由表3可以看出，三台阶临时仰拱临时支护成本仅为四步CD法的47%，每延米可节省成本4 791元。而三台阶七步法没有临时支护成本。

4.2 施工速度

上界首隧道出口岩层为强风化～弱风化岩层，需采用爆破配合机械开挖。四步CD法分导洞开挖，由于临时支护不能拆除，若上下台阶同时开挖，则上台阶无法使用大型机械施工，在上界首出口选择了上台阶先施工到15 m，再施工下台阶，严重影响施工进度。下台阶受临时支护影响，机械施展困难。四步CD法进洞15 m共使用24 d，若采用三台阶临时仰拱法需13 d，三台阶七步法需11 d。后面22.5 m采用三台阶临时仰拱，使用19 d，若使用四步CD法需36 d，三台阶七步法需16 d[9-10]，见表4。

表4 施工速度对比

三台阶临时仰拱节省了近一半的时间，三台阶七步法所用时间不到四步CD法的一半，对于作为控制性工程的隧道工程，工期的影响非常重大。

4.3 施工难度

双线铁路隧道开挖断面高宽比接近于1，开挖高度非常大，而四步CD法分上下台阶开挖，上台阶一次开挖高度达6 m左右，而且断面形状不规则，作业台车不便放置，初支钢架架立非常困难，特别是第二部开挖拱顶与第一步交接处，作业人员很难够得到，且拱部掉块对作业人员的威胁很大[11-12]。

下台阶一次开挖到底，仰拱初支施作后需回填后机械才能进入下一循环施作，增加施工作业量，影响进度。爆破开挖会影响到临时支护，甚至会使得临时支护钢架产生大变形，影响支护受力。

三台阶临时仰拱法各台阶高度在4 m左右，临时支护在施作下一台阶时可以拆除，因此不存在以上难点，且能快速转换为三台阶七步法或台阶法，便于施工。

三台阶七步法各台阶高度在4 m左右，没有临时支护，各工序容易协调，是最简单的施工方法。

5 结束语

四步CD法施工进度较其他两种工法慢，但是能及早封闭成环，围岩变形较小；三台阶七步法的施工成本最低，施工速度快，掌子面也比较稳定，但是围岩变形较大；三台阶临时仰拱法变形较小，施工速度和三台阶七步法相差不大，在围岩情况较差时还可以采取上台阶加中支撑或上台阶留3～5 m核心土的方式保证围岩稳定性，是综合性最好的施工方法。

根据以上分析，建议在围岩软弱段采用三台阶临时仰拱法施工，并根据监控量测情况不断调整工法。围岩变形速度或变形量较大时在上台阶加中支撑，并减小仰拱与掌子面距离，加快初支闭合速度；掌子面不稳定时可预留3～5 m核心土以稳定掌子面。围岩较稳定时，可适当减少临时支护数量，两榀或多榀钢架支护一榀临时钢架。