大断面软岩隧道三台阶开挖技术优化研究

乔建刚， 彭 斌， 秦金德

(1.河北工业大学 土木与交通学院， 天津 300401; 2.天津市交通工程绿色材料技术研究中心， 天津 300401; 3.蒙西华中铁路股份有限公司， 北京 100071)

0 引言

受地质构造影响，目前隧道施工亟待解决的技术难题主要为大断面软岩隧道的开挖施工技术[1]。为提高我国隧道的建设水平，做好软弱围岩施工技术管理，本文结合新建蒙西-华中铁路煤运通道项目马湾隧道工程进行关键技术研究，并结合以往工程，通过方案比选采用三台阶分步交错开挖法对隧道进行开挖。依据新奥法设计理念，既要发挥围岩自身一定的承载能力，又要保证围岩自身和支护结构的稳定性要求，初期支护施作应适时而行。但对于软弱破碎围岩，围岩径向位移增速快，开挖后若支护结构不能尽早发挥作用，极大可能导致围岩失稳，发生安全事故。因此，要合理选择隧道初期支护的施作时机，特别是初期支护尽早封闭成环是保证隧道施工安全的关键因素。

刘瑞斌[2]运用三维有限元模拟的方法测算初支围岩压力、二次衬砌背后水压、接触压力和钢拱架受力；李廷春[3]等在总结出隧道断层破碎带的突水塌陷机理的基础上，提出了围岩应力场、位移场与渗流场的分布特性；周鑫[4]提出超前预加固措施；李贤[5]等提出了围岩蠕变特性的理论-位移公式，并对现场进行监控量测;张成良[6]等对大断面软弱围岩隧道岩体的变形规律与初支时机之间的关系进行了分析；朱卫东[7]利用有限元模拟的方式得出三台阶法施工后的隧道衬砌和围岩受力和变形特征。目前国内外超前支护和开挖方法的研究均存在以下2个特点：多次对既有围岩进行扰动，围岩扰动所产生的应力变化对施工安全影响较大，且直观上无法判定；无法做到围岩快速封闭，超前支护效果不佳等问题突出。因此，本文通过理论分析与数值模拟，进一步优化三台阶开挖施工方案。

1 开挖施工方案优化

结合以往的软岩隧道施工工程实例，根据马湾隧道的围岩地质情况，对主要软岩隧道施工方案进行了对照比选，综合考虑安全、进度、成本后，最终确定：采用三台阶分步交错开挖法作为施工方案。

1.1 三台阶分布交错开挖布局的确定与施工要点

a.开挖布局。

① 开挖上台阶：采用机械配合人工进行上台阶土体开挖，按照设计施作上台阶初期支护结构。

② 当上台阶施工至5 m以上，开挖中台阶左边墙，接长钢架，施作洞身结构的初期支护，开挖宽度控制在1/2洞径，右边墙滞后左边墙3～5 m。

③ 按照中台阶施工顺序施作下台阶，左右边墙错开3～5 m。

④ 开挖仰拱初支，一次开挖不能超过3 m，仰拱初支封闭成环。

b.施工要点。

① 隧道施工应坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则。

② 利用上循环安装的钢架进行超前支护(如中管棚、超前小导管等)施工，保证2循环超前支护搭接长度不得小于1 m。超前支护应与钢架钻孔连接或焊接连接，形成棚架效应。

③ 在钢架就位后，首先施作锁脚锚管(杆)，保证锁脚锚管与钢架有效焊联。

④ 中、下台阶一次开挖长度在2～3 m，并不得大于2榀钢架间距，仰拱初支开挖后要进行地基承载力检测。初支仰拱距离掌子面极限距离不得大于35 m。

⑤ 中、下台阶开挖时，要采取措施保证上部围岩不受扰动，下台阶断面应在上部断面喷射混凝土达到一定强度后(不得低于70%)开挖，开挖应两侧交错进行。

c.原理：通过现场实际施工情况分析可知，三台阶分布交错开挖法在隧道的施工过程中，由于开挖步序繁琐，多次开挖对围岩，以及已支护段的扰动明显，同时初支闭合落后掌子面较多，未能及时封闭成环，造成初期支护出现开裂，支护变形出现明显的异常加速，围岩变形没有得到有效控制，台阶接长和落脚部位作为初期支护薄弱环节变形最为明显。因此，可认为在马湾隧道施工中，三台阶分步交错开挖不能满足施工要求。为实现仰拱初支紧跟、隧道初期支护整体尽早封闭成环，开挖、支护工序适时紧凑，需对此开挖方法进行相应的优化和调整。故提出三台阶同步开挖法。

1.2 三台阶同步开挖布局的确定与施工要点[8-10]

a.通过分析该隧道周边围岩的条件确定各层台阶高度和长度，台阶长度应满足2倍洞径以内的要求。

b.上台阶开挖支护。上台阶高4 m，长3～5m，开挖方法采用环形开挖预留核心土法，核心土长2 m，距拱顶高度1.5 m，开挖进尺根据围岩级别、量测情况确定；开挖采取沿开挖轮廓环形开槽，开挖顺序为先从两侧拱腰向下，后拱部，再清脚；为减少暴露时间，初喷速封闭；紧贴开挖基面快立架；安装结构钢筋，连接牢固。

c.中台阶开挖支护。中台阶高3.8 m，长10～17 m，不留中间土，边墙对称开挖，每次开挖长度，根据围岩级别、量测情况确定。采用机械开挖，局部人工修边，严控超挖。开挖完成后，初喷混凝土快速封闭，紧贴开挖基面快立架；安装结构钢筋，连接牢固。

d.下台阶与仰拱开挖支护。下台阶与仰拱开挖高度3.59 m，采用对称开挖，一次开挖到位，开挖进尺1～2榀拱架。开挖顺序，先由一侧开挖，留中间，最后挖出。紧贴开挖基面快速立架；安装结构钢筋，连接牢固。

2 开挖隧道模型建立

受地层结构的复杂性影响，在定性评价基础上，采用数值分析方法进行定量评价是十分必要的。借助有限元软件，对选用的三台阶交错分步开挖法和优化后的三台阶同步开挖法这2种方法进行对比分析。在模拟分析的基础上，确定最优施工方案，完善施工要素后组织现场施工。

本次建模采用Midas/GTS(以下简称GTS)计算软件进行。该软件是一款有限元分析软件，主要用于岩土受力分析，能满足岩土隧道结构的专业需求，通过对每个有限元内核荷载情况分析，对隧道结构分析时能有效反应现场受力情况，专业性和针对性较强。

将马湾隧道里程DK846+260～+320段(60 m)作为研究对象，隧道周围主要为第四系全新统(Q4)、下元古界刘岭组Pt11围岩，受断裂构造影响，岩体较为破碎，节理较发育，属Ⅴ级围岩，根据纵断面情况生成模型示意图如图1所示。

图1 模型示意图

a.模型围岩和支护结构参数如表1所示。

表1 围岩和衬砌参数Table 1 Surrounding rock and lining parameters类别密度/(kg·m-3)弹模/MPa泊松比粘聚力/kPa内摩擦角/(°)围岩(Ⅴ级)2 000 3000.301719初支2 20028 0000.2——二衬2 40030 0000.2——

b.基本假定

① 所有土体为均质的、各向同性的。

② 初始地应力在模型计算时只考虑土体自重应力，不考虑地下水和围岩构造应力的影响[11-12]。

3 2种开挖方案数值模拟结果对比分析

3.1 变形分析

隧道开挖以后，首先会引起周边围岩的位移变形，因此，首先对围岩变形进行分析。

3.1.1竖向位移分析

为消除边界效应，选取模型中部的断面，对围岩变形进行对比分析，提取围岩竖向位移云图，如图2所示。

(a) 三台阶分步交错开挖

由图可知，采用三台阶分步交错开挖时，隧道最大竖向变形为45.7 mm，采用三台阶同步开挖时，隧道最大竖向变形为32.4 mm[13]。

2种开挖方法引起地表沉降曲线如图3所示。

图3 2种开挖方法的地表沉降曲线图

由图可知，三台阶分步交错开挖引起地表的沉降大于三台同步开挖法，同时由于隧道左低右高，存在偏压，左右两侧的地表沉降不对称。

3.1.2水平位移分析

提取围岩水平位移数值可知，采用三台阶分步交错开挖时，隧道最大水平变形为48.4 mm，采用三台阶同步开挖时，隧道最大水平变形为21.3 mm。采用三台阶分步交错开挖时，隧道最大跨度处相对水平收敛为74.5 mm，采用三台阶同步开挖时，隧道最大跨度处相对水平收敛为35.4 mm。

3.1.3整体位移分析[14]

隧道开挖后拱顶沉降最大值、地表沉降最大值和最大跨度处水平收敛值如表2所示。

综合看来，无论是竖向位移还是水平位移，在马湾隧道中，三台阶同步开挖法均小于三台阶分步交错开挖法。说明在马湾隧道软弱围岩施工中，初支和早封闭成环对围岩变形的控制具有十分明显的效果。

表2 2种施工方法引起围岩变形对比表Table 2 Comparison of deformation of surrounding rock caused by two construction methodsmm开挖方法拱顶最大沉降值地表最大沉降最大水平收敛三台阶分步交错开挖40.629.574.5三台阶同步开挖30.921.235.4

3.2 塑性区分析

为了对比2种开挖方法对隧道围岩扰动情况，对围岩塑性区进行分析，塑性区分步如图4所示。

(a) 三台阶分步交错开挖法

图4中可直观看出，2种开挖工法在隧道开挖和支护完成后所引起的围岩塑性区分布、大小均不同，三台阶分步交错开挖引起围岩塑性区比三台阶同步开挖法要大，主要是因为在软岩中，分步开挖由于支护未能及早闭合，不能有效控制围岩的变形，导致围岩的塑性区向深处发展，而三台阶同步开挖法初支闭合较早，对围岩的变形控制更加及时有效，对塑性区发展的控制效果更好。

3.3 初支内力分析

不同的施工方法对初期支护的受力影响较大，因此，对2种不同开挖方法下初支的轴力及弯矩进行相应分析。

a.初支轴力分析

当初支闭合后，采用三台阶分步交错开挖时，初支轴力最大值为1188.65kN，表现为压力，出现在拱顶位置；采用三台阶同步开挖时，初支轴力最大值为1279.43kN，出现在拱顶位置。

b.初支弯矩分析

当初支闭合后，2种不同开挖方法下初支弯矩云图如图5所示。

(a) 三台阶分步交错开挖法

由图5可知，采用三台阶分步交错开挖时，初支弯矩最大值为20.7 kN·m；采用三台阶同步开挖时，初支弯矩最大值为13.5 kN·m，小于三台阶分步交错开挖。同时根据云图可知，采用三台阶同步开挖时，初支弯矩分步相对均匀。

4 三阶同步开挖实际施工效果监测

通过上述2种方案数值模拟的对比结果，现根据现场实际情况对三阶同步开挖实际施工效果进行监测。

4.1 围岩变形监测

在DK846+309.8、DK846+315、DK846+320、DK846+325埋设监控量测点，并对该段开挖至施做二衬期间各测点进行监测，各监控量测断面测点拱顶下沉、水平收敛的数据变化累计值、回归分析值。

结果表明：施工过程中，测点变形表现经历“快速变形—缓慢变形—扰动影响变形—趋于稳定—稳定”的过程。掘进开挖30 d后变形趋于稳定；仰拱施工扰动时，有较明显变形；仰拱施工完成15 d后变形逐渐趋于稳定，至施做二次衬砌时变形速率小于0.2 mm/d，变形基本稳定。

4.2 初支轴力变化及分布规律

分别在DK846+310、DK846+315、 DK846+320断面埋设钢筋计、压力盒，进行隧道受力情况监测。每个断面布设5个测位10个测点，每个测位内外2个测点。每天进行采集数据，定期进行数据分析，掌握隧道变形情况。根据各里程初支钢筋受力测试结果和初支参数，计算出各断面初期支护结构轴力。DK846+315支护结构轴力变化如图6所示。

图6 DK846+315支护结构轴力变化历时曲线图

结果表明：轴力在开挖过程中始终处于上升趋势，当初期支护封闭成环后，受力均趋于稳定。受力整体较均匀，主要状况为：拱部最大，拱腰次之，边墙最小。

4.3 围岩压力测试结果分析

对马湾隧道不同里程段围岩压力进行了测试，例：DK846+315支护结构压力变化如图7所示。

图7 DK846+315支护结构压力变化历时曲线图

从该断面检测数据分析，主要受力部位位于拱顶，主要呈现向外挤压受力状态，最大力为0.574 kN，左边墙受力状态不佳，均处于向外挤压受力状态。

综上所述，通过对三台阶同步开挖法实际施工中围岩变形、初支轴力、弯矩的变化和分布规律，以及围岩压力监测效果来看：该开挖方案确实能够减少隧道开挖时对围岩的扰动，减少总沉降量；使初支尽早封闭成环，控制隧道初支变形；确保了施工质量和安全，提高了施工效率。

5 结论

通过上述马湾隧道数值模拟分析可知，采用三台阶同步开挖法施工，初支闭合较早，能有效减小围岩的变形；同时能够控制围岩塑性区的发展;初支轴力和弯矩略大于分步交错开挖法，但差距不大，不影响初支结构安全。根据实际施工效果监测得出，三台阶同步开挖法在软岩隧道的施工中确保了施工质量和安全，提高了施工效率。故可认为，三台阶同步开挖法施工优于方案比选得出的三台阶分步交错开挖法。