基于鐵路隧道軟弱圍巖隧道淺埋段的施工工藝研究

蘇肖康

摘 要：近年來，隨著我國經濟水平的不斷提升，鐵路建設也在高溫經濟中得到了快速發展。一般鐵路工程建設項目線路長，在施工過程中不可避免的要穿越各種各樣的地質巖層。如淺埋段軟弱圍巖隧道多為風化破碎的隧道圍巖，埋藏較淺，受力較復雜，較易發生地表下沉或圍巖坍塌事故。該文以績溪隧道為例，分析軟弱圍巖隧道淺埋段相關施工工藝，并運用數值分析，研究其施工力學，進一步提高施工技術水平。

關鍵詞：鐵路隧道 ?軟弱圍巖隧道淺埋段 ?三臺階臨時仰拱法 ?施工

中圖分類號：U455.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（c）-0023-01

績溪隧道位于安徽省宣城市績溪縣境內，貫穿板橋頭鄉、揚溪鎮、華陽鎮，全長9464.12 m，是合福鐵路安徽段最長的隧道，設毛竹塢和際坑兩個橫洞，其中毛竹塢橫洞斜長178 m;際坑橫洞斜長1175.23 m。隧道洞身最大埋深473 m，最小埋深約3 m，穿越5條斷層、3個淺埋段，地質條件復雜，風險等級高，施工難度大，是全線的控制性工程、重難點工程。

1 施工工藝

1.1 三臺階臨時仰拱法

工藝原理：三臺階臨時仰拱法所采用的施工方法是2層短臺階、1層長臺階分開平行開挖。混凝土仰拱和初期支護封閉是為了保護圍巖自身承載力，有效控制初值支護變形，通過監控量測數據反饋施工來及時調整支護參數和二次襯砌混凝土的施工時間。

三臺階臨時仰拱法與傳統施工方法相比，可以多個作業面平行作業，初期支護工序操作便捷，有利于機械化快速施工，適應性也高于傳統施工方法。采用短臺階，分步平行開挖，爆破施工分成多個作業面進行，將集中爆破化為分散爆破，既減少對圍巖的擾動，又充分利用時間，還增加了爆破臨空面，降低炸藥消耗。分步平行施作拱墻初期支護，混凝土仰拱超前施作及時閉合構成穩固的初期支護體系，保護圍巖的天然承載力，有效抑制圍巖變形。全斷面一次施作防水層和灌筑混凝土襯砌，確保了混凝土襯砌施工質量。監控量測信息反饋指導施工，及時調整支護參數。本文所研究的隧道開挖過程中，三臺階臨時仰拱法分為上、中、下臺階和仰拱四部分，4個開挖面，4個不同位置相互錯位同時開挖，在分部時同時支護，進而形成支護整體。不僅可以逐步推向縱深，最重要的是可以有效縮短作業循環時間。其實質是利用核心土施壓于掌子面，尤其拱腳處的特殊設計提高了鋼架支護的穩定性，也增強了初期支護強度，對受力結構起著完善作用。

1.2 CRD施工法

CRD施工法采用預留核心土的方法，將大斷面隧道分成4個相對獨立的小洞室，之后對四個小洞室展開分部施工，遵循以下施工原則：小分部，短臺階，短循環，快封閉，勤測量，強支護。隨挖隨撐，及時做好初期支護。然而這種施工工藝分布較多，不利于機械化作業，后續開挖和拆除支護會影響前面施工形成的力學平衡體系，多次改變圍巖應力，可能會出現較大的變形量。一般軟巖淺埋隧道會出現拱部圍巖受拉區連通，破壞洞體穩定性，臨時支護中鋼架、錨桿：網片及噴砼強度都按照永久性支護體系參數執行。由于始終保留1.5 m長核心土，為增大未封閉前的拱腳接觸面積.在兩拱腳位置支墊8 cm厚，30×30 cm規格的木板，控制拱腳的下沉速率。CRD法施工中臨時支護的拆除，應在全斷面完成閉合，各斷面位移基本穩定后，才能拆除。

2 數值模擬計算

2.1 設置模型

目前工程界廣泛應用一種傳統的彈塑性力學定律，既Mohr-coulomd準則，與巖石材料實驗結果較為接近，所反映的巖土材料破壞特征與實際破壞情況相符。具體公式如下：

公式中分別代表是極限抗剪強度，巖土內摩擦角和受力面上的正應力。

2.2 計算模型

整體模型尺寸為：隧道橫向取左右測距隧道輪廓線各50 m，可模擬開挖15 m分析應隧道開挖造成的縱向、橫及豎向位移。

2.3 結果分析

根據數值計算結果，三臺階臨時仰拱法和CRD各個關鍵步驟掌子面擠出位移值如表1所示。

從表1中可看出三臺階臨時仰拱法造成的掌子面擠出位移最大值為56.02，CRD法為37.53，為三臺階臨時仰拱法的66.9%。 三臺階會隨隧道的逐步開挖其掌子面擠出變形也均與增長。

3 軟弱圍巖淺埋段是隧道施工注意事項

一般軟弱圍巖的巖體荷載力小，巖體強度低，應做好超前支護措施，以此保證隧道施工的安全性。在進行超前支護工作時，可根據穿越長度、現場地質條件、隧道上覆土層等具體施工情況確定支護管的長度和管徑。為確保支護性能可靠，可在注漿前進行壓水試驗并檢查所使用的機械設備。在開挖隧道后及時進行支護工作。所采用的施工方法要與施工前設計方案相符，確保施工中所使用材料質量符合相關規定。冬季施工需注意噴射機中混凝土的粉塵含量不得大于2 mg/m?，溫度不低于5℃。完成噴砼后還需對混凝土做好養護措施。初期支護工作完成后，可檢驗其質量，達到相關質量要求后可進行下一道工序。通常在對隧道進行開挖時會采取及時支護、短進尺、弱爆破及強支護等措施，嚴格根據設計方案要求設定爆破用藥量和具體爆破方法，降低爆破對隧道周圍巖層的影響。盡可能地趕在冬季或雨季完成洞門修筑工作，其墻背回填和端墻的砌筑應保證兩側同時進行，避免因二次襯砌產生偏壓影響工程質量。此外，為避免出現拱部崩塌現象，在下部開挖之前可通過在上部支撐拱腳處設置鎖腳錨桿和縱向槽鋼托梁，提高支撐力，同時還可采取加設套拱的方法解決沉降過大的問題。

4 結語

總之，鐵路隧道軟弱圍巖隧道淺埋段的施工工藝關鍵在于其支護作用，通過支護措施緩解圍巖變形，避免塌方事故。本文所研究的三臺階臨時仰拱法和CRD施工工藝，從掌子面擠出位移方面及隧道拱頂下沉，三臺階臨時仰拱法變形值均大于CRD法，施工效率、施工安全性及經濟成本也優于CRD法。因此，此方法值得應用在鐵路隧道軟弱圍巖隧道淺埋段的施工中，根據施工工藝特點及時調整其施工方案，合理安排各道工序，全面提高軟弱圍巖施工生產質量。

參考文獻

[1] 黃勝平.高速鐵路大斷面隧道淺埋段軟弱圍巖施工方法優化研究[J].鐵道建筑技術，2012（6）：58-62.

[2] 崔東，李欣蓉.糯扎渡水電站右岸壩頂公路隧道洞口淺埋段及軟弱圍巖段施工方法[J].中國水能及電氣化，2011（7）：55-60.

[3] 田偉.三臺階七步法在鐵路軟弱圍巖隧道淺埋段中的應用[J].鐵道建筑技術，2011（9）：107-110.

摘 要：近年來，隨著我國經濟水平的不斷提升，鐵路建設也在高溫經濟中得到了快速發展。一般鐵路工程建設項目線路長，在施工過程中不可避免的要穿越各種各樣的地質巖層。如淺埋段軟弱圍巖隧道多為風化破碎的隧道圍巖，埋藏較淺，受力較復雜，較易發生地表下沉或圍巖坍塌事故。該文以績溪隧道為例，分析軟弱圍巖隧道淺埋段相關施工工藝，并運用數值分析，研究其施工力學，進一步提高施工技術水平。

關鍵詞：鐵路隧道 ?軟弱圍巖隧道淺埋段 ?三臺階臨時仰拱法 ?施工

中圖分類號：U455.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（c）-0023-01

績溪隧道位于安徽省宣城市績溪縣境內，貫穿板橋頭鄉、揚溪鎮、華陽鎮，全長9464.12 m，是合福鐵路安徽段最長的隧道，設毛竹塢和際坑兩個橫洞，其中毛竹塢橫洞斜長178 m;際坑橫洞斜長1175.23 m。隧道洞身最大埋深473 m，最小埋深約3 m，穿越5條斷層、3個淺埋段，地質條件復雜，風險等級高，施工難度大，是全線的控制性工程、重難點工程。

1 施工工藝

1.1 三臺階臨時仰拱法

工藝原理：三臺階臨時仰拱法所采用的施工方法是2層短臺階、1層長臺階分開平行開挖。混凝土仰拱和初期支護封閉是為了保護圍巖自身承載力，有效控制初值支護變形，通過監控量測數據反饋施工來及時調整支護參數和二次襯砌混凝土的施工時間。

三臺階臨時仰拱法與傳統施工方法相比，可以多個作業面平行作業，初期支護工序操作便捷，有利于機械化快速施工，適應性也高于傳統施工方法。采用短臺階，分步平行開挖，爆破施工分成多個作業面進行，將集中爆破化為分散爆破，既減少對圍巖的擾動，又充分利用時間，還增加了爆破臨空面，降低炸藥消耗。分步平行施作拱墻初期支護，混凝土仰拱超前施作及時閉合構成穩固的初期支護體系，保護圍巖的天然承載力，有效抑制圍巖變形。全斷面一次施作防水層和灌筑混凝土襯砌，確保了混凝土襯砌施工質量。監控量測信息反饋指導施工，及時調整支護參數。本文所研究的隧道開挖過程中，三臺階臨時仰拱法分為上、中、下臺階和仰拱四部分，4個開挖面，4個不同位置相互錯位同時開挖，在分部時同時支護，進而形成支護整體。不僅可以逐步推向縱深，最重要的是可以有效縮短作業循環時間。其實質是利用核心土施壓于掌子面，尤其拱腳處的特殊設計提高了鋼架支護的穩定性，也增強了初期支護強度，對受力結構起著完善作用。

1.2 CRD施工法

CRD施工法采用預留核心土的方法，將大斷面隧道分成4個相對獨立的小洞室，之后對四個小洞室展開分部施工，遵循以下施工原則：小分部，短臺階，短循環，快封閉，勤測量，強支護。隨挖隨撐，及時做好初期支護。然而這種施工工藝分布較多，不利于機械化作業，后續開挖和拆除支護會影響前面施工形成的力學平衡體系，多次改變圍巖應力，可能會出現較大的變形量。一般軟巖淺埋隧道會出現拱部圍巖受拉區連通，破壞洞體穩定性，臨時支護中鋼架、錨桿：網片及噴砼強度都按照永久性支護體系參數執行。由于始終保留1.5 m長核心土，為增大未封閉前的拱腳接觸面積.在兩拱腳位置支墊8 cm厚，30×30 cm規格的木板，控制拱腳的下沉速率。CRD法施工中臨時支護的拆除，應在全斷面完成閉合，各斷面位移基本穩定后，才能拆除。

2 數值模擬計算

2.1 設置模型

目前工程界廣泛應用一種傳統的彈塑性力學定律，既Mohr-coulomd準則，與巖石材料實驗結果較為接近，所反映的巖土材料破壞特征與實際破壞情況相符。具體公式如下：

公式中分別代表是極限抗剪強度，巖土內摩擦角和受力面上的正應力。

2.2 計算模型

整體模型尺寸為：隧道橫向取左右測距隧道輪廓線各50 m，可模擬開挖15 m分析應隧道開挖造成的縱向、橫及豎向位移。

2.3 結果分析

根據數值計算結果，三臺階臨時仰拱法和CRD各個關鍵步驟掌子面擠出位移值如表1所示。

從表1中可看出三臺階臨時仰拱法造成的掌子面擠出位移最大值為56.02，CRD法為37.53，為三臺階臨時仰拱法的66.9%。 三臺階會隨隧道的逐步開挖其掌子面擠出變形也均與增長。

3 軟弱圍巖淺埋段是隧道施工注意事項

一般軟弱圍巖的巖體荷載力小，巖體強度低，應做好超前支護措施，以此保證隧道施工的安全性。在進行超前支護工作時，可根據穿越長度、現場地質條件、隧道上覆土層等具體施工情況確定支護管的長度和管徑。為確保支護性能可靠，可在注漿前進行壓水試驗并檢查所使用的機械設備。在開挖隧道后及時進行支護工作。所采用的施工方法要與施工前設計方案相符，確保施工中所使用材料質量符合相關規定。冬季施工需注意噴射機中混凝土的粉塵含量不得大于2 mg/m?，溫度不低于5℃。完成噴砼后還需對混凝土做好養護措施。初期支護工作完成后，可檢驗其質量，達到相關質量要求后可進行下一道工序。通常在對隧道進行開挖時會采取及時支護、短進尺、弱爆破及強支護等措施，嚴格根據設計方案要求設定爆破用藥量和具體爆破方法，降低爆破對隧道周圍巖層的影響。盡可能地趕在冬季或雨季完成洞門修筑工作，其墻背回填和端墻的砌筑應保證兩側同時進行，避免因二次襯砌產生偏壓影響工程質量。此外，為避免出現拱部崩塌現象，在下部開挖之前可通過在上部支撐拱腳處設置鎖腳錨桿和縱向槽鋼托梁，提高支撐力，同時還可采取加設套拱的方法解決沉降過大的問題。

4 結語

總之，鐵路隧道軟弱圍巖隧道淺埋段的施工工藝關鍵在于其支護作用，通過支護措施緩解圍巖變形，避免塌方事故。本文所研究的三臺階臨時仰拱法和CRD施工工藝，從掌子面擠出位移方面及隧道拱頂下沉，三臺階臨時仰拱法變形值均大于CRD法，施工效率、施工安全性及經濟成本也優于CRD法。因此，此方法值得應用在鐵路隧道軟弱圍巖隧道淺埋段的施工中，根據施工工藝特點及時調整其施工方案，合理安排各道工序，全面提高軟弱圍巖施工生產質量。

參考文獻

[1] 黃勝平.高速鐵路大斷面隧道淺埋段軟弱圍巖施工方法優化研究[J].鐵道建筑技術，2012（6）：58-62.

[2] 崔東，李欣蓉.糯扎渡水電站右岸壩頂公路隧道洞口淺埋段及軟弱圍巖段施工方法[J].中國水能及電氣化，2011（7）：55-60.

[3] 田偉.三臺階七步法在鐵路軟弱圍巖隧道淺埋段中的應用[J].鐵道建筑技術，2011（9）：107-110.

摘 要：近年來，隨著我國經濟水平的不斷提升，鐵路建設也在高溫經濟中得到了快速發展。一般鐵路工程建設項目線路長，在施工過程中不可避免的要穿越各種各樣的地質巖層。如淺埋段軟弱圍巖隧道多為風化破碎的隧道圍巖，埋藏較淺，受力較復雜，較易發生地表下沉或圍巖坍塌事故。該文以績溪隧道為例，分析軟弱圍巖隧道淺埋段相關施工工藝，并運用數值分析，研究其施工力學，進一步提高施工技術水平。

關鍵詞：鐵路隧道 ?軟弱圍巖隧道淺埋段 ?三臺階臨時仰拱法 ?施工

中圖分類號：U455.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（c）-0023-01

績溪隧道位于安徽省宣城市績溪縣境內，貫穿板橋頭鄉、揚溪鎮、華陽鎮，全長9464.12 m，是合福鐵路安徽段最長的隧道，設毛竹塢和際坑兩個橫洞，其中毛竹塢橫洞斜長178 m;際坑橫洞斜長1175.23 m。隧道洞身最大埋深473 m，最小埋深約3 m，穿越5條斷層、3個淺埋段，地質條件復雜，風險等級高，施工難度大，是全線的控制性工程、重難點工程。

1 施工工藝

1.1 三臺階臨時仰拱法

工藝原理：三臺階臨時仰拱法所采用的施工方法是2層短臺階、1層長臺階分開平行開挖。混凝土仰拱和初期支護封閉是為了保護圍巖自身承載力，有效控制初值支護變形，通過監控量測數據反饋施工來及時調整支護參數和二次襯砌混凝土的施工時間。

三臺階臨時仰拱法與傳統施工方法相比，可以多個作業面平行作業，初期支護工序操作便捷，有利于機械化快速施工，適應性也高于傳統施工方法。采用短臺階，分步平行開挖，爆破施工分成多個作業面進行，將集中爆破化為分散爆破，既減少對圍巖的擾動，又充分利用時間，還增加了爆破臨空面，降低炸藥消耗。分步平行施作拱墻初期支護，混凝土仰拱超前施作及時閉合構成穩固的初期支護體系，保護圍巖的天然承載力，有效抑制圍巖變形。全斷面一次施作防水層和灌筑混凝土襯砌，確保了混凝土襯砌施工質量。監控量測信息反饋指導施工，及時調整支護參數。本文所研究的隧道開挖過程中，三臺階臨時仰拱法分為上、中、下臺階和仰拱四部分，4個開挖面，4個不同位置相互錯位同時開挖，在分部時同時支護，進而形成支護整體。不僅可以逐步推向縱深，最重要的是可以有效縮短作業循環時間。其實質是利用核心土施壓于掌子面，尤其拱腳處的特殊設計提高了鋼架支護的穩定性，也增強了初期支護強度，對受力結構起著完善作用。

1.2 CRD施工法

CRD施工法采用預留核心土的方法，將大斷面隧道分成4個相對獨立的小洞室，之后對四個小洞室展開分部施工，遵循以下施工原則：小分部，短臺階，短循環，快封閉，勤測量，強支護。隨挖隨撐，及時做好初期支護。然而這種施工工藝分布較多，不利于機械化作業，后續開挖和拆除支護會影響前面施工形成的力學平衡體系，多次改變圍巖應力，可能會出現較大的變形量。一般軟巖淺埋隧道會出現拱部圍巖受拉區連通，破壞洞體穩定性，臨時支護中鋼架、錨桿：網片及噴砼強度都按照永久性支護體系參數執行。由于始終保留1.5 m長核心土，為增大未封閉前的拱腳接觸面積.在兩拱腳位置支墊8 cm厚，30×30 cm規格的木板，控制拱腳的下沉速率。CRD法施工中臨時支護的拆除，應在全斷面完成閉合，各斷面位移基本穩定后，才能拆除。

2 數值模擬計算

2.1 設置模型

目前工程界廣泛應用一種傳統的彈塑性力學定律，既Mohr-coulomd準則，與巖石材料實驗結果較為接近，所反映的巖土材料破壞特征與實際破壞情況相符。具體公式如下：

公式中分別代表是極限抗剪強度，巖土內摩擦角和受力面上的正應力。

2.2 計算模型

整體模型尺寸為：隧道橫向取左右測距隧道輪廓線各50 m，可模擬開挖15 m分析應隧道開挖造成的縱向、橫及豎向位移。

2.3 結果分析

根據數值計算結果，三臺階臨時仰拱法和CRD各個關鍵步驟掌子面擠出位移值如表1所示。

從表1中可看出三臺階臨時仰拱法造成的掌子面擠出位移最大值為56.02，CRD法為37.53，為三臺階臨時仰拱法的66.9%。 三臺階會隨隧道的逐步開挖其掌子面擠出變形也均與增長。

3 軟弱圍巖淺埋段是隧道施工注意事項

一般軟弱圍巖的巖體荷載力小，巖體強度低，應做好超前支護措施，以此保證隧道施工的安全性。在進行超前支護工作時，可根據穿越長度、現場地質條件、隧道上覆土層等具體施工情況確定支護管的長度和管徑。為確保支護性能可靠，可在注漿前進行壓水試驗并檢查所使用的機械設備。在開挖隧道后及時進行支護工作。所采用的施工方法要與施工前設計方案相符，確保施工中所使用材料質量符合相關規定。冬季施工需注意噴射機中混凝土的粉塵含量不得大于2 mg/m?，溫度不低于5℃。完成噴砼后還需對混凝土做好養護措施。初期支護工作完成后，可檢驗其質量，達到相關質量要求后可進行下一道工序。通常在對隧道進行開挖時會采取及時支護、短進尺、弱爆破及強支護等措施，嚴格根據設計方案要求設定爆破用藥量和具體爆破方法，降低爆破對隧道周圍巖層的影響。盡可能地趕在冬季或雨季完成洞門修筑工作，其墻背回填和端墻的砌筑應保證兩側同時進行，避免因二次襯砌產生偏壓影響工程質量。此外，為避免出現拱部崩塌現象，在下部開挖之前可通過在上部支撐拱腳處設置鎖腳錨桿和縱向槽鋼托梁，提高支撐力，同時還可采取加設套拱的方法解決沉降過大的問題。

4 結語

總之，鐵路隧道軟弱圍巖隧道淺埋段的施工工藝關鍵在于其支護作用，通過支護措施緩解圍巖變形，避免塌方事故。本文所研究的三臺階臨時仰拱法和CRD施工工藝，從掌子面擠出位移方面及隧道拱頂下沉，三臺階臨時仰拱法變形值均大于CRD法，施工效率、施工安全性及經濟成本也優于CRD法。因此，此方法值得應用在鐵路隧道軟弱圍巖隧道淺埋段的施工中，根據施工工藝特點及時調整其施工方案，合理安排各道工序，全面提高軟弱圍巖施工生產質量。

參考文獻

[1] 黃勝平.高速鐵路大斷面隧道淺埋段軟弱圍巖施工方法優化研究[J].鐵道建筑技術，2012（6）：58-62.

[2] 崔東，李欣蓉.糯扎渡水電站右岸壩頂公路隧道洞口淺埋段及軟弱圍巖段施工方法[J].中國水能及電氣化，2011（7）：55-60.

[3] 田偉.三臺階七步法在鐵路軟弱圍巖隧道淺埋段中的應用[J].鐵道建筑技術，2011（9）：107-110.