臺階法在超大斷面淺埋偏壓隧道中的應用研究

王維富, 梅 竹

(1. 蒙西華中鐵路股份有限公司， 北京 100073； 2. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063)

臺階法在超大斷面淺埋偏壓隧道中的應用研究

王維富1, 梅 竹2

(1. 蒙西華中鐵路股份有限公司， 北京 100073； 2. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063)

為探索臺階法在超大斷面淺埋偏壓隧道施工中的可行性，以蒙華鐵路石巖嶺隧道為研究對象，對臺階法和傳統分部開挖法進行比選，提出三臺階臨時仰拱+豎向支撐的開挖工法，并采用MIDAS有限元軟件建立地層-結構模型，對施工各階段隧道-圍巖體系的應變-應力進行模擬分析，以判斷開挖過程的結構風險。對臺階法施工過程中出現的拱頂沉降大、初期支護出現裂縫、爆破對軟硬不均地段的影響和地表土體開裂等問題進行分析并提出相應的對策，現場實施效果表明： 臺階法能滿足石巖嶺超大斷面淺埋偏壓隧道施工安全的要求，且具有施作技術簡單、高效快捷的優點，可為類似工程施工提供參考。

蒙華鐵路； 超大斷面隧道； 淺埋偏壓； 臺階法

0 引言

長距離、超大斷面隧道是現代交通工程的一種重要類型，由于其特點，往往在項目中成為工期控制及安全施工的重點。如何在超大斷面隧道的施工中選擇合適的開挖工法使效率和安全兼顧，一直是工程技術人員探索的問題之一[1]。在大斷面隧道施工工法研究中，王夢恕等[2]系統介紹了大斷面隧道施工中宜采取的臺階法、CD法、CRD法、雙側壁導坑法等幾種工法，并指出工法的選擇應按照快速、安全、質量及環境的要求，結合實際情況綜合考慮；石磊等[3]通過對大斷面黃土隧道現場施工過程不同工法分析比較，認為工法的選擇應考慮地質條件變化的適應性，優先選用全斷面或少分部開挖方法，減少施工工序，便于機械化施工； 吳占瑞等[4]認為采用雙側壁導坑法對跨度和高度大的淺埋隧道更具有適應性； 孫兆遠等[5]對不同工法引起的隧道變形機制進行分析，認為臺階法及分部開挖法均能滿足安全需要，但采用分部開挖法時變形及沉降的速率發展更均勻； 熊造[6]通過數值模擬分析，指出動態分部工法施工能更有效地控制地表變形及隧道受力； 夏潤禾等[7]根據貴廣鐵路隧道施工實踐，提出大拱腳臺階法施工工法，認為其在軟弱圍巖地質條件下可以有效控制隧道變形； 李亞翠等[8]通過數值模擬對比分析，認為六步CD法為大斷面土質隧道及類似隧道施工的優選工法； 崔小鵬等[9]在分析比較三臺階七步法和CRD法時提出，CRD工法能夠有效控制圍巖變形和保證隧道穩定，但支撐和拆除比較繁瑣； 還有部分學者[10-12]根據工程實踐以及理論分析，提出三臺階七步法在大斷面軟弱圍巖隧道施工中圍巖變形控制效果最好。上述研究的核心思想均是將超大斷面變為小斷面，分部開挖，提高施工安全度。但無論是CRD法、雙側壁導坑法或其他主流工法，現場施工過程

中均存在施工技術復雜、對支護穩定不利以及影響機械化施工等共性問題[13-14]。本文結合近幾年超大斷面施工的成功經驗以及CRD法、雙側壁導坑法等工法存在的問題，以蒙華鐵路石巖嶺隧道特定地質條件為背景，探索臺階法應用于超大斷面淺埋偏壓隧道施工的可行性。

1 工程概況

石巖嶺隧道位于江西省宜春市宜豐縣境內，全長1 644.92 m。其中，出口DK1 701+004～+723.95為燕尾段，長719.95 m；DK1 701+590～+723.95段133.95 m為三線車站隧道。石巖嶺隧道出口段平面布置見圖1。

圖1 石巖嶺隧道出口段平面布置示意圖

DK1 701+650～+713.95段隧道橫斷面見圖2，隧道開挖寬度為18.74 m，高度為14.24 m，面積為216 m2，為一般單線隧道開挖斷面的4倍、雙線隧道開挖斷面的2.5倍，屬超大開挖斷面。該段隧道地形為淺埋偏壓且該段隧道洞身主要位于全—弱風化斜長閃長巖中。該段洞口超前支護采用φ108 mm長管棚，環向間距為30 cm。襯砌結構采用Ⅴkc型襯砌； 初期支護厚30 cm，內設H230格柵鋼架，間距0.6 m/榀； 二次襯砌拱墻厚75 cm，仰拱厚80 cm，配筋規格為φ22@100 mm。現場開挖揭示為全風化斜長閃長巖地層，干燥無水，穩定性較好； 洞口管棚施工過程反映，鉆進35～40 m時均進入強風化地層。

圖2 三線段橫斷面示意圖(單位： cm)

2 開挖工法選擇

首先對國內大斷面隧道采用的CRD法、雙側導坑法等施工中遇到的常見問題進行匯總，主要包括： 1)臨時支撐的拆除比較麻煩，施工過程存在多次應力轉換，技術復雜，施工作業難度大，容易出現操作失誤問題； 2)分部開挖工法的核心是將大斷面迅速轉換為小斷面開挖，步步封閉成環，使每一個施工階段都形成一個完整的受力體系，對工序的銜接、施工人員技術要求較高，轉換時間過長，不利于及時形成穩定的支護體系； 3)CRD法施工長度過長時，受工作面限制無法機械化作業，施工效率低，進度慢。

其次對現場實際地形、地層進行踏勘，結果顯示洞頂及周邊為樹林，無建筑物，可允許適當沉降變形。另外，根據洞口超前鉆探揭示，鉆至35～40 m時進入強風化層，洞口全風化段為閃長巖地層，干燥無水，穩定性較好。

綜上分析，考慮臺階法存在工法轉換方便、圍巖變形過大時可及時增加臨時加固措施以確保施工安全的特點，為更貼切現場實際情況，結合蒙華鐵路“化繁為簡”的建設思路，決定在石巖嶺隧道采取三臺階臨時仰拱+豎向支撐的開挖工法。

3 臺階法數值模擬分析

3.1 計算模型

選取DK1 701+705開挖斷面，地層由上到下依次為W4(全風化)、W3(強風化)、W2(弱風化)，其對應的地層參數見表1。計算采用有限元軟件MIDAS，建立地層-結構模型，二維模擬分析隧道-圍巖體系的應變-應力。圍巖材料符合摩爾-庫侖屈服準則，隧道初期支護及臨時仰拱結構材料為C25噴射混凝土，材料符合線彈性材料特征，其彈性模量為23 GPa，重度為22 kN /m3，泊松比為 0.20。

表1 地層參數

計算分析時，土體采用平面單元模擬，初期支護及臨時支護采用線性梁單元模擬。邊界采用位移邊界條件，水平向采用水平約束，豎向在模型底部采用豎向約束，上部為自由過界。計算模型水平寬度取150 m，豎向從地面取至隧道仰拱下30 m處。偏壓對側采用反壓回填，中間設臨時豎撐，計算模型如見圖3。計算分析按8個施工步驟進行模擬： 第1步，圍巖體系在自重作用下的地應力平衡，并消除初始位移； 第2步，模擬隧道上臺階開挖施工； 第3步，模擬隧道上臺階初期支護及臨時支護施作； 第4步，模擬隧道中臺階開挖施工； 第5步，模擬隧道中臺階初期支護及臨時支護施作； 第6步，模擬隧道下臺階開挖施工； 第7步，模擬隧道下臺階初期支護施作； 第8步，模擬隧道臨時支護拆除。

圖3 計算模型

3.2 計算結果分析

各施工步完成后隧道初期支護軸力和彎矩見圖4和圖5。提取上臺階初期支護及臨時仰拱完成、中臺階初期支護及臨時仰拱完成、下臺階初期支護完成、拆除臨時仰拱等各階段的正負彎矩極值及其對應的軸力計算結果，如表2所示。由表2可知： 在拆除臨時仰拱階段，計算配筋面積最大，設計實際配筋面積不足，最大豎向位移達到143.4 mm，局部地段結構安全風險較大，在施工過程中應有針對性地加強處理措施。

(a) 上臺階開挖

(b) 中臺階開挖

(c) 下臺階開挖

(d) 臨時支護拆除

Fig. 4 Axial force diagrams of every construction step(unit: kN)

(a)上臺階開挖(b)中臺階開挖(c)下臺階開挖(d)拆除臨時支護

圖5 各施工階段彎矩圖(單位： kN·m)

注： 配筋檢算未考慮8字結對格柵鋼架的加強作用。

4 現場實施情況

現場采用三臺階臨時仰拱法施工，見圖6。上臺階采用人工配合機械開挖，臺階長度5 m；預留2.5 m長核心土，臨時仰拱緊跟核心土。襯砌采用Ⅴkc型襯砌，拱架為H230型四肢格柵鋼架，間距自DK1 701+705后由50 cm變更為40 cm； 核心土及臨時仰拱上設置φ245mm豎向鋼管臨時支撐，縱向間距為80 cm，即每2榀設置臨時仰拱。中臺階開挖采用人工配合機械開挖，每循環進尺1榀格柵拱架，兩側同時施工，同時施工臨時仰拱，臨時仰拱緊跟中臺階掌子面，并在中臺階臨時仰拱上每80 cm設置φ245 mm臨時豎向鋼管支撐。待上、中臺階施作一定長度后，開始進行下臺階開挖及仰拱封閉成環，然后拆除臨時仰拱及堅向支撐。

5 施工問題分析與對策

由于受當地連續降雨等不利條件的影響，DK1 701+690～+713.95段施工過程中陸續出現了拱頂變形較大、初期支護出現裂縫、爆破對軟硬不均地段振動影響較大及地表沉降土體產生裂縫等不良現象。針對出現的問題進行分析并采取相應的措施，具體如下。

5.1 拱頂變形

DK1 701+690～+713.95段位于洞口淺埋地段，周邊圍巖為全風化花崗閃長巖，臺階法施工超大斷面，造成拱頂沉降較大。為防止隧道變形侵限，該段預留變形量加大至30 cm，減小初期支護鋼架間距至40 cm，加強初期支護縱向連接，增加鎖腳錨管設置。現場備用臨時鋼管支撐，加強臨時支撐的設置與拆除工序培訓，將該工序轉換的時間控制在最短。加密監控量測間距及頻率，確保監控量測指導施工。采取以上措施后，隧道變形監測見圖7，其中拱頂沉降最大值為159 mm，單日最大沉降速率為10.5 mm/d，周邊收斂最大值為59 mm，變形均在可控范圍以內。

(a) 初期支護

(b) 上臺階開挖

(a) 拱頂沉降

(b) 水平收斂

5.2 初期支護裂縫

通過理論計算可知，結構安全度較低，開挖過程中易出現初期支護開裂等情況。另外，該段偏壓較為嚴重，隧道頂部線路右側覆土厚度較左側大，作用在隧道結構上的偏壓荷載也較大。現場開挖至DK1 701+683.7時，發現DK1 701+706～+712段線路左側中臺階與下臺階連接處出現一條縱向不規則裂縫(見圖8)，縫寬3～10 mm，長5～6 m，有蛻皮現象。

圖8 初期支護裂縫

經過現場勘察分析，DK1 701+670～+710段地表淺埋偏壓，拱頂最小覆土1.75 m，山體坡度達1∶1.5，開裂段洞身位于土石分界線處，且地表淺埋偏壓，巖層沿線路向左側傾斜，由監控量測數據可知，該段上、中臺階施工過程中均存在初期支護整體向線路左側移動的問題。在DK1 701+706～+712段初期支護成環以后，該段發生了縱向裂縫，其原因是圍巖荷載過大，結構產生了裂縫，現場采取以下處理措施： 1) 開裂處增設鋼管斜撐，以減弱偏壓對結構的影響； 2) 增設鋼架套拱，加強初期支護剛度，同時減小二次襯砌厚度，加強二次襯砌配筋； 3) 每榀鋼架連接處增設1組鎖腳錨管，加強鋼架與圍巖的連接，限制水平收斂； 4) 對地表進行注漿加固，改良隧道上方土體。后期施工監控量測數據顯示，該段初期支護及地表穩定，變形較小，無開裂現象。

5.3 軟硬不均地段

隨著隧道開挖的深入，線路右側開始出露弱風化斜長閃長巖，巖質較硬，需爆破開挖，爆破勢必會對隧道上方及掌子面的全風化斜長閃長巖地層產生一定的影響，從而進一步加劇土體變形。針對該類不良地質條件，現場采取增設掌子面玻璃纖維錨桿、加強鎖腳錨管設置、減小初期支護鋼架間距等措施。同時，對施工過程中的爆破進行控制，盡量減小對周邊土體的影響。采取以上措施后，該段順利完成施工，各項監控量測數據均在可控范圍以內，初期支護表面無開裂等現象。

5.4 地表土體開裂

隧道上方地表自然地面橫坡最大坡度達到1∶1.5，拱頂最小覆土僅為1.75 m，隧道開挖至DK1 701+708處時地表偏壓力較弱側沉降較大，當日最大速率達6 mm/d，土體產生3～4 cm寬裂縫，裂縫走向垂直與線路方向，見圖9。隨著隧道的掘進，在DK1 701+705、+703、+698等處地表均產生大小不一的沉降裂縫，最大沉降達15 cm。考慮到本段地形偏壓，為防止裂縫進一步發展產生土體滑移現象，同時為了確保隧道運營期間外部條件安全，在DK1 701+682.75～+705段右側設置5根抗滑樁，樁間距5 m，樁長21 m，樁截面尺寸為 2.5 m×2.25 m，樁間設置擋土板。從DK1 701+682.75起右側設置C30混凝土擋土墻順接抗滑樁，直至反壓回填線順接原地面線止。

圖9 地表裂縫

6 結論與討論

1)臺階法為常用施工工法，具有現場施工人員操作熟練，主觀接受意愿高，可快速形成正常施工能力，能滿足大型機械施工作業環境要求，顯著節約出渣時間，提高工效，且施工工序較分部開挖法(CRD、雙側壁導坑等)簡單，臨時支護拆除各分部開挖斷面銜接性好等優點。臺階法對變形的控制弱于分部開挖法，但對山嶺地帶周邊無控制建筑物的環境，在滿足結構安全的前提下，2類工法均是可行的，而臺階法具有優勢。

2)現場監控量測數據表明，由于開挖跨度較大，臺階法結構變形速率不均勻(早期變形速率較大)，使用時必須注意提高結構早期剛度。采用臺階法進行超大斷面隧道施工對現場監控量測頻次有更高要求，同時必須確保測量數據的準確。

3)在超大斷面隧道中使用臺階法開挖前，需結合工點工程地質條件及隧道開挖結構輪廓等因素針對性地設計預處理措施，做好充分的安全儲備，建立變形預警機制，避免因結構破壞而進行二次處理。

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鐵路“十三五”發展規劃發布鐵路發展藍圖繪就

日前，國家發改委、交通運輸部、國家鐵路局、中國鐵路總公司聯合印發《鐵路“十三五”發展規劃》(以下簡稱《規劃》)，對“十三五”時期鐵路建設發展的目標、重點任務、保障措施等進行了總體規劃。據《規劃》，到2020年，全國鐵路營業里程達到15萬km，城際和市域(郊)鐵路規模達到2 000 km左右，高速鐵路網覆蓋80%以上大城市。

里程更長、覆蓋更廣、更加便捷

“十二五”期間，鐵路完成固定資產投資3.58萬億元、新線投產3.05萬km，投資規模和投產規模達到歷史高位。動車組承擔客運比重接近50%。“復興號”中國標準動車組全面實現自主化設計。土耳其安伊高速鐵路建成通車。

“十二五”時期，我國鐵路改革發展成效顯著，為“十三五”發展奠定了良好基礎。一方面，體制改革實現重大突破，實施政企分開，組建國家鐵路局、中國鐵路總公司;簡政放權、投融資體制改革等扎實推進。另一方面，設施網絡建設快速推進，運輸服務品質顯著改善，科技創新能力明顯提高，“走出去”成為新亮點。

《規劃》提出7項重點任務: 完善鐵路設施網絡、提升技術裝備水平、改善鐵路運輸服務、強化安全生產管理、推進智能化現代化、推動鐵路綠色發展和加強國際交流合作。

《規劃》明確了發展目標。到2020年，全國鐵路營業里程達到15萬km，其中高速鐵路3萬km，復線率和電氣化率分別達到60%和70%左右。中西部路網規模達到9萬km左右。基本實現客運“零距離”換乘和貨運“無縫化”銜接。全國鐵路網基本覆蓋城區常住人口20萬以上城市。動車組列車承擔旅客運量比重達到65%。實現北京至大部分省會城市之間2～8 h通達等。

有效支撐國家重大任務和戰略

此次規劃凸顯鐵路建設與國家重大任務戰略緊密結合的特點。全面建成小康社會要求鐵路增強服務保障能力，推進實施國家重大戰略要求鐵路發揮引領帶動作用，全面開放新格局要求鐵路提升國際競爭能力。《規劃》明確，鐵路建設需有效支撐精準扶貧、精準脫貧，支撐“三大戰略”、推進新型城鎮化和軍民融合深度發展等。

我國承建的土耳其安伊高速鐵路、肯尼亞蒙內鐵路建成通車，雅萬高鐵和中老、匈塞等鐵路合作積極推進。《規劃》明確，鐵路作為國際合作的重要領域和優先方向，要強化與周邊國家互聯互通，加快鐵路“走出去”，推進中國鐵路標準國際化進程，將中歐班列打造成為世界知名物流品牌，成為推進“一帶一路”建設的重要平臺。

為支撐“三大戰略”，《規劃》要求繼續推進以中西部地區為重點的鐵路建設，加快形成快速暢通的鐵路大通道，進一步完善覆蓋廣泛的運輸網絡，縮小地區發展差距，推動更大范圍更高水平更深層次區域協同合作。

《規劃》提出，決勝全面建成小康社會，要把有效支撐精準扶貧、精準脫貧放在突出位置，加強革命老區、民族地區、邊疆地區及貧困地區鐵路對外運輸通道建設，提升鐵路服務水平和覆蓋程度。

在推動軍民融合方面，《規劃》要求，完善軍民融合交通運輸網絡，強化鐵路線路和站點配套設施國防功能，提高裝卸載地域整體保障水平，推進國防信息通信網與鐵路信息基礎網絡互聯建設。

(摘自 高鐵網 http://news.gaotie.cn/guihua/2017-11-29/432465.html)

StudyofApplicationofBenchMethodtoShallow-buriedAsymmetrically-pressuredRailwayTunnelofSuper-largeCross-section

WANG Weifu1, MEI Zhu2

(1.Mengxi-HuazhongRailwayCo.,Ltd.,Beijing100073,China; 2.ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.,Ltd.,Wuhan430063,Hubei,China)

The feasibility of bench method to shallow-buried asymmetrically-pressured tunnel of super-large cross-section is studied by taking Shiyanling Tunnel on Menghua Railway for example. Firstly, the three-bench excavation method to temporary invert and vertical support pillar is selected by comparing bench method to traditional partial excavation method; and the structure stability is analyzed by software MIDAS so as to guide the tunnel construction. And then, the problems encountered during construction, i.e. large settlement of crown top, fissures of primary support and the ground and the influence of blasting on tunnel deformation in hard-soft heterogeneous ground are analyzed; and relevant countermeasures are adopted. The site application results show that the above-mentioned method with advantages of easy operation and high efficiency is feasible to Shiyanling Tunnel. The study results can provide reference for similar projects in the future.

Menghua Railway; super-large cross-section tunnel; shallow-buried and asymmetrical pressure; bench method

2017-07-14;

2017-11-20

王維富(1977—)，男，重慶潼南人，1999年畢業于西南交通大學，房屋建筑與裝飾專業，本科，高級工程師，現主要從事隧道及地下工程建設管理與技術研究工作。E-mail： 461410252@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.011

U 455.4

B

2096-4498(2017)12-1578-07