三臺階大拱腳臨時仰拱法與微臺階法在砂質黃土隧道中的適用性對比分析

耿啟軍，屈振榮，蔡國慶，韋靖威，劉梓萌

（1.中鐵十七局集團第五工程有限公司，山西太原 030032；2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044）

三臺階大拱腳臨時仰拱法和微臺階法因其在隧道開挖過程中能更加精細地控制圍巖變形而廣泛應用于軟弱圍巖隧道施工中。陳潔金等［1］采用數值模擬方法，對三臺階七步法和臨時仰拱法在軟弱圍巖隧道中的適用性進行了對比，發現三臺階臨時仰拱法在控制拱頂沉降、地表沉降、圍巖應力、塑性區擴展面積及深度方面要優于三臺階七步法。梁海東［2］結合蒙華鐵路車新莊1 號隧道施工，對三臺階大拱腳臨時仰拱法的施工流程及質量控制要點進行了分析。劉聰等［3］通過數值模擬結果和現場檢測數據的對比驗證了大拱腳三臺階法在淺埋軟弱紅黏土隧道施工中的合理性。孫旭華［4］介紹了衡廣復線大瑤山隧道9 號斷層帶的施工方法，實踐表明上半斷面微臺階環形開挖適合該類軟弱圍巖大斷面隧道施工。馬輝等［5］提出了一種基于精細爆破技術的隧道微臺階開挖工法，通過貴廣鐵路Ⅳ，Ⅴ級圍巖隧道施工證明了該工法能有效提高施工效率。楊世武等［6］對采用微臺階法施工隧道初期支護變形、圍巖塑性區、初期支護結構內力等進行了數值模擬分析，驗證了采用微臺階法施工的合理性。

目前針對砂質黃土隧道施工技術的研究相對較少。本文采用MIDAS有限元軟件，對蒙華鐵路砂質黃土隧道施工過程進行了數值分析，對比三臺階大拱腳臨時仰拱法和微臺階法2種工法的適用性。蒙華鐵路陽城隧道位于陜西省靖邊縣，在DK248+440.00—DK249+152.82 區段隧道上覆土層主要是第四紀晚更新世砂質黃土，強濕陷性，下伏巖層是白堊系下統洛河組砂巖，巖質軟弱，巨型斜層理或交錯層理發育。

1 施工流程及技術要求

1.1 三臺階大拱腳臨時仰拱法

三臺階大拱腳臨時仰拱法采用大拱腳提高土體的承載力，其施工流程如下：

1）超前支護。利用上一循環格柵鋼架以及水平旋噴樁作為隧道的超前支護。水平旋噴樁在全斷面砂巖段超前加固時，與隧道斷面的夾角為0°～204.28°，長15 m，樁徑600 mm，樁間距400 mm，每循環搭接3 m。

2）上臺階開挖及施作大拱腳初期支護，上臺階臨時仰拱開挖支護，中臺階開挖及施作大拱腳初期支護，下臺階開挖及施作兩側初期支護。其中，上臺階高約3～4 m，中臺階高約4～5 m，下臺階高約2～3 m，以機械開挖為主，輔以人工開挖。在進行大拱腳初期支護時，先噴射C25混凝土后架設格柵鋼架，噴射厚度為30 mm。在上臺階開挖后及時進行初期支護并噴射混凝土，厚度至少4 cm，格柵鋼架保護層厚度至少3 cm。

3）仰拱開挖支護。仰拱超前拱墻二次襯砌施作，其超前距離保持3倍以上襯砌循環作業長度。仰拱二次整體澆筑至側溝蓋板下30 cm，同時采用防水措施處理仰拱施工縫和變形縫。

4）仰拱填充。

1.2 微臺階法

微臺階法的施工流程為：①首先進行上臺階的超前支護，再進行上臺階開挖，然后進行中臺階開挖；②上中臺階初噴C25 混凝土后，在上中臺階架設格柵鋼架的同時開挖下臺階；③上中臺階再噴混凝土時下臺階架設格柵鋼架；④下臺階噴射混凝土，進行仰拱開挖并支護，再施作仰拱二次襯砌。

2 數值模擬

2.1 模型建立

建立了三維數值計算模型對上述2種工法在砂質黃土隧道施工過程中的適用性進行模擬分析。隧道上覆土層為砂質黃土，下伏圍巖屬于Ⅴ級圍巖。數值計算模型網格劃分見圖1。三臺階大拱腳臨時仰拱法模型尺寸為120 m（x軸）×42 m（y軸）×90 m（z軸），微臺階法模型尺寸為 120 m（x軸）×21 m（y軸）×90 m（z軸）。

圖1 數值計算模型網格劃分

計算模型中隧道圍巖均假定為各向同性材料，選取Mohr-Coulomb 準則進行非線性靜力分析。相關參數依據蒙華鐵路陽城隧道現場勘測資料并結合TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》［7］和Ⅴ級圍巖的物理力學參數［8］選取。因下伏砂巖的軟弱程度接近砂質黃土，故建模時將圍巖與砂質黃土統一為一種材料。對于鋼拱架、二次襯砌、噴射混凝土及其他支護結構均采用彈性本構關系進行模擬。模型頂面為自由面，四周采用法向約束，底部采用全約束。構造應力和圍巖自重應力共同組成初始應力場，模擬計算時只考慮圍巖自重應力不考慮構造應力。

2.2 參數的確定

計算模型中圍巖及支護參數見表1。

表1 圍巖及支護參數

2.3 施工工序

2種工法的施工工序分別見表2和表3。

表2 三臺階大拱腳臨時仰拱法施工工序

表3 微臺階法施工工序

2.4 結果分析

2種工法計算結果對比見圖2。可見：三臺階大拱腳臨時仰拱法和微臺階法的最大拱頂沉降分別為45.97，58.29 mm，最大水平收斂位移分別為27.33，31.67 mm，最大掌子面擠出位移分別為85.70，220.95 mm，最大地表累計沉降分別為113.30，151.58 mm。采用三臺階大拱腳臨時仰拱法施工各項位移均小于采用微臺階法施工，其能夠更好地控制圍巖變形。

圖2 2種工法計算結果對比

3 結語

針對蒙華鐵路典型砂質黃土隧道，采用MIDAS 有限元軟件對大拱腳臨時仰拱法和微臺階法的施工過程進行了數值模擬。計算結果表明，采用大拱腳臨時仰拱法施工，所產生的最大拱頂沉降、最大水平收斂、最大掌子面擠出位移和最大地表累計沉降均小于采用微臺階法施工，故其更適用于上覆砂質黃土下伏軟弱圍巖隧道施工。

基于本文的數值模擬分析結果，最終在蒙華鐵路陽城隧道DK248+440—DK249+152.82 標段采用了三臺階大拱腳臨時仰拱法施工，效果良好。