软弱围岩大断面隧道台阶法施工技术研究
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作者: 左明 左茜 余红燏
摘要： 以软弱围岩大断面隧道三台阶七步开挖方法为研究对象，利用有限元模拟技术，重点研究了在拟定施工方案时较为关心的台阶长度、上台阶高度和开挖进尺三个关键因素通过工况之间的组合来寻求对于隧道施工较为理想的施工组织方案。结果表明在单因素和综合因素组合工况下，均可得到在特定施工环境中最为综合的有利施工方案，可为类似工程提供思路。
关键词：软弱围岩；大断面隧道；台阶法
中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.14.102
1引言
随着我国各类交通运输事业的持续发展，铁路和公路发展已经成为重要的经济支撑条件，这也伴随着大量的公路、铁路隧道的修建工程需要，也面临着隧道修建过程中隧道跨度长、地质条件复杂、断面大等工程问题。在隧道施工中如果遇到对开挖敏感、净空断面积大、周围围岩软弱等条件时，隧道施工将面临更大的难题，由此导致的事故已经屡见不鲜。随着对运力要求的提高，100m2以上大断面铁路隧道数量已经很多，部分专线铁路隧道开挖面积甚至超过150m2的。因此隧道大断面的趋势已经很明显，对软弱围岩地质条件下的大跨度和大断面的隧道施工技术成当前隧道施工的研究难点和热点之一，对其进行研究具有重要的现实意义。
对于这类软弱围岩大断面隧道施工问题，国内施工方法主要有“三台阶七步开挖法”、CRD法、单侧壁导坑法和双侧壁导坑法等，其中三台阶七步开挖法在国内的软弱围岩大断面隧道施工中的应用最为广泛。本文的研究也针对这一普遍应用的方法，对其进一步展开研究，主要针对在三台阶七步开挖法的参数的优化方法研究，其目的在于对三台阶七步开挖的部分施工参数进行分析和优化，尤其是从隧道力学效应和隧道变形的角度来研究施工参数范围，探索提升这一施工技术适应性的可能性。
2软弱围岩大断面隧道力学特点分析
目前对大断面隧道的划分标准主要依据国际隧道协会的标准50-100m2或日本标准100-120m2，二者存在一定的差异，但无论哪种划分方式，其基本特征是随着隧道开挖面积的增大而导致施工难度急速上升，对隧道的支护技术提出了非常高的要求，尤其是在大断面隧道的超前支护和初期支护方面。随着隧道开挖面积的增大，开挖底部转角处的应力集中现象更加明显，对地基的承载力也提出了更高的要求，与此同时也会伴随着松弛荷载增大，提高了形成拱效应的条件，需要有更大的埋深。
在围岩方面，软弱围岩主要是指具有显著塑性变形的复杂岩石力学介质，其定义尚未统一，但主要特征基本一致，即表现为围岩软弱松散，具有较高的地应力，围岩强度较低，风化程度较高容易发生变形以及长期流变等。当前国内铁路系统一般把IV级一下的围岩定义为软弱围岩，在这类划分标准下，软弱围岩一般都具有质地软，裂隙节理发育程度高、承载能力低等特点，岩体破碎松散，岩体之间粘结力很差，容易发生塑性变形而挤压洞室、不容易形成拱、容易发生坍塌、滑移、坠落等事故。
3三台阶七步开挖法控制性参数
三台阶七步开挖法施工的参数控制主要有两类，一是开挖施工的尺寸参数，二是开挖施工的材料参数。其中开挖施工的尺寸参数主要指指隧道开挖的进尺、台阶高度/长度、核心土宽度、左右台阶错距等。这类参数主要控制的隧道开挖过程中的支护受力情况，另一方面也会间接决定支护材料的参数。在施工材料参数方面，主要是是初步支护、二衬混凝土型号、钢拱架型号、注浆以及锚杆等。
上述参数将直接决定工程造价和工期，因此合理的选择这些参数对于这类隧道施工具有重要意义。为提高针对性，本文中主要针对上述参数中的台阶高度、台阶长度作为主要参数展开。
4台阶长度的影响
在三台阶七步开挖法施工中的台阶长度参数是关键参数之一，会对隧道收敛、纵向受力、拱架受力、锚杆受力等多个方面造成影响，台阶太长或太短都对隧道的稳定和施工造成困难。但显然在不同的台阶长度范围内会存在相对较为理想的长度范围，对不同的台阶长度进行模拟计算再比较关键参数进行评估后可得到较为理想的台阶长度范围。本文中取某地铁路隧道资料，利用有限元方法进行数值模拟计算，模拟时台阶高度取4m，开挖进尺取0.8m，其他施工参数不变，对台阶的长度按等步长0.8m从2.4m～7.3m模拟7种工况，对模拟结果主要选择沉降收敛、初喷混凝土第一主应力、拱架与锁脚锚管最大压应力共4类参数进行分析比较。
模拟结果表明，台阶长度随着长度增加，拱脚相对位移最大值也随之增大，主要增量来自于上台阶拱脚，其相对位移和区域均呈现出增大趋势。掌子面变形值随台阶长度增加而不断减小。掌子面附近混凝土最大拉应力呈现出先变小后变大的趋势。而在拱脚和锁脚锚管拉应力方面，其最大应力均呈现出变大趋势。总体而言，在隧洞断面各方面位移及受理不太大的情况下，台阶长度在4m～6m是一个较为平衡的施工方案。
5台阶高度的影响
三台阶七步开挖方法把整个隧道的净空高度分为四个部分，其中最重要度隧道影响最大的是上台阶高度，这是三台阶七步开挖方法的关键参数之一，对掌子面的稳定和初期支护受力有重要影响。本部分的分析中以上台阶高度为变量，从3m～6m，以0.5m为步长，上核心图高度取做7种工况进行数值模拟，台阶长度取4.8m，开挖进尺取0.8m。对上述各类工况仍按有限元法进行数值模拟，取模拟结果中隧道个方向位移、初喷混凝土最大拉应力、拱架和锁脚锚管的最大压应力作为判别指标，从中找出合理的上台阶高度范围。
模拟结果表明，随着台阶高度的增加各工况下的水平方向拱脚相对位移值呈现出减小趋势，拱顶沉降相对稳定受影响不大。而掌子面挤出变形值先小后大，台阶高度达到6m后容易出现掌子面的坍塌。初喷混凝土第一主应力随着台阶高度的增加而减小。拱架最大应力变化基本稳定，锁脚锚管最大应力单调减小。综合而言台阶高度在4.5～5.5m能较好的综合各方面因素，让隧道变形和受力状态均在较为理想的低水平范围。
6组合施工参数规律
本小节在台阶长度和高度的模拟基础上，进一步拓展到开挖进尺方面，分别以不同的开挖进尺，取08m、10m、12m三个值，上台阶高度取值范围4.5m、5m、5.5m，台阶长度取4m～6m。以上上述参数进行综合模拟，取模拟结果中的隧洞各方向位移、初喷混凝土第一主应力和钢拱架以及锁脚锚管最大压应力值作为主要判别指标。
综合各类参数的组合后得到的主要规律如下：在台阶高度和台阶长度的基础上加入开挖进尺这一参数后，将直接影响工程的工期及造价，在相同上台阶高度条件下，随着开挖进尺的增加，隧道断面在X和Y方向的位移均呈现出增加趋势，在Z轴方向的位移值基本稳定略减小，与此同时初喷混凝土的第一主应力也随着开挖进尺的增加而减少，于此相反的是钢拱架和锁脚锚管最大主应力随着开挖进尺的增加而不断增大。因此从总体上看，开挖进尺的增加对隧道的整体位移和受力特性是呈现出不利的变化趋势。总结而言，随着开挖进尺的增加隧道水平位移和拱顶沉降会加大，这必然导致钢拱架也锁脚锚管的最大压应力相应增加，但也有会使得掌子面位移和混凝土应力减小，因而上台阶的高度的增加对于提高开挖进尺有利。综合各类工况组合时，筛选出的较为理想的施工组合方案有2种：（1）上台阶高度5.5m，开挖进尺1m，（2）上台阶高度5m，开挖进尺1m。
7结论
本文提出的台阶施工法中工况组合方法可为类似软弱围岩大断面隧道施工提供思路参考，可通过台阶长度、上台阶高度和开挖进尺的模拟组合得出对于工程施工综合最有利的施工方案。
参考文献
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