屈振榮

摘要：近年來(lái)，我國(guó)修建了大量的黃土隧道，總結(jié)了較多成熟的施工方法，例如，弧形導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法、CRD法等。針對(duì)蒙華鐵路陽(yáng)城隧道隧道的地質(zhì)條件，采用微臺(tái)階法的施工方法和工藝，總結(jié)了該隧道施工中經(jīng)驗(yàn)，供類似工程借鑒。通過(guò)數(shù)值模擬分析，微臺(tái)階法對(duì)控制圍巖變形及預(yù)防塌方面效果明顯。

關(guān)鍵詞：黃土；隧道工程；施工工藝；數(shù)值模擬

引言

黃土結(jié)構(gòu)松散且自穩(wěn)性差，黃土隧道的圍巖情況較為復(fù)雜，施工難度大。因此在我國(guó)黃土隧道施工中，研究和優(yōu)化了一系列有針對(duì)性的黃土隧道施工方法，不同的工法有不同的特點(diǎn)并且適用于不同的工程地質(zhì)條件。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相對(duì)較為安全，并且能適應(yīng)多種圍巖情況下的隧道開(kāi)挖，能有效控制圍巖變形[1]；單側(cè)壁導(dǎo)坑法可以對(duì)掌子面進(jìn)行分部施工，因此對(duì)圍巖擾動(dòng)小，但是由于工法較為復(fù)雜，施工進(jìn)度較慢[2]；三臺(tái)階法由于分工作面進(jìn)行施工，有利于使用大型機(jī)械進(jìn)行開(kāi)挖，但是由于取消了中間的分隔措施，需要重點(diǎn)關(guān)注圍巖的沉降變形[3]。實(shí)踐證明，施工方法的選用與隧道的穩(wěn)定性密切相關(guān)，只有采用合理科學(xué)的開(kāi)挖施工方法，才能達(dá)到隧道工程安全、質(zhì)量、進(jìn)度的最優(yōu)結(jié)合與經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

1工程概況

蒙華鐵路薛家畔2號(hào)隧道全長(zhǎng)169m，最大埋深183m，洞頂為砂質(zhì)新黃土，黃褐色，具大孔隙，具垂直節(jié)理，結(jié)構(gòu)松散。微臺(tái)階開(kāi)挖方法已在蒙華鐵路Ⅴ級(jí)圍巖薛家畔1號(hào)隧道DK240+863～DK241+000段成功應(yīng)用。本文將以數(shù)值模擬為手段，分析不同含水率的地質(zhì)條件下，隧道的豎向位移及側(cè)向位移。通過(guò)定量的分析，評(píng)價(jià)微臺(tái)階開(kāi)挖方法的優(yōu)劣，為以后的黃土隧道施工提供了新思路。

2微臺(tái)階法工藝流程及操作要點(diǎn)

2.1工藝流程

微臺(tái)階工法是上、中、下臺(tái)階同時(shí)開(kāi)挖作業(yè)的施工方法[4]，其中上臺(tái)階保持3～5m，中臺(tái)階保持6～8m，下臺(tái)階保持9～12m，微臺(tái)階開(kāi)挖臺(tái)階尺寸見(jiàn)圖1。

首先利用上一循環(huán)格柵鋼架以及水平旋噴樁作隧道超前支護(hù)，再進(jìn)行上臺(tái)階的開(kāi)挖扒渣，而后進(jìn)行中臺(tái)階開(kāi)挖扒渣。再進(jìn)行上臺(tái)階及中臺(tái)階立架，待穩(wěn)定后開(kāi)挖下臺(tái)階和仰拱。在進(jìn)行上臺(tái)階和中臺(tái)階噴混時(shí)，同時(shí)進(jìn)行下臺(tái)階和仰拱的立架，再進(jìn)行下臺(tái)階和仰拱噴混，而后跟進(jìn)二次襯砌。微臺(tái)階開(kāi)挖施工工藝見(jiàn)圖2。

3微臺(tái)階施工操作要點(diǎn)

1.合理確定微臺(tái)階開(kāi)挖上、中、下三個(gè)臺(tái)階的長(zhǎng)度，上臺(tái)階長(zhǎng)度3～5m，中臺(tái)階長(zhǎng)度6～8m左右，下臺(tái)階長(zhǎng)度9～12m，保證各臺(tái)階在開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定，有一定的作業(yè)空間，方便機(jī)械作業(yè)。三個(gè)臺(tái)階斷面同步作業(yè)，縮短了掌子面至仰拱初支封閉的距離，滿足了三臺(tái)階施工初支封閉成環(huán)距離掌子面不大于2倍洞徑。保證施工安全，提高工作效率，加快施工進(jìn)度。

2.部分隧道圍巖為散體狀結(jié)構(gòu)的砂巖，自穩(wěn)能力極差，開(kāi)挖后出現(xiàn)溜塌現(xiàn)象，利用微臺(tái)階施工的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)場(chǎng)采取環(huán)向間距10～12cm加密超前φ42熱軋無(wú)縫鋼管的措施，確保圍巖穩(wěn)定。

3.開(kāi)挖過(guò)程中，嚴(yán)格控制超挖，欠挖現(xiàn)象，若采用機(jī)械開(kāi)挖，必須預(yù)留30-50cm人工進(jìn)行修整。遵循軟弱圍巖施工的“三超前、四到位、一強(qiáng)化”原則。即超前預(yù)報(bào)、超前加固、超前支護(hù)，工法選擇到位、支護(hù)措施到位、快速封閉到位、襯砌跟進(jìn)到位，強(qiáng)化量測(cè)。

4.上臺(tái)階鋼架立架必須緊貼掌子面[5]，立架完成后應(yīng)盡快施作鎖腳錨管鎖死，鎖腳錨桿按與水平方向45°角度向下打射，采用Φ22“L”型螺紋鋼筋將鎖腳錨管與鋼拱架雙面焊接，焊縫必須飽滿。上、中、下導(dǎo)鋼架拱腳連接處必須采用高強(qiáng)度輕型塑料鍥塊墊實(shí)，確保鋼架緊貼圍巖初噴混凝土。

5.各臺(tái)階施工均要做到“快挖、快支、快封閉”，確保初支砼形成完整體的受力體系。仰拱每次開(kāi)挖3m后立即進(jìn)行仰拱初期支護(hù)，隨后搭設(shè)仰拱初支棧橋，繼續(xù)開(kāi)挖前方掌子面。并且始終保持安全步距，掌子面至初支封閉距離不大于2倍洞徑（三臺(tái)階），掌子面至初支封閉距離不大于1倍洞徑（兩臺(tái)階）。

4.數(shù)值模擬及分析

4.1模型參數(shù)選取

由于施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，數(shù)值模擬的不能完全復(fù)原實(shí)際情況，因此對(duì)不同的開(kāi)挖方法采用相同的假定模型。在數(shù)值計(jì)算中，模型整體尺寸為90m×120m×21m，隧道埋深為45m，其中所有土均為黃土，為Ⅴ級(jí)圍巖。隧道所建立模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示。

隧道圍巖均假定為各向同性材料，選取Mohr-Coulomb準(zhǔn)則進(jìn)行非線性靜力分析，其相關(guān)參數(shù)參照鐵路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則和Ⅴ級(jí)圍巖的物理參數(shù)選取。對(duì)于鋼拱架、二次襯砌、噴射混凝土及其他支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用彈性本構(gòu)進(jìn)行模擬。

4.2計(jì)算結(jié)果與分析

4.2.1地表沉降位移

隧道開(kāi)挖引起的地表沉降曲線如圖2所示。地表沉降的大小與隧道的開(kāi)挖斷面形狀和尺寸、圍巖的力學(xué)性質(zhì)等密切相關(guān)[6]。從圖中可以看出，沉降槽的寬度大約為80m，由于圍巖含水率的提升，沉降槽的寬度有兩側(cè)擴(kuò)寬的傾向，沉降量與隧道中線的距離大致呈二次拋物線分布。地表的最大沉降量隨著圍巖含水率的增大而增大[7]。在6%含水率時(shí)，最大沉降約為0.0125m；15%含水率時(shí)，達(dá)到了0.05m。由此可見(jiàn)，砂黃土對(duì)水非常的敏感，遇水軟化而濕陷的特性應(yīng)該在施工中引起足夠重視。在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)該注意治水與防水，防止出現(xiàn)塌方事故[8]。

4.2.2隧道圍巖變形分析

從拱底的收斂變形趨勢(shì)看，隨著開(kāi)挖施工工序的開(kāi)展，在第10施工步時(shí)，拱底的變形趨于穩(wěn)定。其收斂變形的大小隨著隧道圍巖含水率的增大而增大[9]。但最終的收斂變形值小于施工管理規(guī)定的70mm，符合質(zhì)量管理的要求。

由圖4變形的時(shí)態(tài)曲線可以看出，拱頂?shù)淖冃闻c拱底的變形趨勢(shì)大致規(guī)律相同，拱頂?shù)淖冃瘟恳嗍请S著含水率的增大而增大。在圍巖含水率達(dá)到15%時(shí)，拱頂?shù)淖畲笞冃瘟繛榧s10mm，小于管理規(guī)定的75mm。證明支護(hù)參數(shù)合理，能保證施工安全。變形趨于穩(wěn)定階段的施工步為15，和拱底的變形時(shí)態(tài)曲線穩(wěn)定階段的施工步為10相比，較為滯后一些。因此，在施工中，由于其變形的相對(duì)滯后，應(yīng)注意觀測(cè)拱頂?shù)淖冃巍?/p>

由圖5變形時(shí)態(tài)曲線可以看出，變形穩(wěn)定階段約為施工步15。其變形大小亦明顯受到圍巖含水率的影響，變形大小隨著含水率的增大而增大。圍巖含水率為15%時(shí)，最大變形值約為20mm，小于施工管理規(guī)定35%，達(dá)到預(yù)期的變形控制要求。

3.結(jié)論

針對(duì)砂黃土隧道采用了Midas/GTS有限元軟件對(duì)不同的圍巖含水率條件下進(jìn)行比較，得到以下結(jié)論：

（1）微臺(tái)階法由于不需要拆除大量的臨時(shí)支撐，工程的經(jīng)濟(jì)效益十分明顯，同時(shí)也對(duì)加快施工進(jìn)度有十分重要的意義。

（2）砂黃土隧道的圍巖變形，受到圍巖含水率的影響作用顯著，在施工中應(yīng)做好防排水措施，保證施工的順利開(kāi)展。

（3）微臺(tái)階開(kāi)挖方法在控制圍巖變形方面，縮短了初支整環(huán)閉合的時(shí)間，達(dá)到了預(yù)期的效果。該方法可以考慮推廣至類似的工程。

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