鮮 國

(成蘭鐵路有限責(zé)任公司， 四川 成都 610036)

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軟巖隧道臺階法與全斷面(含仰拱)法施工比較研究
——以成蘭鐵路平安隧道為例

鮮 國

(成蘭鐵路有限責(zé)任公司， 四川 成都 610036)

以成蘭鐵路平安隧道軟巖段施工為背景，采用數(shù)值模擬、理論計算和現(xiàn)場試驗等方法對全斷面(含仰拱)法和臺階法施工時的圍巖變形、初期支護受力及施工組織等方面進行比較分析，結(jié)果表明： 上下臺階法相比全斷面(含仰拱)法開挖圍巖要穩(wěn)定，但全斷面(含仰拱)法開挖累計變形量更??； 2種方法開挖產(chǎn)生的剪切、拉伸破壞區(qū)的范圍大小相近，均能滿足結(jié)構(gòu)安全的需要，而全斷面(含仰拱)法的施工質(zhì)量比上下臺階法易于控制； 全斷面(含仰拱)法在人員投入和施工進度等方面明顯優(yōu)于上下臺階法。

軟巖隧道； 千枚巖； 臺階法； 全斷面(含仰拱)法； 施工組織

0 引言

軟巖隧道的施工效率是當(dāng)前隧道工程界關(guān)注的問題，開挖方法則是決定軟巖隧道施工效率的關(guān)鍵因素之一。目前，隧道施工過程中遇到軟巖一般采用臺階法或其他分部的開挖方法，這些開挖方法在軟巖隧道的施工中起到了重要的作用，并且隨著我國隧道建設(shè)的快速發(fā)展得到完善。但由于受工序銜接和作業(yè)空間等因素的限制，工效依然不高[1-2]。全斷面開挖法具有工序銜接較少、作業(yè)空間相對較大、施工速度較快等優(yōu)點，但出于安全考慮，往往不被應(yīng)用在軟巖隧道施工中。為了實現(xiàn)軟巖隧道全斷面開挖，采取超前預(yù)加固掌子面和改進TBM性能等措施。掌子面超前預(yù)加固的全斷面開挖工法主要應(yīng)用在掌子面不能自穩(wěn)和圍巖大變形的條件，施工效率依然較低[3-4]。由于斷面和地質(zhì)適應(yīng)性的問題，改進TBM性能的全斷面法的使用也受到限制[5]。如何在開挖后有一定自穩(wěn)能力的軟巖隧道中實現(xiàn)全斷面開挖就成為隧道工程界關(guān)心的問題，并不斷進行嘗試[6-12]。根據(jù)成蘭鐵路平安隧道實際的圍巖條件和工程進度需要，提出帶仰拱一次開挖的全斷面開挖方法，即全斷面(含仰拱)法，并在平安隧道2#橫洞對應(yīng)的正洞左、右線同時采用全斷面(含仰拱)法和上下臺階法進行試驗性的施工，從圍巖變形、初期支護受力及施工組織等方面進行比較分析。

1 工程概況

平安隧道是成蘭鐵路成都至川主寺段站前工程的控制工程，位于茂縣境內(nèi)。隧道分修，左線全長28.426 km，右線全長28.4 km，線間距約30 m，設(shè)計時速200 km/h。平安隧道設(shè)6個橫洞、2個斜井，采用鉆爆法施工。平安隧道2#橫洞工區(qū)對應(yīng)為左線ZD8K154+925～ZD8K160+590、右線YD8K155+327～YD8K160+588，斷面大小約80 m2。該段埋深為50～1 700 m，以Ⅳ級圍巖為主。砂巖夾千枚巖、灰?guī)r、礫巖，施工揭示圍巖為絹云千枚巖，巖體片理面和隧道走向呈80～90°夾角，圍巖節(jié)理發(fā)育，較破碎—破碎，呈灰色、灰黑色。平行飽和抗壓強度為5 MPa，垂直飽和抗壓強度為19 MPa，屬軟巖或較軟巖，裂隙、結(jié)構(gòu)面可局部滲水，呈無線狀流水，巖石外觀見圖1。

(a) 干燥狀態(tài)下

(b) 濕潤狀態(tài)下

在正交偏光顯微鏡和掃描電鏡下巖樣形態(tài)見圖2。正交偏光顯微鏡顯示有細(xì)小絹云母連續(xù)定向分布，顯微片狀變晶結(jié)構(gòu)，千枚狀構(gòu)造；掃描電鏡顯示絹云母細(xì)鱗片狀集合體定向均勻分布。

(a) 正交偏光顯微鏡下巖樣形態(tài)

(b) 掃描電鏡下巖樣形態(tài)

2 上下臺階法與全斷面(含仰拱)法數(shù)值模擬比較分析

2.1 計算模型

平安隧道設(shè)計支護參數(shù)見表1，模擬采用摩爾-庫侖模型，大小取開挖斷面的8倍，綜合設(shè)計、現(xiàn)場點荷載試驗對有限元計算模型中圍巖參數(shù)取值，數(shù)值計算參數(shù)見表2。

表1 支護參數(shù)

表2 數(shù)值計算參數(shù)

上下臺階法開挖模擬過程見圖3(參照現(xiàn)場施工時上下臺階的分界線)： 上臺階開挖及初期支護施作—下臺階開挖及初期支護施作—仰拱開挖及初期支護施作—仰拱填充； 全斷面(含仰拱)法開挖模擬過程見圖4： 斷面開挖及拱墻初期支護施作—仰拱初期支護施作—仰拱填充。

(a) 上臺階開挖及初期支護施作

(b) 下臺階開挖及初期支護施作

(c) 仰拱開挖及初期支護施作

(d) 仰拱填充

(a) 斷面開挖及拱墻初期支護施作

(b) 仰拱初期支護施作

(c) 仰拱填充

2.2 位移結(jié)果分析

對模擬結(jié)果進行提取，得出上下臺階法和全斷面(含仰拱)法的水平位移和垂直位移，見圖5和圖6。忽略上臺階開挖后初期支護尚未施作部分的位移，使同一位置的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)可以相互印證。位移計算結(jié)果和實測結(jié)果對比見表3。

從表3的統(tǒng)計結(jié)果來看，2種開挖方法的計算結(jié)果均大于實測結(jié)果(平均值)，這主要是由于監(jiān)控量測點是在隧道出碴完畢后埋設(shè)，前期數(shù)據(jù)丟失所致。但計算結(jié)果與實測結(jié)果較為吻合，且均能滿足設(shè)計預(yù)留變形量的要求，而全斷面(含仰拱)法累計變形量更小。

2.3 剪切、拉伸區(qū)計算結(jié)果分析

上下臺階法開挖時隧道圍巖剪切、拉伸破壞區(qū)的計算結(jié)果見圖7。

(a) 上下臺階法

(b) 全斷面(含仰拱)法

Fig. 5 Comparison befween nephograms of horizontal displacement (m)

(a) 上下臺階法

(b) 全斷面(含仰拱)法

Fig. 6 Comparison befween nephograms of vertical displacement (m)

表3 位移計算結(jié)果和實測結(jié)果對比

Table 3 Comparison between numerical simulated displacement and site monitoring results

開挖方法拱頂沉降/mm計算結(jié)果實測結(jié)果(平均值)水平收斂/mm計算結(jié)果實測結(jié)果(平均值)上下臺階法25.624.73625.0全斷面(含仰拱)法18.017.12717.9

(a) 上臺階開挖

(b) 下臺階開挖

(c) 仰拱開挖

(d) 仰拱填充

Fig. 7 Distributions of shear zones and tensile failure zones of tunnel constructed by top heading and bench method

由圖7可知： 隨著下臺階的開挖，圍巖剪切、拉伸破壞區(qū)均有所增大，而仰拱開挖和填充時的剪切、拉伸破壞區(qū)增加不明顯，這主要是由于上臺階開挖面積占總開挖面積比例過大的原因。

全斷面(含仰拱)法開挖時圍巖剪切、拉伸破壞區(qū)的計算結(jié)果見圖8。

(a) 全斷面開挖

(b) 仰拱填充

Fig. 8 Distributions of shear zones and tensile failure zones of tunnel constructed by full-face method

由圖8可知： 全斷面(含仰拱)法開挖時的剪切、拉伸破壞區(qū)是由斷面開挖一次形成的，施作仰拱初期支護和填充仰拱對圍巖剪切、拉伸破壞區(qū)的分布影響不大。

對比圖7和圖8可知： 2種方法開挖時剪切破壞區(qū)大小基本一致，均在1倍洞徑范圍內(nèi)； 全斷面法開挖時邊墻部位的拉伸破壞區(qū)略大于上下臺階法，這主要是由于模擬過程中沒有考慮爆破的二次擾動造成的。

盡管2種方法產(chǎn)生的剪切、拉伸破壞區(qū)的范圍大小相近，但由于全斷面(含仰拱)法開挖時圍巖臨空面大，洞周圍巖相比上下臺階法開挖易產(chǎn)生局部掉塊； 因此，上下臺階法比全斷面(含仰拱)法開挖要穩(wěn)定。在斷面開挖完成后要及時初噴，現(xiàn)場試驗表明，采用濕噴機械手對全斷面(含仰拱)法開挖隧道進行初噴能夠保證開挖洞室的穩(wěn)定。

2.4 初期支護內(nèi)力及安全系數(shù)計算結(jié)果分析

初期支護結(jié)構(gòu)的安全性也是決定開挖方法的重要因素。為了對比2種開挖方法下初期支護結(jié)構(gòu)的安全性，提取隧道周邊相應(yīng)位置的軸力和彎矩計算結(jié)果。以圖9中A點位置為橫軸的0點，逆時針依次展開，繪制隧道周邊初期支護結(jié)構(gòu)的軸力和彎矩(初期支護臨巖面受拉時彎矩為正，臨空面受拉時彎矩為負(fù))，結(jié)果見圖10和圖11。

圖9 初期支護軸力和彎矩提取參照圖

Fig. 9 Reference view of axial force and bending moment of primary support

圖10 初期支護軸力圖

圖11 初期支護彎矩圖

由圖10可知： 2種方法開挖的最大軸力均出現(xiàn)在拱頂，且大小相近；在拱腰以下部位，全斷面(含仰拱)法開挖隧道的初期支護軸力大于上下臺階法； 在仰拱部位，2種開挖方法的軸力大小相近，這主要是由于2種開挖方法的仰拱初期支護均是在上部支護結(jié)構(gòu)完成后才施作的原因。

由圖11可知： 在拱部，上下臺階法開挖的彎矩絕對值明顯大于全斷面(含仰拱)法； 在邊墻部位，全斷面(含仰拱)法開挖初期支護產(chǎn)生的彎矩大于上下臺階法； 在仰拱部位，2種開挖方法的彎矩大小一致。

從軸力和彎矩的計算結(jié)果來看，初期支護結(jié)構(gòu)均為彎壓構(gòu)件。為了判斷2種開挖方法條件下初期支護結(jié)構(gòu)的安全性，安全系數(shù)參照《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》中彎壓構(gòu)件計算方法進行計算[13]。

K=φαRbh/N。

式中：K為安全系數(shù)；φ為構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)，對于隧道襯砌、明洞拱圈及墻背緊密回填的邊墻，可取為1；α為軸向力的偏心影響系數(shù)；R為混凝土或砌體的抗壓極限強度；b為截面的寬度；h為截面的厚度；N為軸向力。

安全系數(shù)計算結(jié)果見圖12。

圖12 初期支護安全系數(shù)分布

由圖12可知，2種開挖方法的安全系數(shù)計算結(jié)果均能滿足初期支護結(jié)構(gòu)安全的需要?，F(xiàn)場調(diào)查表明，在2種方法施工過程中，支護結(jié)構(gòu)均未出現(xiàn)異常，但由于臺階法上臺階的支護結(jié)構(gòu)施作先于下臺階，受開挖和變形等影響，易造成上下臺階交接部位不圓順，改變初期支護結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

通過建立有限元模型，對比上下臺階法和全斷面(含仰拱)法開挖隧道洞周位移，剪切、拉伸破壞區(qū)大小，以及初期支護結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)得出以下結(jié)論：

1)上下臺階法和全斷面(含仰拱)法開挖均能滿足設(shè)計預(yù)留變形量和結(jié)構(gòu)安全的需要。

2)相對于上下臺階法，全斷面(含仰拱)法開挖洞周圍巖易產(chǎn)生局部掉塊，但可通過濕噴機械手初噴1層素混凝土來保證施工的安全。初噴使混凝土顆粒及漿液嵌入圍巖裂隙，在圍巖之間形成連續(xù)拱效應(yīng)，從而有效控制拱墻掉塊現(xiàn)象。

3 現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對比分析

選擇平安隧道地質(zhì)條件相似的左線ZD8K157+160～200段和右線YD8K157+165～205段，每10 m一間隔共取5個斷面比較2種開挖方法的拱頂沉降和水平收斂情況，斷面分別編號為1、2、3、4、5。2種開挖方法條件下拱頂下沉和水平收斂情況見圖13。

(a) 拱頂下沉

(b) 水平收斂

由圖13可知： 全斷面(含仰拱)法拱頂下沉和水平收斂較上下臺階法?。蝗珨嗝?含仰拱)法開挖時，最小拱頂下沉量為最大下沉量的78.4%，最小水平收斂量為最大收斂量的82.7%。采用上下臺階法開挖時，最小拱頂下沉量為最大下沉量的66.0%，最小水平收斂量為最大收斂量的66.8%，也說明全斷面(含仰拱)法施工質(zhì)量比上下臺階法易于控制。

4 現(xiàn)場施作情況對比分析

4.1 資源投入

收集施工現(xiàn)場2種方法條件下1個循環(huán)不同工序的人工和設(shè)備(不計不在工序中的資源)投入情況，統(tǒng)計結(jié)果見表4。

由表4可知： 全斷面(含仰拱)法掌子面附近人員投入比上下臺階法少13人，由于投入先進的濕噴機械手，可使噴漿作業(yè)人員減少4人； 在設(shè)備方面，由于濕噴機械手的存在，全斷面(含仰拱)法的一次性投入大于上下臺階法，但可以有效減少作業(yè)人員。

從仰拱封閉的時間來說，上下臺階法的仰拱初期支護須在再次爆破后進行，而全斷面(含仰拱)法的仰拱無需再次爆破即可施工，可提前5～7 d封閉，能有效減少資源投入和施工干擾，同時可以降低通風(fēng)資源的投入和損耗。

綜上，在人員和設(shè)備投入以及工序銜接方面，全斷面(含仰拱)法優(yōu)于上下臺階法。

表4 現(xiàn)場人工和設(shè)備投入

4.2 施工進度

施工現(xiàn)場均采用每循環(huán)1 m的進尺施工，統(tǒng)計上下臺階法開挖50 m各工序的時間以及全斷面(含仰拱)法開挖100 m各工序的時間，然后進行加權(quán)平均得出各工序所需時間，結(jié)果見表5。

表5 各工序時間

按照表5中的各工序時間，計算2種開挖方法的月進度，上下臺階法可以實現(xiàn)每月64 m的進尺，而全斷面(含仰拱)法可以實現(xiàn)每月96 m的進尺。因此，全斷面(含仰拱)法在施工效率上具有明顯的優(yōu)勢。

5 結(jié)論與建議

1)相對于上下臺階法，全斷面(含仰拱)法開挖圍巖累計變形量更小，且拱架安裝整體質(zhì)量易于控制。

2)在圍巖穩(wěn)定性方面，2種方法均能滿足安全的要求，但上下臺階法優(yōu)于全斷面(含仰拱)法。采用濕噴機械手對全斷面(含仰拱)法開挖隧道進行初噴，能夠保證開挖洞室的穩(wěn)定。

3)全斷面(含仰拱)法更適用于投入較多大型設(shè)備的情況，可通過減少單個工序的時間來提高施工進度，降低其他費用。

4)全斷面(含仰拱)法的地質(zhì)適用性尚待進一步深入研究，建議在施工經(jīng)驗豐富的情況下選用。

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Comparison between Bench Method and Full-face Method for Ping’an Soft Rock Tunnel on Chengdu-Lanzhou Railway

XIAN Guo

(Chengdu-LanzhouRailwayCo.,Ltd.,Chengdu610036,Sichuan,China)

Comparison between bench method and full-face method (including invert arch) for soft rock section of Ping’an Tunnel on Chengdu-Lanzhou Railway is made in terms of surrounding rock deformation, primary support stress and construction organization by using numerical simulation, theoretical calculation and site test. The study results show that: 1) The stability of surrounding rock of tunnel constructed by bench method is superior to that constructed by full-face method; and the accumulated deformation of tunnel constructed by full-face method is smaller than that constructed by bench method. 2) The sizes of shear zone and tensile failure zone of tunnel constructed by 2 methods are almost the same. The construction quality of tunnel constructed by full-face method is easier to control. 3) The full-face method is superior to bench method in terms of labor and construction schedule.

soft rock tunnel; phyllite; bench method; full-face method (including invert arch); construction organization

2016-07-08;

2016-11-03

鮮國(1965—)，男，四川渠縣人，1983年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)，鐵道工程專業(yè)，本科，高級工程師，主要從事鐵路工程建設(shè)技術(shù)管理工作。E-mail: 673446056@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.11.003

U 45

A

1672-741X(2016)11-1302-08