史繼堯， 王 玥

(中鐵隧道集團有限公司勘測設計研究院， 廣東 廣州 511455)

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仰拱步距和臺階長度對軟巖大斷面隧道穩(wěn)定性影響分析

史繼堯， 王 玥

(中鐵隧道集團有限公司勘測設計研究院， 廣東 廣州 511455)

在軟巖大斷面隧道施工過程中，圍巖穩(wěn)定性控制難度很大。依托寶蘭客專古城嶺隧道的勘察設計資料、施工工藝和監(jiān)測數據，建立符合工程實際的基本數值模型，分析軟巖大斷面隧道的變形特點，揭示仰拱步距和臺階長度對初期支護變形的影響規(guī)律。根據模擬試驗結果指導古城嶺隧道大變形區(qū)段施工，將初期支護累計變形減小了70%。

軟巖大斷面隧道； 仰拱步距； 臺階長度； 數值模擬； 初期支護變形； 結構內力； 圍巖穩(wěn)定性

0 引言

近年來，伴隨著我國經濟建設的迅猛發(fā)展，西部地區(qū)進行了大量的工程建設。由于我國西北地區(qū)黃土高原的特殊地質，存在大量的軟巖土隧道。大斷面黃土隧道的施工變形控制技術越來越受重視。在軟巖隧道施工過程中，隧道圍巖穩(wěn)定性的控制是施工過程中的重要問題，需要進行科學的支護處理。

為了確保施工安全、快速、高效以及對施工資源的合理利用，大量學者對軟巖隧道的圍巖變形進行了探討和研究。李曉紅等[1]分析了初期支護對軟巖隧道圍巖穩(wěn)定性和位移的影響程度，為確定合理的二次支護時機提供了一定的理論依據；顧士亮[2]對軟巖動壓巷道圍巖穩(wěn)定性原理進行了總結分析，提出了深埋巷道圍巖控制的內、外結構穩(wěn)定性原理；李寧等[3]提出了一種軟巖及土質隧洞圍巖穩(wěn)定性評價新方法，若過分地增加支護處理，不但耗費工期，而且嚴重浪費資源。上述研究對隧道圍巖穩(wěn)定性及支護狀況作出了一定的評價，但未能對有效控制圍巖體收斂速率提出合理的施工工藝。

在變形控制和施工工藝方面： 郭永平[4]對淺埋軟弱地層海底隧道施工變形控制技術進行了探討；王立英等[5]以蘭渝鐵路兩水隧道為施工實例，對軟巖大變形隧道施工技術進行了探討；張峰輝[6]對隧道仰拱移動模架澆筑施工工藝進行了研究，通過工程實踐證明仰拱移動模架在實際操作中切實可行，能有效加快施工進度，改善仰拱施工質量；蔣暉光等[7]對隧道仰拱長棧橋施工工藝進行了分析；黃明利等[8]對特大斷面超淺埋隧道預留十字巖梁巖柱開挖技術進行了總結。由于不同的工程結構及不同的地質情況下圍巖失穩(wěn)變形機制不同，以上研究偏重于對技術和工藝的探討，并沒有大量的數據支持和科學的匯總分析，導致其研究成果適用范圍較小。

此外，席浩等[9]采用MIDAS數值模擬軟件探討了寶蘭客專蘇家川隧道圍巖變形控制技術；李樹清等[10]采用FLAC3D數值模擬軟件對隧道圍巖體穩(wěn)定性及不同施工工藝進行了研究。但以上研究的模擬過程側重于對規(guī)律和工藝的研究，對實際工程中的驗證和指導稍有欠缺。

本文以寶蘭客專古城嶺隧道為背景，根據其水文地質、隧道結構、施工工藝和監(jiān)測數據，建立符合實際的數值模型，主要對不同仰拱步距和臺階長度的圍巖穩(wěn)定性進行單因素模擬分析，得出適宜的仰拱步距和臺階長度，并據此指導工程施工，有效地控制了施工過程中出現的大變形。

1 工程概況

新建鐵路寶雞至蘭州客運專線站前工程BLTJ-14標段位于甘肅省蘭州市榆中縣境內，起訖里程為DK1012+435.5～DK1028+332，全長15.897 km。工程地理位置見圖1。

圖1 工程地理位置

站前工程主要有2座隧道(共15 817.4 m)、1座橋梁(99 m)和無砟軌道(31.8 km)。其中古城嶺隧道(10 364.6 m)和蘭山隧道(5 452.8 m)為重點工程。

工程地質： 1)標段地處隴西黃土高原西北部，沿線地形起伏較大，位于黃土高原梁峁、溝壑縱橫區(qū)。洞身主要為沖積砂質黃土及第三系泥巖夾砂巖及礫巖，局部為碎石類土，均為Ⅳ級和Ⅴ級圍巖。2)標段線路經過的地區(qū)地表水主要為溝谷內季節(jié)性流水及灌溉用水，枯水期幾乎斷流，水量不大，未見地下水發(fā)育。3)標段不良地質主要為黃土陷穴，主要分布于陡坎處，特殊巖土主要為濕陷性黃土、松軟土及膨脹土，濕陷土層20～30 m，砂(黏)質黃土屬松軟土，層厚 5～15 m。

寶蘭客專古城嶺隧道正洞采用七步三臺階法施工，為單洞雙線大斷面隧道。隧道正洞襯砌斷面見圖2。

2 模型試驗與對比分析

2.1 建立模型

利用ANSYS建立三維隧道模型，導入FLAC3D進行模擬計算分析。建模范圍在軸向(y方向)取80 m，橫向(x方向)取100 m，上覆土體厚度取50 m，下部土層取50 m。采用七步三臺階法開挖，按施工方案每榀拱架設置超前小導管支護和鎖腳錨管。

因模型過大，故應做適當的簡化計算。其中，超前小導管和鎖腳錨管均按錨桿單元計算；初期支護層的鋼架和噴射混凝土厚度較小，按殼單元計算；工程全長范圍內基本沒有遭遇地下水，所以模型未涉及滲流計算，未設置防水層，在初期支護殼結構和二次襯砌之間設置了接觸面單元(接觸面單元力學參數取圍巖參數的1/2)，確保其可以相對滑動，符合復合式襯砌初期支護和二次襯砌間不傳遞剪力的實際情況。

計算采用的土體、二次襯砌及仰拱的數值模擬均為實體單元，本構關系的依據為摩爾-庫侖準則，具體參數如表1所示。

錨桿單元采用的是FLAC3D軟件中自帶的Cable單元進行模擬分析，分析參數如表2所示。

襯砌的Shell單元采用彈性本構關系。襯砌力學參數見表3。

圖2 隧道正洞襯砌斷面(單位： cm)

表1 模型主體單元基本力學參數

Table 1 Basic mechanical parameters of main body unit of model

主體單元密度/(kg/m3)彈性模量/GPa泊松比ν體積模量/GPa剪切模量/GPa內摩擦角/(°)黏聚力/MPa圍巖20000.20.300.170.77260.56二次襯砌2500280.2518.611.2401.2仰拱2500280.2518.611.2401.2

表2 錨桿單元力學參數

表3 襯砌力學參數

在基本模型建立完畢后，根據工程實際，從圍巖條件、工法工藝、監(jiān)測數據等方面考慮(模型示意圖見圖3，工法、工藝示意圖見圖4和圖5)，選取了能代表整條隧道初期支護變形水平的DK1019+347斷面和DK1019+027斷面進行計算分析，其仰拱步距分別為22 m和28 m，圍巖級別均為Ⅴ級，覆土厚度均為90 m左右，得到了初期支護結構的變形情況與數值模擬計算結果，如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可知，選取斷面的初期支護變形模擬計算值與實測值變化趨勢相同，數值范圍相近，說明模型的參數和過程模擬與工程實際條件比較符合，可以用作下一步的單因素試驗。

圖3 模型示意圖

圖4 七步三臺階工法示意圖

圖5 超前小導管和鎖腳錨管示意圖

Fig. 5 Sketch diagram of advanced small duct and foot-locking anchor pipe

從各個測點的歷時變形情況來看，變形主要發(fā)生在臺階開挖階段，其次發(fā)生在仰拱施作階段，其間發(fā)生的變形占累計變形的80%以上。因為本工程施工進度較快，所以軟弱圍巖在開挖后由于應力重分布引起的土體后期變形不明顯，其所占累計值的比重較小。

2.2 仰拱步距的影響

在已建立的數值模型基礎上進行單因素數值模擬試驗，將仰拱步距依次設置為15(緊跟下臺階施工)、25、35、40、45 m進行計算，得到的部分結果如圖8和圖9所示。

圖6 DK1019+347斷面初期支護變形情況對比

Fig. 6 Deformation of primary support of cross-section DK1019+347

圖7 DK1019+027斷面初期支護變形情況對比

Fig. 7 Deformation of primary support of cross-section DK1019+027

(a) 縱斷面開挖示意圖 (b) 縱斷面開挖豎向位移云圖 (c) 橫斷面開挖豎向位移云圖

圖8 仰拱步距為45 m時的模型示意及豎向位移計算結果(單位： m)

Fig. 8 Sketch diagram of model when invert arch step distance is 45 m and nephograms of vertical displacement (m)

各仰拱步距情況的數值模擬計算結果匯總如表4所示。

由圖9和表4可知： 隨著仰拱步距的增加，隧道初期支護變形不斷增大，仰拱步距15 m(緊跟下臺階)與仰拱步距45 m的最終累計變形相差超過1倍，說明調整仰拱步距可以有效控制初期支護結構變形。

仰拱步距在20～30 m，是對初期支護變形影響最敏感的距離。這是因為仰拱步距短，緊跟下臺階時，一次開挖土方多，開挖的空間效應較大，開挖早期變形累計很大，一味地縮短仰拱步距，對于減小初期支護結構變形的效果越來越??；而仰拱步距超過35 m時，圍巖的擾動變形已經基本釋放完畢，與初期支護形成了比較穩(wěn)定的應力重分布，所以仰拱步距35 m與仰拱步距45 m的最終累計變形相差僅為5%，進一步加大仰拱步距也不會使初期支護變形顯著增大。

由于仰拱緊跟下臺階的工藝需要施作完仰拱初期支護后回填土方，后期施作仰拱填充時再挖開，延長了推進時間，增加了工作量，對控制變形有所趨緩。所以從控制變形的角度出發(fā)，為使變形量最小，應選擇15 m仰拱步距(即仰拱緊跟下臺階)。如想避免仰拱部位土方開挖—施作初期支護—回填土—土方開挖—仰拱填充的重復工作，加快施工進度和效率，則應將下臺階與仰拱之間的作業(yè)空間壓縮得越短越好，本工程中以20 m左右為最佳。

圖9 仰拱步距對最終累計變形的影響

Fig. 9 Relationships between invert arch step distance and final accumulated deformations

表4 各仰拱步距情況的數值模擬計算結果

Table 4 Numerical simulation results under different invert arch step distances

步距/m拱頂沉降/mm上臺階收斂/mm中臺階收斂/mm下臺階收斂/mm1528.1517.7821.3215.712235.0324.1329.4021.002544.0932.1338.2328.402853.9739.1146.0234.083560.1643.8552.1039.034062.1244.9053.5039.604563.4745.8554.0040.42

如果施工現場允許仰拱初期支護步距超過35 m，則可考慮進一步加大，如45 m，為掌子面施工提供更大作業(yè)空間，便于組織施工。因為此時仰拱步距的增加，不會導致初期支護變形的明顯增大，但在工程實際應用中，考慮到地下工程的復雜性，應結合變形監(jiān)測數據開展工作。古城嶺隧道推薦仰拱步距值見表5。

2.3 臺階參數的影響

根據現場實際施工要求，仰拱開挖通常要滯后下臺階10～15 m，以便給作業(yè)機械活動空間，同時盡早完成仰拱封閉。所以對臺階參數的數值模擬試驗，應將仰拱開挖支護與下臺階的距離設置為15 m，其他所有影響因素不變，試驗臺階長度依次為0、2、3、4、5、6、7、8、9、10 m(其中上、中、下三臺階等長，即設置為0時，為全斷面開挖)。對10種情況進行分析計算，得到初期支護結構的變形情況如表6所示。不同臺階長度對最終累計變形的影響見圖10。

表5 古城嶺隧道推薦仰拱步距值

表6 不同臺階長度下初期支護結構變形情況

Table 6 Deformation of primary support structure under different step distances

臺階長度/m拱頂沉降/mm上臺階收斂/mm中臺階收斂/mm下臺階收斂/mm082.4056.1868.6748.36261.8042.1451.5136.27355.6438.9946.8733.99451.7237.4044.1433.03555.5540.1647.4135.47661.1144.1852.1439.02765.0046.9955.4741.50867.7849.0057.8343.27969.9950.6059.7344.701071.7251.8561.1945.79

圖10 不同臺階長度對最終累計變形的影響

Fig. 10 Relationships between bench length and final accumulated deformation

由圖10可知： 在同樣的施工參數下，不同的臺階長度對初期支護結構的最終變形影響較大，在本工程的工藝流程和地質情況中，最佳的臺階長度為4 m左右。當臺階長度為0，即全斷面開挖時，變形量最大，約為最佳臺階長度變形值的1.6倍，這是由于一次性開挖土體過多，對圍巖造成劇烈擾動，同時沒有核心土反壓掌子面，因此產生了大變形；隨著臺階的設置和延長，核心土對掌子面的穩(wěn)定發(fā)揮了巨大的作用，初期支護的變形迅速得到控制，且在應力完全釋放之前完成了仰拱初期支護的封閉成環(huán)，在本工程的模擬試驗中，臺階長度達到3～5 m時控制變形較好；隨著臺階進一步延長，圍巖應力釋放時間越長，變形發(fā)展越完全，最終累計變形開始增加，但增加的幅度越來越平緩，當臺階長度超過9 m時，圍巖的應力釋放已經基本完畢，最終累計變形變化不大。

3 工程應用

3.1 古城嶺隧道3號斜井蘭州方向

古城嶺隧道3號斜井蘭州端掌子面施工至DK1019+675處時，變形顯著增大，拱頂最大累計沉降超過-400 mm，超過紅色預警值。掌子面開挖揭示巖性為第三系砂質泥巖，拱頂至以下1 m為砂質泥巖夾近水平狀第三系薄層砂巖，砂巖厚度3～5 cm，顏色為灰白色；拱頂以下1 m至仰拱底部為弱風化砂質泥巖，厚層—巨厚層構造，淺棕紅色，成巖作用差，質軟。圍巖穩(wěn)定性較差，泥巖有弱膨脹性，為Ⅴ級圍巖。

設計采用三臺階+臨時橫撐法施工，具體支護參數為：φ42超前小導管，單根長3.5 m，環(huán)向間距40 cm，縱向搭接不小于1 m；全環(huán)設I20工字鋼架，間距0.6 m/榀；φ8鋼筋網，網格間距20 cm×20 cm；φ22連接筋，環(huán)向間距1.0 m；拱部設φ25×7中空錨桿，單根長4 m，邊墻設φ22砂漿錨桿，單根長4 m，環(huán)縱向間距1.2 m×1.0 m，梅花形布設；C25噴射混凝土厚28 cm。

3.2 施工工藝優(yōu)化

針對古城嶺隧道3號斜井蘭州方向開挖后拱頂沉降及收斂的大變形情況，施工現場采取了一系列輔助措施，如加密超前小導管、增加鎖腳錨管、增加縱向不同拱架間的連接強度、增大拱腳墊塊面積等，但對拱頂沉降和周邊收斂變形的控制未能取得理想效果。

根據數值模擬得出的指導意見，現場于2014年8月20日起調整步距和臺階參數，臺階長度由5 m調整至4 m，使仰拱初期支護封閉成環(huán)緊跟下臺階施工，仰拱步距約16 m，至2014年8月31日基本調整完畢。調整過程見圖11。

根據圖11的仰拱初期支護封閉成環(huán)步距情況，可按里程分為3段，具體段落劃分見表7。

初期支護結構實測累計變形如圖12所示。

圖11 仰拱步距調整過程(2014年)

表7 里程分段

Table 7 Sectioning

分段分類依據里程初期支護結構封閉成環(huán)施工速度/(m/d) 標準步距段 2014年8月20日已完成仰拱封閉 DK1019+767之前 約30m步距,約12d5過渡段— DK1019+767～+828 介于兩者之間 介于兩者之間 仰拱緊跟段 2014年8月31日上臺階還未開挖 DK1019+828之后 約20m步距,約8d3.5

圖12 初期支護結構實測累計變形圖

Fig. 12 Measured accumulated deformation of primary support structure

由圖12可知，縮短仰拱初期支護封閉的步距后，拱頂沉降有明顯減小的趨勢，上、中、下臺階的收斂變形也逐漸回落。

選取已經完成仰拱初期支護封閉的斷面，比較其不同工藝參數的平均沉降值，見表8。

表8 不同工藝參數的平均沉降值統計

Table 8 Average settlements of primary support under different parameters

分段斷面數量平均沉降值/mm標準步距段5-410.66過渡段12-304.01仰拱緊跟段11-110.62

由表8中的數據可知，加快仰拱施工，縮短仰拱初期支護封閉的步距，對于控制拱頂沉降變形有明顯的作用。

同原來的標準步距工法相比(臺階長度5 m、仰拱步距約30 m)，仰拱緊跟施工(臺階長度4 m、仰拱步距約16 m)能使拱頂沉降減小70%以上。

4 結論與討論

1)在復雜多變的地下工程中，數值模擬不適合作定量的數值預測，但對規(guī)律的定性分析以及單因素的測試有較大意義。

2)在Ⅳ級和Ⅴ級軟弱圍巖條件下大斷面隧道施工過程中，80%以上的初期支護結構變形發(fā)生在初期支護結構封閉成環(huán)之前，所以縮短仰拱步距、盡早完成初期支護封閉是控制變形的有力措施。

3)在初期支護變形超限的情況下，應考慮縮短臺階長度，仰拱緊跟下臺階。在本工程的實踐中，該措施配合一些輔助手段，如加密超前小導管、增加鎖腳錨管、增加縱向不同拱架間的連接強度、增大拱腳墊塊面積等，使拱頂沉降減小了70%。

4)在初期支護變形較大但仍處于可控狀態(tài)時，應考慮盡量縮短仰拱與下臺階的距離，壓縮機械作業(yè)空間，以取得控制變形和快速施工的最佳效果。

5)工程實際中如果進行了應力、應變測試，還可以進一步結合數值模擬對隧道的結構參數進行調整優(yōu)化。

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Analysis of Influence of Invert Arch Step Distance and Bench Length on Stability of Large Cross-section Soft Rock Tunnels

SHI Jiyao, WANG Yue

(Survey,DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Guangzhou511455,Guangdong,China)

The control of stability of surrounding rocks is difficult during construction of large cross-section soft rock tunnel. A numerical model of Guchengling Tunnel on Baoji-Lanzhou Passenger-dedicated Railway is established based on surveying and design data, construction technology and monitoring data. The deformation characteristics of large cross-section soft rock tunnels are analyzed and the influence of invert arch step distance and bench length on stability of large cross-section soft rock tunnels is revealed. The numerical test results are regarded as guidance for construction of large deformation section of Guchengling Tunnel, the accumulated deformation of primary support has been reduced by 70%.

large cross-section soft rock tunnel; step distance of invert arch; bench length; numerical simulation; primary support deformation; internal force of structure; stability of surrounding rock

2016-05-09；

2016-12-26

史繼堯(1976—)，男，河南平頂山人，2010年畢業(yè)于河南理工大學，工程力學專業(yè)，碩士，工程師，現從事山嶺隧道監(jiān)控量測及科研工作。E-mail: 306344547@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.04.007

U 45

B

1672-741X(2017)04-0428-07