臺階法施工對隧道變形影響分析

王勤富，祝方才，余繼江，仵永杰，王 寧，王 威

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

臺階法施工對隧道變形影響分析

王勤富，祝方才，余繼江，仵永杰，王 寧，王 威

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

介紹了乾山隧道的施工方法和隧道監(jiān)控量測的內(nèi)容、方法。通過對監(jiān)測結(jié)果的分析，得出隧道在相應(yīng)支護(hù)條件下不同圍巖等級位移變形趨勢基本一致的結(jié)論：位移變形在最初10 d左右增加較快隨后趨緩，并在30 d左右基本達(dá)到穩(wěn)定；采用臺階法開挖時，變形由大到小依次為上臺階、中臺階和下臺階，并且下臺階開挖對上臺階變形有明顯影響。這可為合理確認(rèn)二次襯砌的時間提供參考依據(jù)，也可為類似地質(zhì)條件下的工程施工提供參考。

臺階法；監(jiān)控量測；隧道施工方法；位移變形

1 工程概況

南龍鐵路位于福建省中北部，沿線處于戴云山脈西北部，其中乾山隧道是南龍鐵路重點控制工程之一，隧道全長10 742.74 m，隧道起訖里程為DK18+ 495.26～DK29+238.000。本文對NLZQ-Ⅱ標(biāo)段進(jìn)行研究，該標(biāo)段乾山隧道長3 698 m。根據(jù)本標(biāo)段乾山隧道地質(zhì)構(gòu)造情況，圍巖等級主要分布有Ⅲ級（3 169 m）, Ⅳ級（426 m）, Ⅴ級（103 m）3個級別；隧道洞口主要存在全風(fēng)化沙土、云母石英片破碎層及節(jié)理發(fā)育區(qū)等不良地質(zhì)情況。

乾山隧道位于剝蝕中低山區(qū)，地形陡峭，自然坡度為20～45°，山體連綿，穿越的山脈主要是北北東向，溝壑縱橫。沿線地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜并發(fā)育于不同時代，處于大陸東南沿海新華夏系構(gòu)造帶中，構(gòu)造方向相對穩(wěn)定，主要是北東-北北東向，但不同時代構(gòu)造方向略有差異，雪峰期主要為北東-北北東方向，而燕山期主要為南北方向。隧道穿過的最高山峰海拔約679 m，隧道出口段標(biāo)高204.556 m，地形起伏大，自然坡度約為25～30°，植被發(fā)育多為小型喬木和灌木。主要地質(zhì)特征表現(xiàn)為：

1）地層巖性。隧址區(qū)分布的地層主要為前震旦系建甌群組云母石英片巖，此外地表分布有第四系沖洪積粉質(zhì)黏土層、第四系破殘積土層。

2）地質(zhì)構(gòu)造。本標(biāo)段隧道斷層為F6斷層，走向與線路方向夾角約26°，該斷層為正斷層，傾向大里程方向，產(chǎn)狀傾向和傾角約為165°∠83°。斷層帶內(nèi)巖石硅化破碎、分化強烈，且地表存在一小型水庫；斷層從其大里程側(cè)通過，斷層導(dǎo)水性好，施工時可能發(fā)生坍方、突水等施工地質(zhì)災(zāi)害。斷層破碎帶寬10～40 m，隧道洞身通過里程為DK26+080～DK26+120。

3）節(jié)理。本標(biāo)段節(jié)理發(fā)育于前震旦系建甌群組云母石英片巖地層，小型褶曲較發(fā)育，片理、節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎，地震波速為4 200～4 500 m/s，相對周圍巖體波速較低。施工過程易產(chǎn)生掉塊、漏水等現(xiàn)象，需要及時采取支護(hù)措施。

4）地下水特征。隧道區(qū)地下水的形成、分布受隧址區(qū)地形地貌、巖性、構(gòu)造、植被、降水量等多種因素控制和影響。特別是在構(gòu)造作用下，斷層破碎帶、節(jié)理密集帶為地下水貯存和運移創(chuàng)造了良好的地質(zhì)條件。地下水賦存類型主要為基巖裂隙水，圍巖富水程度為強富水區(qū)。

2 監(jiān)測內(nèi)容、方法與斷面布置

2.1 隧道監(jiān)測內(nèi)容

根據(jù)乾山隧道設(shè)計資料確定的圍巖情況，隧道采用臺階法和三臺階臨時仰拱法進(jìn)行施工，監(jiān)控量測[1-3]的重點為TB10121—2007《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》所規(guī)定的4項內(nèi)容，詳見表1。

表1 監(jiān)控量測必測項目Table 1 The monitoring and measuring items

根據(jù)研究的需要，本文主要對隧道拱頂下沉和凈空收斂2項內(nèi)容進(jìn)行分析；而圍巖壓力、鋼架壓力、錨桿軸力、二襯內(nèi)力等選測項目[4]，根據(jù)圍巖性質(zhì)、埋深等來確定，作為必測項目的驗證和補充。

2.2 隧道監(jiān)控量測方法

2.2.1 隧道凈空收斂的監(jiān)控量測

隧道凈空收斂采用全站儀進(jìn)行測量，其基本原理是，利用全站儀自由設(shè)站遠(yuǎn)距離測定量測點位不同時段相對的三維坐標(biāo)。將測量數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)，通過軟件進(jìn)行處理后，輸出監(jiān)測結(jié)果，可以準(zhǔn)確、快速地為施工提供數(shù)據(jù)參考。采用全站儀量測圍巖凈空位移示意圖如圖1所示。

圖1 全站儀監(jiān)控量測示意圖Fig. 1 Schematic diagram of total station monitoring and measurement

2.2.2 隧道拱頂下沉的監(jiān)控量測

拱頂下沉主要用于分析圍巖的穩(wěn)定性，拱頂下沉采用全站儀進(jìn)行量測。量測時應(yīng)注意：

1）采用膜片式回復(fù)反射器作為測點靶標(biāo)，靶標(biāo)粘附在預(yù)埋件上；

2）采用全站儀測量拱頂下沉?xí)r，噴射完混凝土后，應(yīng)迅速在測點處設(shè)固定樁，工區(qū)洞外設(shè)一個水準(zhǔn)基點，供洞內(nèi)拱頂下沉量測用。

2.3 隧道施工方法的確定

隧道施工方法是根據(jù)各種工法的特點和本標(biāo)段的地質(zhì)情況確定的。地質(zhì)狀況的確定較為復(fù)雜，首先以常規(guī)地質(zhì)法為基礎(chǔ)初步判斷地質(zhì)狀況；其次通過TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)作遠(yuǎn)距離宏觀控制，地質(zhì)雷達(dá)作近距離判斷，從而進(jìn)一步明確地質(zhì)情況；最后以加深炮孔鉆探作為連續(xù)巖溶、地下水等不良地質(zhì)超前探測和地質(zhì)鉆探的輔助驗證。這樣就形成綜合的地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)，為隧道施工方法的確定提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

根據(jù)本標(biāo)段乾山隧道的地質(zhì)情況、圍巖巖性和地質(zhì)構(gòu)造情況，初步確定本施工段DK28+943斷面圍巖為Ⅲ級圍巖。對其地質(zhì)描述為：掌子面主要是灰黑色云母石英片巖且為變結(jié)晶片狀結(jié)構(gòu)，其礦物成分主要為石英和云母，掌子面節(jié)理較發(fā)育且鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，屬較硬巖。地下水為基巖裂隙水，掌子面有滲水。加深炮孔DK28+949～DK28+941段：該區(qū)段圍巖與掌子面圍巖基本類似，為弱風(fēng)化云母石英片巖，裂隙發(fā)育，發(fā)現(xiàn)巖體稍破碎，掌子面潮濕且底部有積水，地下水較發(fā)育等不良地質(zhì)現(xiàn)象。通過TSP203超前地質(zhì)預(yù)報可以看出，DK28+982～DK28+934區(qū)段反射界面較少，推測該區(qū)段為弱風(fēng)化云母石英片巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體致密程度有所下降，裂隙水稍發(fā)育，巖體較完整。綜上所述，根據(jù)鐵路隧道圍巖分級標(biāo)準(zhǔn)[5]，掌子面圍巖可定為Ⅲ級。

臺階法作為新奧法中適用最廣的施工方法，其原理是將整個斷面分成上下兩半斷面分別開挖。這有利于開挖面的穩(wěn)定，尤其是上部開挖支護(hù)后，下部作業(yè)較為安全。這樣做既考慮了如何更好地發(fā)揮機(jī)械效率從而保證施工的經(jīng)濟(jì)性又保證了施工的安全性。DK28+943斷面附近圍巖等級為Ⅲ級基本符合臺階法的開挖要求，固本截面附近采用臺階法開挖是合適的。

根據(jù)超前預(yù)報確定DK29+063斷面圍巖為強風(fēng)化云母石英片巖，呈碎塊狀；節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較為破碎；掌子面較干燥，地下水不發(fā)育；圍巖穩(wěn)定性較差。通過TSP203探測，該斷面所在區(qū)段縱波波速為3 300 m/s左右，反射界面較多，從而推測該區(qū)段圍巖為弱-中風(fēng)化云母石英片巖，斷面節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，裂隙水欠發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力較差。該斷面地質(zhì)描述為：掌子面為青灰色薄-中層狀強風(fēng)化云母石英片巖，含泥量較大，巖層產(chǎn)狀傾向和傾角為225°∠31°；巖質(zhì)稍軟易水解；節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，地下水稍發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力較差。綜上所述，根據(jù)鐵路隧道圍巖分級標(biāo)準(zhǔn)，掌子面圍巖可定為Ⅳ級。

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報得出：DK29+103斷面圍巖為弱-中風(fēng)化云母石英片巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，裂隙水欠發(fā)育，底部有積水現(xiàn)象；地下水較發(fā)育圍巖自穩(wěn)能力差。DK29+103斷面地質(zhì)描述為：巖性為前震旦系建甌群云母石英片巖，顏色為青灰色，呈弱-中風(fēng)化狀。掌子面巖體層理清晰，呈中厚層狀，層理面和節(jié)理面光滑平直，局部巖體較完整，圍巖穩(wěn)定性較差。掌子面干燥，無明顯地下水滲漏現(xiàn)象。掌子面節(jié)理較發(fā)育，節(jié)理面較光滑、延伸不長，對圍巖穩(wěn)定影響較小。巖層產(chǎn)狀傾向和傾角為124°∠26°。根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果并結(jié)合地質(zhì)勘探資料及掌子面地質(zhì)特征綜合分析得出，該斷面圍巖等級為Ⅴ級比較合理。

三臺階臨時仰拱法[6]主要應(yīng)用于軟弱圍巖隧道中，是從上而下分三個臺階進(jìn)行開挖，各臺階成環(huán)向受力的施工方法。適用范圍為開挖斷面100～180 m2，具備一定自穩(wěn)能力的Ⅳ, Ⅴ級圍巖地段隧道施工。三臺階臨時仰拱法的原理就是將大斷面自上而下劃分成3個小單元進(jìn)行開挖，縮小開挖斷面，采用臨時仰拱使每個小單元及時封閉成環(huán)，形成環(huán)向受力，從而有效地發(fā)揮初期支護(hù)整體受力效果，有效阻止支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

三臺階臨時仰拱法施工時，各步臺階一次開挖長度宜為2～3 m，下臺階開挖后仰拱應(yīng)緊跟。綜合DK29+063斷面、DK29+103斷面超前地質(zhì)預(yù)報情況可知，這2個斷面適宜采用三臺階臨時仰拱法施工。拱墻初期支護(hù)施工完成后，應(yīng)及時左右錯位跳挖仰拱，并根據(jù)地質(zhì)條件確定施工段長，及時安裝隧底仰拱鋼架，隨后進(jìn)行仰拱永久混凝土和回填混凝土施工，使初期支護(hù)盡早閉合成環(huán)，構(gòu)成穩(wěn)固的初期支護(hù)體系，同時為運輸創(chuàng)造良好的環(huán)境。總之，三臺階臨時仰拱法關(guān)鍵在臨時仰拱的施工。

2.4 隧道監(jiān)控量測斷面布置

隧道斷面監(jiān)測點的個數(shù)根據(jù)規(guī)范TB10121—2007《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》和隧道的施工方法確定。根據(jù)乾山隧道勘察設(shè)計資料和現(xiàn)場實際情況綜合判斷得出：斷面DK28+943采用臺階法開挖，設(shè)置1個拱頂下沉測量點，4個水平凈空收斂點，具體布置見圖2。斷面DK29+063和斷面DK29+103采用三臺階臨時仰拱法施工，設(shè)置1個拱頂下沉測量點，6個水平凈空收斂點，具體布置見圖3。

圖2 臺階法施工段拱頂下沉及凈空測量的測線布置示意圖Fig. 2 The line layout plan of vault subsidence and clearance measurement in bench method construction

圖3 三臺階臨時仰拱法施工段拱頂下沉及凈空測量的測線布置示意圖Fig. 3 The line layout plan of vault subsidence and clearance measurement in three- steps temporary inverted arch construction

2.5 隧道監(jiān)控量測頻率及判別準(zhǔn)則

1）采用以位移速度控制的監(jiān)測頻率進(jìn)行監(jiān)測，具體見表2。當(dāng)位移速度出現(xiàn)異常情況或遇不良地質(zhì)地段時，應(yīng)增大監(jiān)測頻率。

表2 按位移速度確定的監(jiān)控量測頻率Table 2 Monitoring and measuring frequency determined by displacement rate

2）當(dāng)凈空變化速率持續(xù)大于1. 0 mm/d時，圍巖處于急劇變形狀態(tài)，應(yīng)加強初期支護(hù)；凈空變化速度小于0.2 mm/d時，圍巖基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3 隧道監(jiān)控量測結(jié)果及分析

乾山隧道監(jiān)測斷面較多，本研究綜合乾山隧道地質(zhì)情況、圍巖巖性和地質(zhì)構(gòu)造的狀況，選取隧道出口端不同圍巖等級的3個典型斷面，并以其監(jiān)測結(jié)果為例來說明開挖段的位移變形情況，3個斷面分別為DK29+103（Ⅴ級圍巖）、DK29+063（Ⅳ級圍巖）和DK28+943（Ⅲ級圍巖）。

3.1 拱頂下沉

各研究斷面拱頂沉降隨時間變化情況如圖4所示。

圖4 監(jiān)測斷面拱頂下沉隨時間變化曲線Fig. 4 Curves of vault subsidence of the monitoring section varying with time

由圖4可以看出，各斷面位移變形都經(jīng)歷基本類似的變化規(guī)律：在最初幾天變化較為劇烈，并且幅度也較大；隨后變形趨于緩慢穩(wěn)定，經(jīng)歷30 d左右的隧道拱頂變形基本趨于穩(wěn)定[7]。由圖4還可以得出，在特定支護(hù)條件下隧道圍巖等級越大拱頂位移變形也越大的結(jié)論。

3.2 隧道同一斷面水平位移收斂情況

DK29+103斷面和DK29+063斷面上臺階、中臺階、下臺階的水平位移收斂情況分別如圖5～6所示。DK28+943斷面上臺階、下臺階水平位移收斂情況如圖7所示。

圖5 DK29+103斷面水平收斂隨時間變化情況Fig. 5 DK29 + 103 section level convergence changing over time

圖6 DK29+063斷面水平收斂隨時間變化情況Fig. 6 DK29 + 063 section level convergence changing over time

圖7 DK28+943斷面水平收斂隨時間變化情況Fig. 7 DK28 + 943 section level convergence changing over time

從圖5和圖6可以看出，在同一斷面凈空位移收斂由大到小分別為上臺階、中臺階、下臺階。圖7說明斷面上臺階凈空位移收斂大于下臺階凈空位移收斂。各斷面在開挖上臺階最初幾天變形較為劇烈，隨后趨緩。在開挖下臺階時上臺階位移變形產(chǎn)生一個小突變，這說明利用臺階法（三臺階臨時仰拱法）開挖下臺階時會對上臺階位移產(chǎn)生一定影響，在施工時應(yīng)注意下部作業(yè)對上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，并及時做好預(yù)防措施。

4 結(jié)論

通過對乾山隧道出口段3個典型的斷面監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，可得如下結(jié)論：

1）乾山隧道斷面DK29+063、 DK29+103采用三臺階臨時仰拱法，斷面DK28+943采用臺階法的施工方法是適宜的，并且所采用的支護(hù)方式能夠有效控制圍巖變形，保證乾山隧道的順利開挖。

2）現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，勘查結(jié)果對乾山隧道圍巖等級的判別是可靠的，并以此為基礎(chǔ)采取的相應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)能滿足要求，是安全的。這可為該地區(qū)類似的工程建設(shè)提供參考。

3）乾山隧道位移監(jiān)控量測結(jié)果顯示，拱頂下沉和水平凈空收斂的總體變化趨勢是一致的。即在相應(yīng)的支護(hù)條件下隨著隧道的開挖，位移變形也在逐步增大，并且在最初10 d左右增加較快，隨后變形趨于緩和，在30 d左右變形基本達(dá)到穩(wěn)定，在圍巖較差時所需時間可能有所增加。三臺階臨時仰拱法開挖時變形由大到小依次為上臺階、中臺階和下臺階；下臺階開挖對上臺階位移變形有較明顯的影響。

4）三臺階臨時仰拱法主要應(yīng)用于軟弱圍巖隧道的修建，尤其在修建大斷面軟弱圍巖隧道時表現(xiàn)突出，既能保證施工的進(jìn)度，又能保證圍巖變形在可控的范圍內(nèi)。三臺階臨時仰拱法的重點是臨時仰拱的施工，支護(hù)結(jié)構(gòu)自上而下及時封閉，步步成環(huán)。臨時仰拱能有效阻止支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平收斂，減少隧道圍巖變形。

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（責(zé)任編輯：鄧光輝）

Impact Analysis of Bench Method in Construction on Tunnel Distortion

Wang Qinfu，Zhu Fangcai，Yu Jijiang，Wu Yongjie，Wang Ning，Wang Wei
（School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Introduced the construction method of Qianshan tunnel and the tunnel monitoring and measuring contents，and through the analysis of the monitoring results, concluded that the tunnel of different rock levels in the corresponding support conditions were basically identical in displacement deformation trends: the deformation in the initial 10 d increased rapidly and then slowed down, to around 30 d basically reached stable; the deformation of bench method from big to small is the upper stage, the middle stage and the lower stage, and the lower stage excavation has obvious impact on the upper stage deformation. Provides reference basis for reasonably confirming the time of secondary lining, and also provides reference for construction engineering under similar geological conditions.

benching lunnelling method；monitoring and measuring；tunnel construction method；displacement deformation

U456.3+1

A

1673-9833(2015)05-0010-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.05.003

2015-07-01

湖南省自然科學(xué)基金資助重點項目 （13JJ2033），湖南省研究生科研創(chuàng)新基金資助項目（CX2015B572）

王勤富（1990-），男，山西大同人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向為隧道的穩(wěn)定性，E-mail：278708552@qq.com