淺覆新黃土隧道微臺階法修建技術

楊世武， 皮 圣， 蘇 輝， 馬兆飛

(蒙西華中鐵路股份有限公司， 北京 100073)

淺覆新黃土隧道微臺階法修建技術

楊世武， 皮 圣*， 蘇 輝， 馬兆飛

(蒙西華中鐵路股份有限公司， 北京 100073)

淺覆新黃土隧道洞口地段一般采用CD法、CRD法等分部開挖法施工，存在臨時支護拆除量大、大型施工機械設備不便開展作業(yè)、施工工效較低等問題。依托蒙華鐵路黃土隧道工程，提出以微臺階開挖、濕噴機械手快速支護、仰拱快速封閉成環(huán)為核心的快挖快支快成環(huán)微臺階法修建技術，并以蒙華鐵路張裕2#隧道為例，采用數(shù)值模擬方法對采用微臺階法時隧道初期支護變形、圍巖塑性區(qū)、初期支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及安全系數(shù)等進行分析，驗證該方法的合理性。對蒙華鐵路全線新黃土隧道施工的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)、資源投入和施工進度等進行分析，結(jié)果表明： 大跨度淺覆新黃土隧道采用微臺階法施工，初期支護變形收斂小，便于大型機械作業(yè)，綜合施工進度達到45～67.5 m/月，能極大地提高施工工效，節(jié)約工程造價。

蒙華鐵路； 淺覆新黃土隧道； 微臺階法； 仰拱封閉成環(huán)； 修建技術

0 引言

自20世紀80年代修建鐵路雙線黃土隧道以來，黃土隧道施工工法得到了蓬勃發(fā)展，形成了三臺階法(含三臺階七步開挖法、三臺階大拱腳臨時仰拱法)、CD法、CRD法和雙側(cè)壁導坑法等成熟工法[1-5]。程選生等[6]基于圍巖位移控制對超大斷面(跨度14 m)黃土隧道工法進行研究，認為CRD法優(yōu)于CD法等其他工法； 劉赪[7]對鄭西高鐵黃土隧道進行研究，結(jié)果表明在新黃土地段、洞口淺埋段宜采用CRD法或雙側(cè)壁導坑法，提倡仰拱距離掌子面距離應不大于20～30 m，但采用大型開挖機械時，存在臨時橫撐架設不及時和斷面封閉過遲的現(xiàn)象； 楊建民[8]基于對初期支護及臨時支護安全系數(shù)的分析，認為大斷面黃土隧道采用三臺階法、CRD法或雙側(cè)壁導坑法開挖均能保證施工安全，提倡長大黃土隧道采用三臺階七步開挖法； 李波等[9]對大斷面黃土隧道中的CRD法、雙側(cè)壁導坑法、CD法、留核心土臺階法及雙層支護臺階法等5種試驗工法開展研究，認為臺階法的適用范圍可擴大至Ⅴ級新黃土圍巖； 李國良等[10]在高橋隧道中采用臺階法雙層支護代替雙側(cè)壁法、CRD法等復雜工法成功下穿南同蒲鐵路； 李國良[11-12]在秦東、潼洛川、高橋等隧道的砂質(zhì)新黃土和老黃土段開展三臺階七步開挖法試驗，結(jié)果表明仰拱封閉距掌子面距離宜控制在1.5～2.5倍洞跨(超淺埋新黃土封閉距離小于1.0倍洞跨，初期支護采用雙層支護)，封閉時間控制在10～20 d，二次襯砌距初期支護仰拱不宜過長，控制在30～40 m。現(xiàn)有研究表明，在一般地質(zhì)條件下的大斷面黃土隧道修建中，三臺階法逐步成為主導，而在淺埋、淺埋偏壓的新黃土洞口地段仍推崇CD法、CRD法或雙側(cè)壁導坑法等分部開挖法。本文以蒙華鐵路黃土隧道工程實踐為依托，對現(xiàn)有淺埋、淺埋偏壓、富水飽和等新黃土地段采用微臺階法修建技術進行研究。

1 工程概況

蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運通道工程(簡稱為“蒙華鐵路”)全線共有63座黃土隧道，共計146 km。黃土隧道開挖面積為114.12～135.54 m2，開挖跨度為12.37～13.81 m。淺覆地段洞身穿越地層主要為砂質(zhì)新黃土和黏質(zhì)新黃土： 砂質(zhì)新黃土，稍密—中密，稍濕，呈松散結(jié)構(gòu)； 黏質(zhì)新黃土，硬塑—堅硬，呈松散結(jié)構(gòu)。

2 淺覆新黃土隧道微臺階法技術

淺埋偏壓、富水飽和新黃土地段土質(zhì)結(jié)構(gòu)比較松散，垂直節(jié)理發(fā)育，遇水極易軟化，圍巖變形釋放快且具有突然性，稍有不慎，易造成隧道拱頂及掌子面坍塌。為實現(xiàn)淺覆新黃土地質(zhì)條件下隧道大斷面機械開挖，必須做到快挖快支，保證初期支護噴射混凝土的早期強度，確保初期支護早封閉成環(huán)。

蒙華鐵路淺覆新黃土隧道采用以快挖快支快成環(huán)為核心的微臺階法施工，具體施工技術參數(shù)見表1。該工法具有以下特點： 1)采用微臺階，臺階長度為3～5 m，上臺階預留核心土，預留核心土處左右同步開挖，一般不設置臨時仰拱； 2)強調(diào)“兩緊跟”(初期支護格柵鋼架緊貼掌子面，初期支護仰拱及時封閉成環(huán)緊跟下臺階)措施，初期支護噴射混凝土采用高效的濕噴機械手作業(yè)； 3)初期支護仰拱快速封閉成環(huán)，初期支護仰拱封閉成環(huán)距掌子面距離一般為1～1.5倍洞跨(特殊地段按不大于2倍洞跨控制)，仰拱初期支護封閉后及時回填洞渣，以實現(xiàn)連續(xù)施工； 4)后期二次掏底長度一次不小于24 m，二次襯砌仰拱及填充層一次澆筑長度為9～12 m； 5)取消二次襯砌步距限制，初期支護變形基本穩(wěn)定后，二次襯砌施工根據(jù)施工組織安排確定。

表1 淺覆新黃土隧道微臺階法技術參數(shù)

3 淺覆新黃土隧道微臺階法數(shù)值分析

蒙華鐵路全線需穿越淺埋、淺埋偏壓、富水飽和等新黃土地段累計約39.6 km，均采用微臺階法施工。本文以張裕2#隧道工程為例，闡述微臺階法在淺覆新黃土隧道施工中的合理性及優(yōu)越性。

3.1 張裕2#隧道工程簡介

圖1 Vb土支護結(jié)構(gòu)圖(單位： m)

Fig. 1 Sketch of support structure for Grade Vb土loess tunnel (unit: m)

現(xiàn)場開挖及支護流程如下： 1)上臺階預留核心土開挖(核心土長3.6 m)，臺階長4.8 m，循環(huán)進尺為0.6 m，格柵鋼架緊貼掌子面，拱頂120°范圍打設超前小導管，鋼架基腳每處打設2根φ42 mm、壁厚3.5 mm、長4 m的鎖腳錨管； 2)中臺階長4.8 m，循環(huán)進尺為0.6 m，格柵鋼架緊貼上臺階，鋼架基腳處打設鎖腳錨管； 3)下臺階長4.8 m，循環(huán)進尺為0.6 m，格柵鋼架緊貼中臺階，鋼架基腳處打設鎖腳錨管； 4)仰拱基底開挖，初期支護鋼架封閉成環(huán)緊跟下臺階； 5)噴射初期支護混凝土后及時回填洞渣，確保下一道工序能夠及時有序開展。仰拱初期支護封閉成環(huán)距掌子面距離為14.4 m，初期支護仰拱封閉成環(huán)時間約6～8 d。

3.2 數(shù)值模型建立

采用FLAC3D有限差分軟件進行數(shù)值分析，隧道尺寸、洞身覆土均按現(xiàn)場實際情況模擬。為消除應力邊界影響，左、右及下邊界取約3倍隧道開挖洞跨，上邊界取為自由面，模型尺寸為90 m×60 m×65 m(長×寬×高)。建立的三維仿真模型見圖2，隧道開挖支護各工序空間位置見圖3。

圖2 三維數(shù)值模型圖

圖3 隧道開挖步距示意圖

采用Mohr-Coulomb模型，初期支護噴射混凝土采用shell單元模擬，格柵鋼架采用等效方法給予考慮[13]，通過適當提高相應區(qū)域砂質(zhì)新黃土參數(shù)模擬拱頂120°范圍內(nèi)超前φ42 mm小導管加固作用。根據(jù)地勘參數(shù)及相關文獻[14-15]確定材料的力學參數(shù)，見表2。

表2黃土及支護結(jié)構(gòu)參數(shù)

Table 2 Physico-mechanical parameters of loess and support structure

材料名稱 彈性模量/GPa密度/(kg/m3)泊松比黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)砂質(zhì)新黃土0.0516500.352525黏質(zhì)新黃土0.0818000.305030小導管加固區(qū)0.118000.304030初期支護(含拱架)24.7724000.20

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1 位移結(jié)果分析

提取隧道DK638+890斷面處各開挖工序下初期支護結(jié)構(gòu)豎向位移，見圖4。不計上臺階弧形開挖階段引起初期支護拱頂豎向變形值3.5 mm(上臺階初期支護噴混凝土后再布設測點)，提取各開挖工序下拱頂初期支護豎向變形值與現(xiàn)場實際量測數(shù)據(jù)，見圖5。初期支護拱頂變形量測值與實測值大致吻合，說明模型參數(shù)取值基本合理。

(a) 上臺階弧形開挖

(b) 下臺階開挖

(c) 仰拱封閉成環(huán)

(d) 封閉成環(huán)距測點1倍洞跨

Fig. 4 Vertical deformation nephograms of primary support under different construction steps (unit: m)

圖5 初期支護拱頂豎向變形實測值與模擬值

Fig. 5 Curves of measured values and simulated values of vertical deformation of crown of primary support

結(jié)合圖4和圖5分析可知： 初期支護仰拱未封閉成環(huán)前，初期支護拱頂豎向變形量隨著臺階開挖不斷增大，且變形速率也不斷增大，開挖至下臺階時初期支護拱頂豎向變形值為9.7 mm； 初期支護仰拱封閉成環(huán)后，初期支護拱頂豎向變形值增大至15.3 mm，約占累計變形值(20.2 mm)的75.7%，初期支護拱頂變形速率有所減小。在初期支護仰拱封閉成環(huán)段距測點距離增大至1倍洞跨時，初期支護拱頂豎向變形值僅增加3.7 mm，其值為19.0 mm； 初期支護仰拱封閉成環(huán)段距測點距離繼續(xù)增大至2倍洞跨時，初期支護拱頂豎向變形值基本無變化，其峰值為20.2 mm。從初期支護拱頂變形發(fā)展趨勢來看，初期支護仰拱及時封閉成環(huán)能有效減緩隧道初期支護變形速率，確保隧道周圈擾動圍巖及早趨于穩(wěn)定。

3.3.2 圍巖塑性區(qū)分析

在采用微臺階法修建技術條件下，隧道外輪廓周邊新黃土剪切、拉伸破壞區(qū)域分布情況見圖6。

(a) 縱向分布

(b) 徑向分布

Fig. 6 Distributions of plastic zones of new loess tunnel surrounding rock

隧道外輪廓區(qū)域新黃土剪切、拉伸破壞區(qū)沿掌子面縱向呈拱頂及隧底較小而中臺階前方區(qū)域較大分布。具體表現(xiàn)為： 上臺階掌子面前方塑性區(qū)縱向長度為1.8～3.6 m，中臺階掌子面前方塑性區(qū)縱向長度最大約3.6 m(不含中臺階長度)，下臺階掌子面前方塑性區(qū)縱向長度為2.5～3.0 m。可知隧道掌子面前方最大塑性區(qū)范圍控制在1倍開挖臺階長度，說明采用該開挖方法隧道掌子面穩(wěn)定性總體較好。

新黃土剪切、拉伸破壞區(qū)沿隧道外輪廓呈拱頂及隧底塑性區(qū)徑向范圍較小，而自隧道拱腰往邊墻直至拱腳處新黃土塑性區(qū)徑向范圍不斷增大分布。具體表現(xiàn)為： 隧道拱頂上方新黃土塑性區(qū)徑向長度為0.6～1.0 m，隧底下方新黃土塑性區(qū)徑向長度為1.2 m； 隧道左、右拱腰處新黃土塑性區(qū)徑向長度約1.5 m，隧道邊墻中部及拱腳處新黃土塑性區(qū)范圍達到峰值，最大徑向長度約5 m。采用在隧道拱頂上方施作超前小導管加固、初期支護仰拱早封閉成環(huán)并及時回填洞渣措施，有效減小了新黃土塑性區(qū)的進一步發(fā)展。

3.3.3 初期支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及安全系數(shù)分析

3.3.3.1 初期支護內(nèi)力分析

以隧道DK638+890斷面為例，提取各分部開挖及初期支護仰拱封閉成環(huán)距分析斷面不同位置處初期支護拱頂、上中臺階連接部位、中下臺階連接部位、拱腳及仰拱中心處初期支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力(初期支護軸力以受壓為正，受拉為負； 彎矩以初期支護臨空面受拉為正，受壓為負)，見表3。由表3可知： 隨著中、下臺階的開挖直至初期支護仰拱封閉成環(huán)，各特征部位初期支護結(jié)構(gòu)受力不斷增大，尤其是初期支護拱頂和中下臺階連接部位受力增加明顯； 初期支護剛封閉成環(huán)至初期支護封閉成環(huán)段距分析斷面距離為1倍洞跨時，各特征部位初期支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力持續(xù)增大，其中初期支護拱頂軸力由1 481 kN增大至2 628 kN，增幅約為77.4%；當初期支護封閉成環(huán)段距分析斷面距離增大至1.5倍洞跨時，各特征部位初期支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力增加幅度較小，初期支護拱頂處軸力值增幅僅為9.67%；當初期支護封閉成環(huán)段距分析斷面距離增大至2倍洞跨時，各特征部位初期支護結(jié)構(gòu)受力基本穩(wěn)定?？傮w上看，隧道初期支護結(jié)構(gòu)受力以小偏心受壓為主，拱部初期支護因最先承擔外部圍巖壓力而承受較大的軸力，隧道兩側(cè)拱腳處初期支護承受較大的內(nèi)力，其彎矩達到峰值。

表3 不同步序下各特征部位初期支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力值

3.3.3.2 安全系數(shù)分析

為進一步分析微臺階法施工時淺覆新黃土隧道初期支護結(jié)構(gòu)的安全性，采用安全系數(shù)對初期支護結(jié)構(gòu)安全性進行評價，安全系數(shù)參照TB 10003—2016《鐵路隧道設計規(guī)范》[15]中鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件計算方法進行計算。

KM≤Rwbx(h0-x/2)+RgAg′(h0-a′)。

式中：K為安全系數(shù)；M為彎矩；Rw為混凝土彎曲抗壓極限強度；b為截面寬度；x為混凝土受壓區(qū)高度；h0為截面的有效高度；Rg為鋼筋的抗拉或抗壓計算強度；Ag′為受壓區(qū)鋼筋截面面積；a′為鋼筋中心至截面最近邊緣的距離。

計算初期支護封閉成環(huán)段距分析斷面分別為1倍洞跨、2倍洞跨時各特征部位的初期支護結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，見表4。由表4可知： 隧道初期支護結(jié)構(gòu)拱頂及上中臺階連接部位安全系數(shù)較小，而中下臺階連接部位及仰拱中心處初期支護結(jié)構(gòu)安全系數(shù)有較大的富余量； 初期支護封閉成環(huán)距分析斷面由1倍洞跨增大至2倍洞跨時，初期支護結(jié)構(gòu)安全系數(shù)有小幅度的減小，拱頂處初期支護結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)仍大于1.0，說明淺覆新黃土隧道采用微臺階法修建技術能保證隧道施工安全。

表4各特征部位初期支護結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

Table 4 Safety factors of primary support at different feature points

距分析斷面位置拱頂上中臺階連接部位中下臺階連接部位拱腳仰拱中心1倍洞跨2.303.955.852.9013.802倍洞跨2.093.566.032.537.91

4 淺覆新黃土隧道微臺階法應用效果

4.1 現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)

蒙華鐵路全線隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)統(tǒng)一納入信息管理平臺，并納入施工工序管理。自2015年3月開工至2016年5月，全線63座黃土隧道已全部開工，黃土隧道開挖長度累計超過80 km。統(tǒng)計全線5 954個(其中Ⅴa土斷面2 090個，Ⅴb土斷面3 864個)初期支護變形已穩(wěn)定的監(jiān)測斷面量測數(shù)據(jù)，見表5?？芍?采用微臺階法施工能有效控制隧道初期支護變形，保證淺埋、淺埋偏壓段新黃土隧道采用大斷面機械開挖的施工安全。

表5 Ⅴ級新黃土隧道初期支護監(jiān)控量測數(shù)據(jù)統(tǒng)計值

Table 5 Statistics of monitoring data of primary support of Grade V new loess tunnel

mm

注： 已剔除個別異常點數(shù)據(jù)。

4.2 資源投入

調(diào)研蒙華鐵路現(xiàn)場4個施工工點主要機械配置及勞動力組織情況，見表6。淺埋、淺埋偏壓新黃土段采用微臺階法開挖代替?zhèn)鹘y(tǒng)CD法等復雜工法，能充分發(fā)揮大型機械的高施工工效，減少人工投入數(shù)量，降低工人勞動強度，避免分部小斷面開挖作業(yè)條件下的各施工工序間的干擾。

表6 現(xiàn)場施工工點主要機械配置及勞動力組織

4.3 施工進度

淺埋、淺埋偏壓新黃土段隧道每循環(huán)開挖進尺為0.6 m或0.75 m，調(diào)研統(tǒng)計現(xiàn)場4個施工工點，各工序施工時間及綜合施工進度見表7。由表可知： 采用微臺階法代替?zhèn)鹘y(tǒng)CD法等復雜開挖工法，極大地提高了施工工效，現(xiàn)場綜合施工進度能達到45～67.5 m/月，遠高于原設計CD法30 m/月的施工進度指標，同時減少了大量臨時支護等廢棄工程量，節(jié)約了工程造價，綜合效益顯著。

表7 各施工工序時間

5 結(jié)論與建議

1)在淺埋、淺埋偏壓等大跨度新黃土隧道施工中，通過微臺階開挖(臺階長度控制在3～5 m)、兩緊跟措施、初期支護早封閉成環(huán)(封閉時間控制在6～8 d)，能有效控制隧道初期支護變形(初期支護拱頂沉降平均值約13.9～23.0 mm，水平收斂平均值約8.9～10.9 mm)。

2)采用微臺階法代替?zhèn)鹘y(tǒng)三臺階臨時仰拱法、CD法等工法能實現(xiàn)大斷面機械快速開挖、濕噴機械手施作初期支護混凝土快速封閉圍巖，現(xiàn)場綜合施工進度達到45～67.5 m/月，較CD法30 m/月的施工進度指標提高50%～125%。

3)通過改進工藝、工裝，實現(xiàn)大斷面機械開挖代替小斷面分部開挖，提升了隧道施工機械化程度。本文探討了基于大跨度(12～14 m)黃土隧道的微臺階法修建技術，建議下一步對該修建技術在特大跨度(14 m以上)黃土隧道中的應用進行研究。

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ConstructionTechnologyofMicroBenchMethodforShallow-coveredNewLoessTunnel

YANG Shiwu, PI Sheng*, SU Hui, MA Zhaofei

(Mengxi-HuazhongRailwayCo.,Ltd.,Beijing100073,China)

The partial excavation methods, i.e. CD method and CRD method, are usually adopted in portal section construction of shallow-covered new loess tunnel. But many problems, i.e. large amount of temporary support dismantling, unusable large construction machinery and low working efficiency, restrict the tunnel construction. The micro bench method, takes the micro bench excavation, rapid primary support by wet jet manipulator and rapid inverted arch ring closure as the cores, is proposed by taking loess tunnels on Menghua Railway for examples. And then the tunnel primary support deformation, plastic zone of surrounding rock and internal forces and safety coefficient of primary support structure of Zhangyu #2 Tunnel are analyzed by numerical simulation method, so as to verify the rationality of micro bench method. Finally, the deformation monitoring data, resource investment and construction schedule of loess tunnels on Menghua Railway are analyzed. The analytical results show that by adopting the micro bench method, the primary support deformation is small, the footage of 45-67.5 meter per month is achieved; large-scale construction machinery is available; the construction efficiency is improved greatly; and the construction cost is reduced.

Menghua Railway; shallow-covered new loess tunnel; micro bench method; inverted arch ring closure; construction technology

2017-07-12;

2017-11-17

楊世武(1965—)，男，河南信陽人，1988年畢業(yè)于同濟大學，鐵道工程專業(yè)，本科，教授級高級工程師，主要從事鐵路工程建設技術管理工作。E-mail： 150106972@qq.com。*通信作者： 皮圣， E-mail： 1078206964@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.010

U 455.4

B

2096-4498(2017)12-1571-07