基于中條山隧道的臺階法幾何參數(shù)優(yōu)化分析

鄧 濤， 劉大剛, *， 蔡閩金， 趙思光， 何 偉

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 2. 中鐵隧道局集團有限公司勘察設(shè)計研究院， 廣東 廣州 511458)

基于中條山隧道的臺階法幾何參數(shù)優(yōu)化分析

鄧 濤1， 劉大剛1, *， 蔡閩金1， 趙思光1， 何 偉2

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 2. 中鐵隧道局集團有限公司勘察設(shè)計研究院， 廣東 廣州 511458)

為提高臺階法在軟巖條件下施工時的安全性，充分發(fā)揮其施工高效的固有優(yōu)勢，以中條山隧道為工程依托對該法施工時幾何參數(shù)的選取進行優(yōu)化分析。分析采取數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的方法，以初期支護結(jié)構(gòu)安全性、掌子面穩(wěn)定性以及施工便利性作為優(yōu)化選擇的依據(jù)。根據(jù)研究成果可知： 在軟巖條件下隧道采用臺階法施工時，上臺階長度控制在4～5 m時隧道初期支護結(jié)構(gòu)受力合理，施工機械操作便利； 上臺階高度取值為0.6H(H為隧道高度)時能較好地兼顧隧道的施工效率以及掌子面的穩(wěn)定性，但是在圍巖條件較差如Ⅴ級圍巖掌子面出水或淺埋情況下，其取值應(yīng)適當(dāng)提高但也不宜超過0.7H。

鐵路隧道； 軟巖； 臺階法； 臺階高度； 臺階長度； 掌子面穩(wěn)定性； 參數(shù)優(yōu)化

0 引言

軟巖具有巖性弱、強度低和自穩(wěn)能力差等特點，往往導(dǎo)致軟巖隧道施工期間洞周變形量大、掌子面穩(wěn)定性差。為能較好地控制軟巖隧道的變形，提高其穩(wěn)定性，軟巖隧道施工時需要快速及時的支護[1-3]。臺階法因工序簡單且機械化程度高，具有施工快速、支護及時的特點，但由于開挖斷面大，軟弱圍巖條件下該法對超前支護要求較高，因而在實際施工時往往被多臺階、多分部、短進尺以及架設(shè)各種臨時支撐的開挖方法所替代，如中側(cè)壁導(dǎo)坑、CD 或CRD 法等。然而這些施工方法工序復(fù)雜、施工速度緩慢，施工安全也不易保障[4]。在臺階法上，通過對其施工幾何參數(shù)優(yōu)化，達到提高其安全性并充分發(fā)揮施工高效的優(yōu)勢是極具現(xiàn)實意義的。張秀良[5]對蘭渝線鐵路隧道臺階法現(xiàn)場施工方式及出現(xiàn)變形總結(jié)出掌子面穩(wěn)定性與圍巖內(nèi)摩擦角、臺階高度、掌子面的垂直程度及超前支護有很大關(guān)系；鄒成路等[6]以人和隧道為工程依托，用數(shù)值模擬的方法對臺階法上臺階開挖高度進行了優(yōu)化，并通過對比得出施工中上臺階高度采用0.65H(H為隧道高度)時為最優(yōu)；宋曙光等[7]通過數(shù)值模擬分析鐵路隧道在極軟弱圍巖中采用不同臺階高度下的拱頂沉降、水平收斂以及掌子面擠出變形，揭示了臺階法施工過程中圍巖力學(xué)效應(yīng)的演化規(guī)律，并最終得出最優(yōu)臺階高度。

目前研究者已從控制結(jié)構(gòu)受力及隧道變形角度對臺階法施工幾何參數(shù)進行了優(yōu)化，特別是對臺階高度的優(yōu)化有了較為明確的研究，但是，臺階長度的優(yōu)化分析以及從施工便利、掌子面穩(wěn)定性角度出發(fā)的臺階高度優(yōu)化分析研究還比較欠缺。本文以中條山隧道為依托工程，綜合考慮初期支護結(jié)構(gòu)安全性、掌子面穩(wěn)定性以及施工便利性3方面因素對臺階法施工時的臺階長度以及臺階高度進行優(yōu)化分析，給出了結(jié)合實際圍巖條件的臺階參數(shù)選取建議。

1 工程概況

蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運通道重點工程MHSS-3標(biāo)段中條山隧道位于山西省運城市，線路穿越中條山山脈。隧道進口位于運城市鹽湖區(qū)解州鎮(zhèn)，設(shè)計為雙洞單線隧道。選取右線進口DK615+310～+360為依托，該段屬于F2中條山北麓大斷裂帶，圍巖以片麻巖為主，風(fēng)化面呈黃褐色，巖石風(fēng)化較嚴(yán)重，節(jié)理裂隙較發(fā)育，短小雜亂無序，圍巖破碎，整體性差，圍巖等級為Ⅴ級，埋深為40～70 m，地下水不發(fā)育，掌子面巖體干燥。

隧道高10.53 m，跨度為7.69 m，考慮隧道進口區(qū)段處于斷層地帶，圍巖破碎，隧道修建時采用特定HD(活動斷裂帶襯砌型式的簡稱)型襯砌斷面支護結(jié)構(gòu)。隧道初期支護參數(shù)見表1，隧道輪廓斷面如圖1所示。

表1 隧道初期支護參數(shù)

圖1 隧道輪廓斷面圖(單位： cm)

2 施工幾何參數(shù)力學(xué)響應(yīng)分析

2.1 計算模型建立

結(jié)合依托工程實際，利用FLAC3D建立三維數(shù)值分析模型：

1)模型X、Y、Z方向的尺寸為56.4 m×64 m×69.53 m，Y為隧道掘進方向；

2)圍巖采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，噴射混凝土采用Elastic各向同性彈性模型；

3)鋼拱架及鋼筋網(wǎng)通過剛度換算的方式轉(zhuǎn)換為混凝土施加至隧道初期支護；

4)錨桿支護通過提升錨固區(qū)域內(nèi)圍巖內(nèi)摩擦角與摩擦力的方式實現(xiàn)。

具體模型如圖2所示。

圖2 計算模型

2.2 計算參數(shù)確定

為確保計算所選取的物理力學(xué)參數(shù)以及錨固區(qū)加固程度能最大程度地接近工程實際，現(xiàn)利用反演分析法中的正反分析法來確定計算所需的圍巖物理力學(xué)參數(shù)。具體操作方法： 采用計算模型對現(xiàn)場施工進行模擬，結(jié)合鐵路設(shè)計規(guī)范Ⅴ級圍巖參數(shù)取值不斷調(diào)整其力學(xué)參數(shù)后使得計算所得變形結(jié)果與實測數(shù)據(jù)能較好地吻合，此時所選取的力學(xué)參數(shù)即可作為后續(xù)模型的計算參數(shù)。施工現(xiàn)場對DK615+310～+360里程段進行了較為詳細的隧道變形監(jiān)測，內(nèi)容包括洞周水平收斂及拱頂沉降。在對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行觀察分析后發(fā)現(xiàn)DK615+310、DK615+325和DK615+355斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)具有較強的代表性，故可取作典型斷面。V級圍巖計算參數(shù)以及通過反演分析得到的圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表2，該參數(shù)下計算所得拱頂沉降及最大水平收斂結(jié)果與實測對比分別如圖3和圖4所示。

表2 模型計算參數(shù)

圖3 拱頂沉降曲線對比

圖4 最大水平收斂曲線對比

2.3 施工及支護技術(shù)

中條山隧道進口段采用二臺階法施工。為使隧道初期支護及時封閉成環(huán)，盡早形成合理的受力結(jié)構(gòu)，同時達到縮短建設(shè)工期的目的，該區(qū)段隧道采用下臺階與仰拱一次開挖工法進行施工。具體施工及支護順序見表3。

2.4 臺階高度力學(xué)響應(yīng)分析

現(xiàn)選取上臺階高度為0.4H、0.5H、0.6H、0.7H(H為隧道高度)4種典型臺階高度進行隧道的開挖模擬，模擬過程中將拱頂沉降、最大水平收斂和初期支護結(jié)構(gòu)最大拉壓應(yīng)力進行監(jiān)測記錄。

表3 施工及支護順序

2.4.1 圍巖變形

開挖模擬過程中，監(jiān)測點不動，掌子面向前推進，每循環(huán)開挖結(jié)束將拱頂沉降及最大水平收斂記錄1次。掌子面推進過程中，拱頂沉降與最大水平收斂的累計結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

圖5 不同臺階高度下累計拱頂沉降

Fig. 5 Accumulated crown top settlement under different heights of bench

圖6 不同臺階高度下累計最大水平收斂

Fig. 6 Accumulated horizontal convergence under different heights of bench

由圖5和圖6可知: 當(dāng)上臺階高度從0.4H增加到0.6H的過程中，拱頂沉降與水平收斂一直在減小，特別是從0.4H增加到0.5H過程中，減小程度比較明顯，但是當(dāng)上臺階高度從0.6H增加到0.7H的過程中，變形量基本不再變化。另外，不難發(fā)現(xiàn)，上臺階高度越高，隧道的先行位移量越大，而過大的先行位移會使得掌子面后方圍巖松動，給開挖后的支護造成困難[7]?？偟膩碚f，增加上臺階高度能減小隧道的變形量，但也不是越高越好，控制在0.5H～0.7H較為合適。

2.4.2 結(jié)構(gòu)受力

通過分析計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，初期支護環(huán)上最大壓應(yīng)力產(chǎn)生在拱腰，而最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂。各臺階高度下初期支護結(jié)構(gòu)的最大拉壓應(yīng)力見表4。根據(jù)表4的統(tǒng)計結(jié)果，初期支護所受的最大拉應(yīng)力會隨上臺階高度的增加而減小，且當(dāng)臺階高度為0.4H時，最大拉應(yīng)力已經(jīng)超過了初期噴射混凝土的抗拉強度設(shè)計值1.3 MPa，而最大壓應(yīng)力與臺階高度的關(guān)系則并不明顯。因此，從初期支護結(jié)構(gòu)的受力安全角度出發(fā)，上臺階高度不宜小于0.5H。

表4不同臺階高度下最大拉壓應(yīng)力統(tǒng)計表

Table 4 Maximum tension and compression stresses under different heights of bench

MPa

2.5 臺階長度力學(xué)響應(yīng)分析

現(xiàn)選取臺階長度為3.2、4.8、6.4、9.6 m進行隧道的開挖模擬。

2.5.1 圍巖變形

各臺階長度下，隧道拱頂沉降及最大水平收斂的累計結(jié)果如圖7與圖8所示。由圖7與圖8可知： 隧道的變形會隨臺階長度的增加而增加，其中拱頂沉降的增加趨勢比水平收斂更加明顯。

2.5.2 結(jié)構(gòu)受力

各臺階長度下，初期支護結(jié)構(gòu)所受的最大拉壓應(yīng)力如表5所示。由表5可知： 隨著臺階長度增加，初期支護結(jié)構(gòu)所受最大壓應(yīng)力逐漸減小，而所受的最大拉應(yīng)力會隨臺階長度的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢。由于最大壓應(yīng)力與其抗壓強度設(shè)計值12.5 MPa之間還有較大的富余量，故選擇臺階長度時，應(yīng)以拉應(yīng)力作為控制基準(zhǔn)。利用線性插值知當(dāng)臺階長度大于7 m 時，最大拉應(yīng)力會超過1.3 MPa，因此將臺階長度控制在4.8～6.4 m時，對結(jié)構(gòu)受力是最有利的。

圖7 不同臺階長度下累計拱頂沉降

Fig. 7 Accumulated crown top settlement under different lengths of bench

圖8 不同臺階長度下累計最大水平收斂

Fig. 8 Accumulated horizontal convergence under different lengths of bench

表5不同臺階長度下最大拉壓應(yīng)力統(tǒng)計表

Table 5 Maximum tension and compression stresses under different lengths of bench MPa

3 考慮掌子面穩(wěn)定性的臺階高度優(yōu)化

隧道掌子面穩(wěn)定性受多方面因素影響： 機制層面上，隧道開挖之后原來處于擠壓狀態(tài)的圍巖由于解除了束縛而向隧道空間產(chǎn)生松脹變形，同時隧道周邊巖石應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)變形及應(yīng)力集中超過圍巖所能承受的范圍時，隧道便會產(chǎn)生穩(wěn)定性問題[8]； 客觀層面上，不合理的施工及支護參數(shù)也是引發(fā)掌子面穩(wěn)定性問題的關(guān)鍵因素[9]。由于影響掌子面穩(wěn)定性的因素眾多，目前并沒有關(guān)于隧道掌子面的失穩(wěn)模型被明確建立，業(yè)內(nèi)主要從變形量及變形速率[10]、掌子面彈塑性發(fā)展規(guī)律[11]以及結(jié)構(gòu)能量耗散角度對掌子面穩(wěn)定性進行定性描述，其中變形多指掌子面擠出變形，國內(nèi)外眾多規(guī)范也都選其作為施工時掌子面穩(wěn)定性的控制標(biāo)準(zhǔn)[12-14]。本文目的在于通過研究臺階高度對掌子面穩(wěn)定性的影響規(guī)律為施工確定最優(yōu)臺階高度，在分析時選取掌子面擠出變形對各臺階高度適應(yīng)性做出評判。

一般情況下，巖性較弱及富存地下水地段掌子面穩(wěn)定性問題比較嚴(yán)重。究其原因，在富存地下水條件下，圍巖被劣化，物理力學(xué)參數(shù)降低[15]。結(jié)合鐵路隧道設(shè)計規(guī)范采用修正圍巖級別的方式來反映地下水對圍巖的影響。Ⅳ、Ⅴ級圍巖在地下水影響下修正如表6所示。

結(jié)合表6來看，不論是由于自身圍巖等級較低還是由于地下水的劣化影響，巖性都是影響掌子面穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。因此，結(jié)合表6在Ⅴ、Ⅵ級圍巖級別內(nèi)各取2組圍巖參數(shù)形成4種圍巖條件(如表7所示)進行開挖模擬。在開挖過程中對上下臺階掌子面的最大擠出變形進行監(jiān)測，得出在不同圍巖條件及不同臺階高度下各臺階掌子面的最大擠出變形統(tǒng)計結(jié)果，如表8和表9所示。

表7各圍巖條件下的圍巖物理力學(xué)參數(shù)

Table 7 Physico-mechanical parameters of different surrounding rocks

圍巖級別計算參數(shù)重度/(kg/m3)彈性模晨E/GPa泊松比內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力/MPaⅤa19501.300.37270.15Ⅴb18001.000.40220.10Ⅵa17000.800.45200.08Ⅵb17000.600.45180.05

注： a、b分別表示圍巖級別參數(shù)區(qū)間的上下限范圍，下同。

表8 上臺階掌子面最大擠出變形統(tǒng)計

表9 下臺階掌子面最大擠出變形統(tǒng)計

根據(jù)表8和表9不難發(fā)現(xiàn)，隨著上臺階高度的增加，上臺階的掌子面最大擠出變形越來越大，而下臺階掌子面的最大擠出變形則越來越小，而且這種規(guī)律在越差的圍巖條件下越明顯。同時，當(dāng)上臺階高度小于0.6H時，各圍巖條件下上臺階的最大擠出變形小于下臺階，當(dāng)上臺階高度大于0.7H時，各圍巖條件下上臺階掌子面最大擠出變形大于下臺階。也就是說，2臺階的最大擠出變形會在上臺階高度為0.6H與0.7H之間產(chǎn)生平衡點。為找出該點位置，現(xiàn)將0.7H或0.6H對應(yīng)的下臺階最大擠出變形值，代入上臺階0.6H與0.7H最大擠出變形區(qū)間段進行線性插值近似計算，通過插值計算得出各圍巖條件下上下臺階最大擠出變形平衡點，如表10所示。

表10 2臺階掌子面最大擠出變形平衡點統(tǒng)計

Table 10 Heights of top heading for balanced extrusion deformation of two bench face in different surrounding rocks

ⅤaⅤbⅣaⅣb0.61H0.68H0.68H0.7H

由表10可知： 圍巖條件越差，上下臺階最大擠出變形平衡點對應(yīng)的上臺階高度越高。考慮到上臺階的約束條件是強于下臺階的，即使最大擠出變形相同，下臺階掌子面的穩(wěn)定性也會差于上臺階。因此，若要提高隧道掌子面的穩(wěn)定性，首先考慮的應(yīng)該是降低下臺階的最大擠出變形量，也就是說上臺階高度的取值應(yīng)滿足下臺階的掌子面最大擠出變形不小于上臺階的最大擠出變形。綜合前面的計算結(jié)果來看，在不同的圍巖條件下，將上臺階高度設(shè)置在上下臺階最大擠出變形平衡點附近對隧道掌子面的穩(wěn)定性是最有利的；但同時也應(yīng)考慮到這樣的選擇是偏安全的，僅在圍巖條件較差，如Ⅴ級圍巖掌子面出水或者其他巖性較差情況下效果可能明顯，而對于不是很差的圍巖條件，下臺階高度的選擇也可適當(dāng)放寬。

4 考慮施工便利性的幾何參數(shù)優(yōu)化

4.1 臺階長度優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗，采用臺階法施工時，在鉆爆階段需用挖掘機將約3 m長的臺架吊至上臺階，工人站在臺架上進行鉆孔打眼作業(yè)；在初期支護階段，挖機需將鋼拱架、鋼筋網(wǎng)等材料運送至上臺階，工人在臺架上進行鋼拱架安裝等初期支護作業(yè)。因此，上臺階應(yīng)該留夠安放臺架及堆放初期支護材料的空間而不宜過短，至少大于4 m；另一方面，在爆破之后的挖碴階段，挖掘機位于下臺階扒上臺階碴，若臺階過長，則挖機就位次數(shù)以及扒碴效率會受到很大的影響，考慮到挖機機械臂長度以及下臺階高度對機械臂伸展的影響，上臺階長度宜控制在5 m以內(nèi)。隧道內(nèi)作業(yè)空間示意如圖9所示。

圖9 隧道內(nèi)作業(yè)空間示意圖

4.2 臺階高度優(yōu)化

根據(jù)前面的研究結(jié)果，上臺階高度取大值(0.6H～0.7H)時，隧道的變形受力均是有利的，但是根據(jù)現(xiàn)場施工情況，上臺階的打眼作業(yè)需在臺架上進行，過高的臺架對于工人的操作以及挖機的吊裝都是不利的。同時，鉆孔打眼階段，上下臺階同步進行，根據(jù)短板效應(yīng)，均衡分配上下臺階的工作量能提高該階段的工作效率。根據(jù)中條山隧道的施工經(jīng)驗總結(jié)，結(jié)合隧道橫斷面上窄下寬的特點，將上臺階高度控制在0.55H～0.6H(中條山隧道采用0.55H)對施工工效以及工人的操作便利性提升效果明顯。隧道內(nèi)鉆孔作業(yè)示意如圖10所示。

圖10 隧道內(nèi)鉆孔作業(yè)示意圖

5 結(jié)論與討論

本文從初期支護結(jié)構(gòu)安全性、掌子面穩(wěn)定性和施工便利性3個角度出發(fā)，以上臺階長度與高度為主要研究對象對中條山軟巖隧道臺階法施工的臺階高度與長度的選擇進行了優(yōu)化分析。通過分析得到如下結(jié)論：

1)上臺階高度控制在0.5H～0.7H有利于隧道拱頂沉降及水平收斂的變形控制，結(jié)構(gòu)受力合理；

2)初期支護結(jié)構(gòu)所受最大拉應(yīng)力隨上臺階長度的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，即過短或過長的上臺階長度對結(jié)構(gòu)受力都是不利的，該隧道條件下將其控制在5 m左右時初期支護結(jié)構(gòu)受力安全合理；

3)上臺階高度在0.6H～0.7H合理選取時能使上下臺階最大擠出變形達到平衡，上臺階高度選取在平衡點附近對掌子面穩(wěn)定性有利；

4)上臺階長度控制在4～5 m、高度控制在0.55H～0.6H時隧道內(nèi)人員及機械操作便利，有利于施工效率提升。

綜合考慮以上幾點，施工時上臺階長度宜控制為4～5 m；而上臺階高度為能較好地兼顧掌子面的穩(wěn)定性以及施工的效率問題，宜取為0.6H，但在Ⅴ級圍巖掌子面出水或其他巖性更差的情況下，其取值應(yīng)適當(dāng)提高但也不宜大于0.7H。該研究結(jié)論是從施工安全及便利性等多角度出發(fā)得出，對類似工程在選用臺階法進行施工時具有借鑒意義。

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蒙華鐵路中條山隧道進口與1號斜井貫通

2017年11月12日5時10分，由中鐵隧道局集團有限公司承建的蒙華鐵路中條山隧道進口與1號斜井順利貫通。

中條山隧道進口與1號斜井是蒙華鐵路全線獨頭掘進最長的單洞單線隧道作業(yè)面。貫通前，中條山隧道進口的通風(fēng)距離為3.7 km，是單線隧道施工的通風(fēng)極限。貫通后，中條山隧道進口與1號斜井區(qū)間段連通距離達6.8 km，隧道里有了“穿堂風(fēng)”，將大大改善隧道內(nèi)的通風(fēng)條件和空氣質(zhì)量，為接下來的施工和管理帶來極大便利。

蒙華鐵路中條山隧道全長18.4 km，為高風(fēng)險隧道，是全線重點控制工程之一。隧道進口位于鹽湖區(qū)解州鎮(zhèn)，出口位于平陸縣常樂鎮(zhèn)。其中，蒙華鐵路MHSS-3標(biāo)一工區(qū)承擔(dān)的施工任務(wù)占隧道全長的44.5%，是施工難度、管理跨度最大的工區(qū)。自2015年3月進場以來，施工方不斷優(yōu)化施工方案，科學(xué)運用機械化配套施工，有效預(yù)防了隧道關(guān)門坍塌風(fēng)險，提高了施工質(zhì)量，先后有70多人次受到上級表彰。

(摘自 山西新聞網(wǎng) http://yc.sxgov.cn/content/2017-11/17/content_8428918.htm)

OptimizationAnalysisofGeometricParametersofBenchMethodUsedinZhongtiaoshanTunnel

DENG Tao1, LIU Dagang1,*, CAI Minjin1, ZHAO Siguang1, HE Wei2

(1.SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China; 2.DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroup,Guangzhou511458,Guangdong,China)

In order to guarantee the construction safety and high efficiency of bench method in soft rock, the geometric parameters of bench method used in Zhongtiaoshan Tunnel is optimized and analyzed. And then, the numerical simulation method and site monitoring method are adopted; and the safety of primary support structure, stability of tunnel face and construction convenience are taken as references for optimization work. The analytical results show that: 1) The stress on tunnel primary support structure is rational and the construction machinery operation is convenient when adopting bench method for soft rock tunnel and the top heading length is controlled within range of 4-5 m. 2) The tunnel construction efficiency and the tunnel face stability can be guaranteed when the top heading height is 0.6H(Hrefers to height of tunnel cross-section); the top heading height should be in the range of 0.6H-0.7Hwhen the tunnel is in bad surrounding rock (i.e. shallow bury or water inrush from Grade Ⅴ surrounding rock).

railway tunnel; soft rock; bench method; bench height; bench length; stability of tunnel face; parameter optimization

2017-05-09;

2017-07-20

中鐵隧道集團科技創(chuàng)新計劃(隧研合2015-01)

鄧濤 (1993—)，男，四川冕寧人，西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院在讀碩士，研究方向為隧道及地下工程。E-mail： 349928617@qq.com。*通信作者： 劉大剛, E-mail： 82384975@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.007

U 455.4

A

2096-4498(2017)12-1550-07