三台阶临时仰拱中柱工法在浅埋大跨隧道围岩施工中的应用及效果分析

时间：2024-07-28

范永慧

(中交远洲交通科技集团有限公司，河北石家庄 050051)

0 引言

近年来，随着交通基础设施的快速发展，隧道作为交通运输中的关键点，已经向长、大方向发展[1-5]。在浅埋大断面隧道修建过程中，选择合适的施工方法以确保工程的安全性和经济效益是当前一个重要研究方向。在隧道施工工法研究方面，国内许多学者对浅埋大跨度隧道开挖工法的创新、优化、数值模拟等进行了不断探索，并结合实际工程取得了许多研究成果。谭常喜[5]以昆楚高速勤丰三车道隧道为工程背景，针对Ⅴ级围岩段隧道开挖跨度大、形状扁坦及围岩稳定性差的特点，在对比分析了环形开挖预留核心土法、三台阶法、CD法和CRD法4种工法适应性的基础上，通过三维数值计算结果发现，采用三台阶施工能够保证隧道施工安全。党红章[6]在研究昆明岗头隧道大跨软弱围岩三台阶法施工技术后，指出大跨隧道围岩有一定自稳能力时可以尝试将传统的CRD法和双侧壁法优化成三台阶法施工。陈庆怀等[7]以吊沟岭隧道浅埋软弱围岩段隧道施工为背景，对比了CRD 工法、双侧壁导坑工法及三台阶临时仰拱工法的施工方法及其配套技术，科学地选择了三台阶临时仰拱法。邓洪亮等[8]以黄董坡隧道为例，表明在采取管棚或小导管注浆预加固支护措施后，三台阶临时仰拱的施工方法可有效控制浅埋大跨度隧道的收敛和沉降，减少地表沉降。综上可知，目前大跨度隧道施工工法涌现了很多新方法、新技术，但仍有提高空间。三台阶工法较CD法、CRD法和双侧壁导坑工法具有工序简单、施工速度快的特点，但对于大跨隧道，如何在应用中有效控制周边位移和拱顶沉降，仍有待进一步研究。

本文以省道S550马义公路峰峰段苍龙山隧道为工程背景，对浅埋大跨隧道施工技术进行研究。

1 工程概况

省道S550马义公路峰峰段设计为双向四车道一级公路，项目位于邯郸市西南部峰峰矿区，是矿区北部新城规划的北环路，也是矿区与周边县区连通的主要交通出入口，在峰峰矿区交通运输和经济发展中占据着重要地位。项目设苍龙山隧道1座，左洞820 m，右洞815 m，隧道横断面组成为：13.75(0.75+0.5+3.75×2+3.0+2.00)m，建筑限界高度为5.3 m，隧道左侧设检修道，右侧设人行道兼检修道，隧道最大开挖断面积达166 m2，开挖跨度17.5 m，属大跨度隧道。

隧址区位于太行山向华北冲洪积平原过渡部位的山岭重丘区地貌，大的地貌单元属于太行山山前丘陵地带，场区地形起伏较大，是由河流的侵蚀切割和冲积作用形成的阶地，多冲沟，冲沟呈U型。苍龙山隧道V级围岩的地层：进、出口段主要为灰岩及坡洪积碎石土含粉质黏土，岩体较破碎-破碎，岩质较差，属较坚硬岩，风化裂隙较发育，围岩自稳能力较差，易产生坍塌。尤其在出口段，受构造影响，岩体呈碎裂状，且覆盖层较厚。

由于苍龙山隧道开挖断面跨度大，Ⅴ级浅埋段围岩稳定性差，因此隧道断面设计为强支护。隧道采用小导管注浆超前支护，在拱部120°范围内布置，主要支护参数如图1所示。

图1 隧道浅埋段支护参数(单位：cm)

2 三台阶临时仰拱中柱工法

由于隧道开挖断面跨度大，断面形状相对更加扁坦，在相同围岩条件下，大跨度隧道与接近卵圆形的隧道其周边衬砌受力及变形特征具有较大差异[9-10]，主要表现为大跨度隧道拱顶沉降远大于断面水平收敛，从而对隧道围岩的稳定及支护结构的受力都会产生不利影响[2，11-12]。而采用三台阶开挖时，由于上台阶开挖后围岩应力快速释放，拱顶处围岩压力突增，拱顶竖向沉降位移也最大，诸多文献[2，7，13-15]对此均有阐述，因此采取合理的施工方法，控制上台阶施工过程中的围岩支护变形是有必要的。

三台阶临时仰拱中柱工法是在三台阶临时仰拱法基础上，在上台阶中部增设竖向临时工字钢支墩的改进工法。该工法既继承了三台阶临时仰拱法的优点，又弥补了其对拱顶竖向位移控制不足的缺限。

下文以苍龙山隧道V级围岩浅埋段三台阶临时仰拱中柱工法为例，做详细介绍。三台阶临时仰拱中柱法工序如图2～3所示。

图2 三台阶临时仰拱中柱工法施工工序横断面(单位：cm)

图3 三台阶临时仰拱中柱工法工序纵断面(单位：m)

2.1 临时支护参数

V级围岩浅埋段，上台阶设临时仰拱，采用I16工字钢架、22 cm厚喷射混凝土，上台阶中部设I16工字钢竖向临时支墩，并与临时仰拱工字钢闭合；中台阶设临时仰拱，采用I18工字钢+24cm厚喷射混凝土。

2.2 施工工艺流程

2.2.1第1步上台阶开挖支护

1)开挖上台阶①部。首先进行隧道超前支护，再进行上台阶开挖，如已安装竖向支撑，则将①部分成左右两个作业面进行开挖，可采用60型小型挖掘机开挖，局部开挖时人工配合，确保竖向临时支撑不被碰撞而发生变形、位移。

2)施作上台阶①部周边初期支护，即钢架、钢筋网片、锁脚导管、系统锚杆、喷射混凝土。钢架锁脚锚杆设置于台阶钢架拱脚处，紧贴钢架两侧边沿，按下倾角约25°打入，并用钢筋将导管与钢架牢固焊接，为保证拱脚基础牢固，防止拱顶下沉量过大，在拱脚位置用槽钢支垫。

3)上台阶①部底部架立临时仰拱，即I16临时钢拱架，喷22 cm早强混凝土封闭，中部设I16工字钢竖向临时支墩与临时仰拱工字钢焊接，形成闭合环。

2.2.2第2步中台阶开挖支护

1)滞后上台阶①部10 m左右距离，拆除①部2～3榀临时钢架，人工配合机械开挖中台阶②部，开挖进尺为2～3榀钢拱架间距。

2)中台阶②部周边初期支护。

3)中台阶②部底部设临时仰拱，即I18临时钢拱架，喷24 cm早强混凝土封闭，形成临时仰拱。

2.2.3第3步下台阶开挖支护

1)滞后中台阶②部10 m左右距离，拆除②部临时钢架，开挖下台阶③部和仰拱④部。

2)施作下台阶③部周边初期支护。

3)施作仰拱④部，使初期支护并封闭成环。

3 三台阶临时仰拱中柱工法支护效果分析

3.1 隧道模型建立及参数选取

采用Midas GTS NX有限元分析软件建立隧道模型，并进行施工过程模拟分析。模型水平向为X轴，竖直向为Y轴。依据圣维南原理，对于隧道开挖后的应力和应变，仅在隧道周围距洞室中心点3～5倍隧道开挖宽度的范围内存在影响，所以隧道有限元模型计算范围在水平方向取大于3倍隧道跨度，竖直方向自拱底向下取 3倍隧道高度，向上取至地表(埋深20 m)。有限元模型的边界除顶部为自由边界外，其他侧面与底面均为法向约束边界。初始应力场按自重应力场考虑。

围岩按均质弹塑性材料考虑，采用摩尔库伦屈服准则进行分析，支护结构按弹性材料考虑。采用梁单元模拟初期支护及临时仰拱支护；锚杆采用桁架单元模拟；围岩及二次衬砌采用平面应变单元；钢拱架采用按等效作用考虑，将钢架的弹性模量折算给喷射混凝土；小导管注浆超前支护结构在模拟计算中，其加固效果可视为在隧道围岩中形成一定厚度的环状加固圈，以提高围岩参数近似模拟。模型材料物理力学参数值见表1。

表1 模型材料物理力学参数材料弹性模量/GPa泊松比容重/(kN·m-3)黏聚力/(kN ·m-2)内摩擦角/(°)全风化围岩0.040.42172820强风化围岩0.080.38198035中风化围岩0.20.342215046小导管注浆加固区(100 cm厚)0.220.322.5--锚杆(ϕ 25)2100.277初期支护(28 cm厚)260.2523.1--临时仰拱(20 cm厚)25.70.2523二衬(60 cm厚)310.225

3.2 模拟施工步骤

在隧道埋深20.0 m，计算模型如图4所示。

图4 三台阶临时仰拱中柱法网格

模拟施工步骤：① 步骤1为超前导管注浆支护；② 步骤2为上台阶开挖+上台阶初支+上台阶临时仰拱+竖向支撑梁；③ 步骤3为中台阶开挖+中台阶初支+中台阶临时仰拱+拆除上台阶临时仰拱和竖向支撑梁；④ 步骤4为下台阶开挖+下台阶初支+拆除中台阶临时仰拱；⑤ 步骤5为隧道二衬施作。

各施工步骤竖向位移模拟结果如图5所示。

(a)步骤2竖向位移

(b)步骤3竖向位移

(c)步骤4竖向位移

(d)步骤5竖向位移图5 施工步骤竖向位移模拟结果(单位：m)

3.3 变形分析

隧道分部开挖后，围岩应力逐步释放，隧道横断面周边变形直接反映了隧道的稳定性，因而在研究隧道施工过程中的力学行为时，拱顶沉降及水平收敛曲线的变化规律为重要研究对象[2]。隧道施工过程中拱顶沉降、拱肩水平收敛和拱腰水平收敛变化曲线分布如图6所示。

庭前会议的处理方式是决定庭前会议是否具有实质意义的一项重要的因素。[1]刑诉法粗略地规定了庭前会议是“了解情况，听取意见”，并没有给予法官实质调查的权力，所以法官很难对庭前会议中提出的问题作出处理。比如回避问题、非法证据排除问题，如果法官没有实质调查权的话是很难作出正确判断的。法条规定的粗略使得人们对是否给予主持庭前会议的法官作出有关裁断的权力产生了争论。持否定观点的人认为这样会使庭前会议变成庭审的预演，架空了庭审程序的作用。持赞成观点的人则认为只有这些程序性的和准备性的问题得到提前的决断才能使庭审程序真正的做到只裁判实质性的法律问题和量刑问题。

图6 拱顶沉降、拱肩水平收敛和拱腰水平收敛变化曲线

从图6可以看出：隧道拱顶沉降显著大于水平收敛，因而对于浅埋软弱围岩大跨隧道，隧道开挖后必须及时进行强支护以控制围岩过度变形；拱顶沉降是施工过程现场变形监测的重点。

3.4 支护受力分析

隧道施工中初期支护和临时支护受力也为研究重点，图7为上台阶初支和临时支护轴力图，图8为中台阶初支和临时支护轴力图。从图7可知：初期支护结构整体受压，最大轴力为-1 173 kN，出现在拱脚处；上台阶临时仰拱两端受压，中间受拉，最大轴力为456.2 kN，出现在1/3处；竖向支撑受压，最大轴力为-2 064 kN。可见台阶拱脚处受力较大，而竖向支撑受力最大，对支护结构稳定起着显著作用。从图8可知：初期支护结构整体受压，最大轴力为-2 132 kN，在拱腰处；上台阶临时仰拱两端受压，中间受拉，最大轴力为-736 kN，出现在拱脚处。

图7 上台阶初支和临时支护轴力(单位：kN)

图8 中台阶初支和临时支护轴力(单位：kN)

计算还显示：当全部初期支护完成后，初期支护最大轴力为2 056 kN，出现在拱腰处；最大弯矩为240 kN·m，出现在拱脚处；当二次衬砌支护完成后，二衬结构水平和竖向综合最大主应力值Sxy出现在拱腰处，为9.37 kPa，竖向最大主应力值Syy出现在拱脚处，为18.4 kPa。经隧道支护结构验算，隧道支护结构是安全的。

3.5 监控量测与对比分析

施工监测必测项目包括洞内外观察、拱顶沉降、净空收敛和地表沉降。拱顶沉降、净空收敛布设在同一断面。洞内沿纵向约每10 m 布设1个监测断面，每个断面布设拱顶沉降观测点1个，沿上、中台阶开挖线布设净空收敛观测线 2 条；洞顶地表沉降点与洞内监测点处于同一横断面上，每个断面布设7个监测点，洞顶两侧间隔5.0 m 布设 1 个点，监测范围延伸至开挖影响范围以外。

隧道拱顶沉降变化曲线如图9所示。现场监测结果显示：拱顶沉降最大累计变形值为38.6mm，上、中台阶开挖线水平收敛最大累计变化值分别为4.7 mm和10.3 mm。以上表明拱顶沉降、水平收敛均处于稳定状态，初支及洞顶覆盖层未出现开裂、塌陷等情况，说明所采用的施工技术措施合理可行，方案安全可靠。

图9 隧道拱顶沉降变化曲线

此外，从围岩变形曲线来看，实际变形量大于数值模拟变形量，这主要是由数值模拟参数取值、模拟施工步骤未考虑时间因素及其他施工因素等造成的，但其位移变化路径基本相同，能够反应出围岩-支护的变形，表现出“增长-缓慢增长-趋于稳定”的变化规律。

隧道开挖初期，围岩应力突然释放引起周边围岩应力集中，使得围岩变形近似线性增长，临时仰拱和临时竖向支撑使台阶封闭成环，较好地改善初期支护结构与围岩的相互作用性能，有效减小围岩周边变形，保证隧道施工安全；初期支护闭合成环后，隧道整体稳定，围岩变形缓慢增长；二临施工完成后，围岩应力大部分释放，在围岩自承能力和复合式衬砌支护结构作用下，隧道围岩变形量趋于稳定。

4 施工方案对比分析

浅埋大跨度隧道多采用双侧壁导坑法、CD 法、 CRD 法和三台阶临时仰拱法等。文献[2，4]已从围岩变形、围岩应力、塑性状态、工法优缺点等方面对几种工法进行了详细分析，本节仅以上节建立的隧道模型为基础，对比分析三台阶临时仰拱中柱法、三台阶临时仰拱法及双侧壁导坑法的支护效果，并对这3种开挖方法(见图10)的优缺点进行对比分析。

图10 3种工法开挖示意

根据模拟结果，绘制拱顶点竖向位移曲线如图11所示。从图可知：①3种工法最终拱顶沉降值相当，由于双侧壁导坑法分块开挖步骤多，围岩应力释放次数多等因素，沉降值最小；②三台阶临时仰拱法在开挖上台阶岩体后，拱顶沉降迅速增长，之后围岩变形趋于减缓，表明围岩变形集中在上台阶开挖阶段，安全风险也集中在该阶段；③三台阶临时仰拱中柱法在三台阶临时仰拱法基础上增设临时竖向支撑，上台阶开挖后拱顶沉降值明显减小，表明临时竖向支撑对拱顶沉降约束效果显著，提高了施工安全性，直到开挖完毕且初期支护封闭成环，围岩变形趋于稳定。

图11 3种工法拱顶点竖向位移曲线

3种工法的优缺点比较见表2。

表2 工况类型优缺点对比工法三台阶临时仰拱中柱法三台阶临时仰拱法双侧壁导坑优点适用于软弱但有一定自稳能力的围岩;工序简单,利于大型机械施工;变换工法时工序转换快,施工速度快;初支闭合时间短;临时竖向支撑可有效控制拱顶沉降,且施作简单,可重复利用适用于软弱但有一定自稳能力的围岩;工序简单,利于大型机械施工;变换工法时工序转换快,施工速度快;初支闭合时间短浅埋软弱围岩均可采用;每部开挖步步成环,控制位移变形较好缺点围岩很差时需采取一定辅助措施控制变形;临时仰拱造成一定的材料浪费上台阶开挖拱顶沉降控制不足,围岩很差时需采取一定辅助措施控制变形;临时仰拱造成一定的材料浪费工序复杂;各部施工操作受空间限制,不利于大型机械同时作业; 初支闭合时间长;变换工法时工序转换复杂;导坑临时支护造成一定的材料浪费