高速铁路大断面隧道浅埋段多台阶开挖法施工技术优化研究

姜长清

(中铁十九局集团第七工程有限公司，广东珠海 519020)

国家“十二五”计划以来，高速铁路大量修建，2013年在广西壮族自治区开通的高速铁路里程达到1 000 km以上。南宁到钦州北段的花甲山隧道是一座大断面、技术标准高的重点隧道，位于广西南面的十万大山地区，地质条件复杂，尤其在软弱围岩浅埋段，施工难度很大，安全风险高。本文探讨如何低风险、高效率地修建大跨度大断面浅埋隧道，通过优化已有施工工法，总结施工经验，在保证施工安全和质量的前提下，提高工效，节约成本[1]。

1 工程概况

花甲山隧道全长6 984 m，起止里程DK48+772—DK55+756，设计为双块式无砟轨道。该隧道共有DK49+250—DK49+290，DK49+560—DK49+590，DK49+730—DK49+800，DK55+210—DK55+270 4个浅埋段，洞顶为弱风化岩层，设计为Ⅴ级围岩，覆土厚度约为5～20 m，地表为沟谷地貌，低洼处为水田。

选取 DK49+730—DK49+800典型地段，采用FLAC3D建模计算，对开挖工序的应力、变形监测分析后，提出优化围岩受力控制围岩变形，充分发挥围岩的自身承载能力同时减少不同开挖步骤之间的相互扰动，并适当地修正了三台阶七步开挖法。使得该开挖方法的工序转换次数变少，有效保证掌子面的稳定。

2 浅埋暗挖段施工方案

2.1 正洞浅埋段开挖方法

对花甲山隧道三台阶七步开挖法建模分析，得出了隧道围岩及支护的位移、应力的变化情况，分析隧道开挖的稳定性，并根据计算结果优化了具体施工方案。

三台阶七步开挖法横断面如图1所示。

图1 浅埋段三台阶七步开挖法横断面

根据技术指南和施工经验确定上台阶开挖高度控制在3.0～3.5 m(可根据掌子面土层高度调整上台阶开挖高度)，核心土长度控制在3～5 m，上台阶长度控制在5～10 m。在施工上台阶的同时，中台阶一侧可紧跟上台阶开挖，距上台阶3～5 m，上台阶进尺约10 m后，中台阶另一侧再进行开挖，当中台阶与上台阶成环进尺约10～15 m后，即可进行下台阶一侧开挖，进尺5～10 m后，可开挖下台阶另一侧及仰拱，最后隧底与下台阶完全结合封闭成环，形成整体[2-3]。建模过程中，对上台阶高度和三台阶长度进行优化，以得出理想的施工参数。

2.2 三台阶七步开挖法建模及结果分析

根据花甲山地质勘探报告以及铁路设计规范所要求的相应围岩地质条件下的围岩参数取值，围岩及注浆加固圈均采用Morh-Coulomb理想弹塑性模型模拟;开挖单元采用Null Model模型模拟，岩体支护材料参数取值如表1所示。严格按照设计的尺寸建模，模型左右采用4倍洞径，底部采用3.5倍洞径，上部覆土按浅埋高度取16 m。开挖方法的模拟根据三台阶七步施工方法，断面开挖分为7个施工步骤，开挖进尺为0.6 m，各台阶之间开挖不同步。以上台阶开挖高度为3.8 m建模，其他参数依次调整，计算模型及开挖过程如图2所示。

表1 实体单元力学参数

图2 隧道模型及开挖过程

2.2.1 围岩应力结果分析

这里只对第一轮开挖和开挖完成后两个关键工序进行主应力分析。随着隧道开挖以及加固等施工工序的进行，围岩应力场相应发生了显著变化。图3～图6为不同开挖状态下的主应力云图。在隧道开挖后，围岩应力的分布基本相似，呈对称分布，主应力在隧道周围变化较大，远离隧道变化较小。

图3 第一轮开挖完成后的最大主应力云图(单位:Pa)

从最大主应力等值线图来看，隧道周围围岩中基本以压应力出现，与开挖完成后及时进行支护有很大关系，围岩最大主应力场变化明显，尤其是在各转角部位，但均处于安全受力范围。

图4 第一轮开挖完成后的最小主应力云图(单位:Pa)

图5 开挖完成后的最大主应力云图(单位:Pa)

图6 开挖完成后的最小主应力云图(单位:Pa)

从最小主应力场等值线图来看，其分布特征与最大主应力基本相似，即在隧道周围变化较大，远离隧道变化较小，且在隧道下部拱脚处容易出现应力集中现象，该处为围岩受力薄弱部位。

2.2.2 围岩位移特征分析

下面重点分析围岩竖向和水平位移变化。随着隧道的开挖和加固，引起隧道各处产生不同程度的扰动，从而引起隧道位移场的变化。通过分析围岩位移变化情况可以判断围岩稳定性。

图7 第一步围岩竖向位移云图(单位:m)

图8 第一步围岩水平位移云图(单位:m)

图7和图8为第一步开挖完成后，隧道洞周围岩竖向和水平位移变化情况。隧道竖向位移从上台阶掌子面向后发展，掌子面处拱顶沉降值为6.88 mm，二衬施作处拱顶沉降值为27.6 mm，拱底隆起变形略小，为23.5 mm。受到开挖步和隧道顶部注浆圈加固的影响，最大水平变形量出现在拱腰至起拱线位置，水平位移值类似于竖向位移，其最大水平位移值为27.8 mm。

图9和图10为开挖完成后，隧道洞周围岩竖向和水平位移变化情况。拱顶最终最大沉降值为31.2 mm，拱底隆起最大变形量为25.0 mm。

图9 第七步围岩竖向位移云图(单位:m)

图10 第七步围岩水平位移云图(单位:m)

3 基于数值模拟结果的施工方案优化

3.1 利用数值模拟结果修正三台阶七步开挖法参数

结合已有的设计资料，并依据数值模拟中所归纳的围岩施工力学特性，修正了花甲山隧道三台阶七步开挖法参数。Ⅴ级浅埋段围岩掌子面稳定性较差，上台阶开挖高度控制在3.6～3.8 m，上台阶面的开挖长度控制在3～5 m，每个断面循环进尺控制在0.5～0.6 m。为尽量减轻开挖对围岩的扰动，采用机械开挖或弱爆破，爆破时严格控制炮眼深度及装药量。

3.2 数值模拟结果与现场量测数据的对比分析

图11为现场实测与数值模拟拱顶沉降曲线对比情况。可以看出，数值模拟出的隧道拱顶位移与现场实测结果基本一致。表现在随着开挖步的进行，监测断面的拱顶位移量变化趋势一致，随着隧道的开挖位移逐渐趋于收敛，数值模拟最终的位移量为31.2 mm，现场监测最终的变形量为36.6 mm，拱顶沉降的最终数值计算结果略小于监测值。这与计算视材料为连续介质、采用弹塑性本构模型等假设有关。

图11 现场实测与数值模拟拱顶沉降曲线对比

根据《铁路隧道监控量测技术规程》(TB 10121—2007)，当拱顶下沉、水平收敛速率达5 mm/d或位移累计达100 mm时，应暂停掘进，并及时分析原因，采取处理措施。在花甲山隧道施工监测时Ⅴ级围岩地段拱顶沉降基本在25～40 mm，小于监测规范规定的允许值。在DK49+730—DK49+800段，第一步开挖加大了上台阶开挖高度，围岩受力、位移以及位移速率变化不大，数值均在安全范围之内，说明隧道采用优化的施工方案是可行的。

4 结论

加大上台阶开挖高度至3.8 m后，拱顶最终最大沉降值为31.2 mm，水平位移值为28.6 mm，变形速率及累计变形值均处于规范允许值范围，表明在适当范围加大上台阶开挖高度是可行的。

花甲山隧道Ⅴ级浅埋围岩地段，将上台阶开挖高度控制在3.6～3.8 m，优化了施工工序，加快了施工进度，明显提高了工效，节约成本近200万元，取得较好的经济效益。

数值模拟结果与实测数据基本吻合，结果可靠，进一步印证了隧道信息化施工的科学性，可为类似工程提供借鉴。

[1]龚成术.浅谈大断面黄土隧道三台阶七步开挖法[J].铁道建筑技术，2009(6):71-74.

[2]唐朝松.大管棚超前支护环形开挖预留核心土三台阶隧道施工方法[J].铁道建筑，2009(9):46-49.

[3]马显红.杉树坳隧道台阶法开挖初期支护变形规律分析[J].铁道建筑，2012(1):44-47.