超短台阶法在黄土隧道施工中的适用性分析

张永存，房辰泽

(河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山 467036)



超短台阶法在黄土隧道施工中的适用性分析

张永存，房辰泽

(河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山 467036)

以在建的国道309线固原过境段公路九龙山隧道为工程背景，对V级围岩采用长台阶法、短台阶法、超短台阶法三种方案比选。以洞内变形、初支喷层的最大主应力和最小主应力、施工难点作为控制条件，利用数值模拟进行分析。结果表明：采用超短台阶法可以明显减小支护结构中的主拉应力，避免初支喷层发生拉裂破坏，并且能够有效解决上下断面相距较近、机械设备较集中的问题。最终给出对本段隧道开挖方式的施工建议，并据此指导施工，实现本段隧道的顺利贯穿。

黄土隧道；数值模拟；方案比选；超短台阶法

由于隧道具有缩短线路、改善线形、节约土地、保护环境等优点，在我国交通等基础建设中应用广泛。近几十年来我国在各种工程中修建了数以千计的隧道工程，其中土质隧道占了很大的比重。近年来，随着我国西部大开发战略和《中长期铁路发展规划》的实施，我国东北、西部等黄土地区的土质隧道建设急剧增加，如在建铁路网规划“四纵四横”的郑西客运专线全线新建总长度76.703 km的38座隧道，其中52 km为黄土隧道。黄土隧道由于其介质的特殊性，在当前的隧道等地下工程设计和施工中，均将黄土隧道作为软弱岩体进行设计、施工，忽视了黄土隧道介质的特殊性，导致当前黄土隧道施工和运营灾害频发[1-3]。论文以在建的国道309线固原过境段公路九龙山隧道为工程背景，对V级围岩采用长台阶法、短台阶法、超短台阶法三种方案比选。以洞内变形、初支喷层的最大主应力和最小主应力、施工难点作为控制条件，利用数值模拟进行分析，最终给出对本段隧道开挖方式的施工建议,并据此指导施工，实现本段隧道的顺利贯穿。

1　工程概况

1.1工程简介

国道309线固原过境段公路第1合同九龙山隧道位于宁夏回族自治区固原市西南部，全长1 600 m，埋深在0～100 m。隧址区不良地质主要表现为：(1)在洞身中部黄土冲沟两侧形成的崩坡积体；(2)特殊性岩土为湿陷性黄土，黄土呈披挂式分布，最大厚度达45 m，其中湿陷性黄土层厚10 m左右，总湿陷量为227～469 mm，属自重II级中等湿陷。该隧道属典型自重湿陷性黄土隧道。

1.2工程地质及水文地质概况

拟建九龙山隧道位于固原市西南部，直线距离约3 km。九龙山隧道距离福银高速及省道S101线很近，有乡村公路相通，隧道顶部黄土塬有机耕道，交通条件相对较好。隧道建筑限界是根据《公路隧道设计规范》、《公路工程技术标准》，并结合公路等级、设计行车速度、车道数、路缘带、余宽、检修道宽度等确定的。隧道建筑限界净宽为11.00 m。隧道内轮廓以建筑限界为基础，考虑衬砌结构受力特性和工程造价，并结合以下几种因素拟定：满足规范要求的预留装饰厚度和富余空间；充分考虑通风、照明、消防、供配电、交通工程及排水等隧道运营设施的安装空间。

隧址区位于黄土塬、梁、峁工程地质分区，地形上两端低中间高，洞身段黄土梁顶地形平缓，中部发育有黄土冲沟，源头落水洞等黄土陷穴发育。经工程地质钻探揭露，隧址区地层主要由第四系统崩坡积物、第四系上更系统风积黄土、上更新统冲击粉质粘土、中更新统冲洪积粉质粘土、含粘土角砾和第三系渐新统清水营组泥岩组成。

隧道穿越三面环切的黄土梁，进口端为沙河河谷，出口端为马饮河河谷，隧道中部冲沟下游有小水库，水面标高1 770 m，地表水发育。根据水文地质条件分析和涌水量的预测，地下水对隧道洞身的稳定不会产生很大的影响。

2　隧道V级围岩段台阶法施工稳定性分析

2.1隧道长台阶施工稳定性分析

九龙山隧道K8+350～K8+435段围岩以粉质粘土为主，土质较均匀，见水平层纹，湿，硬塑。该段地下水不发育，以水滴渗水为主，围岩等级为V级。长台阶法开挖断面小，有利于维持开挖面的稳定，适用范围较全断面法广，一般使用I～V级围岩。在上下两个台阶上，分别进行开挖、支护、运输、通风、排水等作业线。长台阶一般要求台阶长度大于5倍开挖宽度[4-6]。

图1　隧道支护结构变形图

本隧道段选用台阶长度为57 m。通过有限元分析，得出以下结论：其中拱顶沉降平均值为0.002 79 m；最大拱顶沉降值0.003 59 m。拱底收敛平均值为0.003 52 m；最大拱底收敛值为0.004 17 m。其详细数值见图1和图2。隧道施工变形量全程均小于隧道极限位移，所以认为其收敛变形量满足相应要求。

初支喷层的最大主应力σ1的最大值出现在施工步31(上台阶开挖且初支完成，下台阶开挖至36 m初支设置至33 m)时，其中最大主应力为1.265 7 MPa，如图3(a)所示。本施工中使用C20喷射混凝土，其抗压极限强度为10.0 MPa远大于施工中出现的1.265 7 MPa，满足要求。在长台阶法施工中，初支喷层所受的最小主应力σ3，往往呈受拉方向，由于长台阶法施工不能及时闭合成环，并施作二衬，所以在长台阶法施工过程中，混凝土喷层极易出现拉裂破坏带，形成初支的拉裂破坏。图3(b)中σ3最小值为4.25 MPa，超过喷射混凝土抗拉强度1.0 MPa，不能满足要求。

长台阶法施工增加了支护封闭时间，同时也增加了通风排烟、排水的难度，降低了施工的综合效率[7-8]。在本施工例中，长台阶法施工由于其不能满足混凝土喷层的极限抗拉强度，而使得初支喷层产生拉裂破坏带，故不予使用。

图2　隧道不同开挖阶段变形图

(a)最大主应力

(b)最小主应力

2.2隧道短台阶施工稳定性分析

通过对长台阶法的分析发现，控制本施工例的主要因素是最小主应力的大小和分布情况。通过数值模拟分别对短台阶法2倍洞径(台阶长度为2倍洞径)、短台阶法1倍洞径(台阶长度为1倍洞径)两种方法进行分析，得出其最小主应力分布情况，如图4和图5所示。

图4　短台阶2倍洞径最小主应力

图5　短台阶1倍洞径最小主应力

从图4、图5中可以看出：这两种施工方法在隧道支护结构中所产生的最大主拉应力均为4.07 MPa，超过喷射混凝土抗拉强度1.0 MPa，会在初支喷层产生拉裂破坏带，不能满足要求。

2.3隧道超短台阶法施工稳定性分析

通过对短台阶法的分析发现，混凝土初支喷层拉裂破坏带的产生主要是因为隧道开挖后，未能及时支护闭合成环，并施作二衬，所以在本施工例中应选择超短台阶法。超短台阶法施工是全断面开挖的一种变异形式，适用于V～VI级围岩，一般台阶长度为3～5 m。台阶长度小于3 m时，无法正常进行钻眼和拱部的喷锚支护作业；台阶长度大于5 m时，利用爆破将石渣翻至下台阶有较大难度。由于超短台阶法上下台阶断面相距较近，机械设备集中，作业时相互干扰较大，生产效率低，施工速度慢。所以综合考虑，本设计提出6 m台阶的做法，尽力减少翻渣难度和施工干扰。运用数值模拟的方法对超短台阶法6 m、3 m分别进行分析，结果如图6和图7所示。对于超短台阶6 m开挖工法，其最终拱顶沉降的最大值为0.003 6 m，拱顶平均沉降值为0.002 8 m；最终拱底收敛最大值为0.004 1 m，拱底平均收敛值为0.003 5 m。对于超短台阶3 m开挖工法，其最终拱顶沉降的最大值为0.003 5 m，拱顶平均沉降值为0.002 7 m；最终拱底收敛最大值为0.004 0 m，拱底平均收敛值为0.003 4 m。因此，采用超短台阶3 m和超短台阶6 m工法进行施工，洞内最终变形量差异不大。且无论采用何种开挖手段，隧道施工变形量全程均小于隧道极限位移，所以认为其收敛变形量满足相应要求。

图6　超短台阶6m开挖洞内变形

图7　超短台阶3m开挖洞内变形

超短台阶6 m开挖工法初支喷层的最大主应力σ1的最大值出现在施工步9(上台阶开挖至30 m，初支设置至27 m；下台阶开挖至24 m，初支设置至21 m)时，其中最大主应力为1.49 MPa，如图8所示。

超短台阶3 m开挖工法初支喷层的最大主应力σ1的最大值出现在施工步8(上台阶开挖至24 m，初支设置至21 m；下台阶开挖至21 m，初支设置至18 m)时，其中最大主应力为1.43 MPa，如图9所示。

图8　超短台阶6m开挖最大主应力分布

图9　超短台阶3m开挖最大主应力分布

本施工中使用C20喷射混凝土，其抗压极限强度为10.0 MPa，远大于施工中初支上出现的最大主应力值，所以无论采用超短台阶3 m和超短台阶6 m工法均满足要求。

超短台阶3 m和超短台阶6 m工法的最小主应力分布如图10和图11所示，无论使用何种工法开挖，均将拉裂破坏控制在开挖段后方初支喷层的拱脚位置。所以基于最小主应力的考虑，无论是采用超短台阶6 m和超短台阶3 m工法在控制拉裂变形的问题上，比长台阶法和短台阶法效果更佳。基于超短台阶法的施工难点考虑，台阶法6 m开挖施工更好的解决了上下断面相距较近，机械设备集中的问题，从根本上缓解了施工作业中的相互干扰，加快了生产效率和施工速度。

基于前面的数值分析结果，建议采用超短台阶6 m工法对该段隧道进行开挖，开挖前应对前方土体进行相应加固，如施作C30小导管进行超前加固。开挖过程中应就初支拱底位置进行特殊处理，例如在拱脚处施作锁脚锚杆或预应力锚杆，并适当的加厚拱脚处喷层的厚度[9-10]，与此同时应加快支护成环速度并及时施作二衬，实现该段隧道的成功贯穿。

图10　超短台阶6m开挖最小主应力分布

图11　超短台阶3m开挖最小主应力分布

3　结论

本文通过数值模拟的方法，对国道309线固原过境段公路K8+350～K8+435段施工方案进行比选，结果表明长台阶法和短台阶法均会在初支喷层中产生严重拉裂破坏带，而超短台阶法可以将拉裂破坏控制在开挖段后方初支喷层的拱脚位置，在控制拉裂变形方面效果显著。基于超短台阶法的施工难点的考虑，台阶法6m开挖施工更好的解决了上下断面相距较近，机械设备集中的问题，从根本上缓解了施工作业中的相互干扰，加快了生产效率和施工速度，最终决定采用超短台阶6m开挖工法。

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Applicability of ultrashort step method in loess tunnel construction

ZHANG Yong-cun，FANG Chen-ze

(School of Civil and Transportation Engineering,Henan University of Urban Construction,Pingdingshan 467036,China)

Jiulongshan highway tunnel on Guyuan transit section of 309 National Road under construction is taken as the engineering background of the thesis.The scheme comparison of long step method,short step method and ultrashort step method are conducted for the V grade wall rock.The cave deformation,the maximum principal stress and minimum principal stress of the initial support sprayed layer,and construction difficulties are taken as control conditions.The results of numerical simulation analysis show that the use of ultrashort step method can significantly reduce the main tensile stress of the supporting structure,thus avoiding tensile failure of the initial support sprayed layer.Finally,construction recommendations are given for the excavation of the section of the tunnel,which is used to guide the construction in order to achieve a smooth throughout of this section of the tunnel.

loess tunnel;numerical simulation;scheme comparison;ultrashort step method

2016-01-20

河南城建学院校基金(X2015071)

张永存(1979—)，男，河南舞钢人，博士，讲师。

1674-7046(2016)04-0040-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.04.008

U451.4

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