浅覆新黄土隧道微台阶法修建技术

杨世武， 皮 圣， 苏 辉， 马兆飞

(蒙西华中铁路股份有限公司， 北京 100073)

浅覆新黄土隧道微台阶法修建技术

杨世武， 皮 圣*， 苏 辉， 马兆飞

(蒙西华中铁路股份有限公司， 北京 100073)

浅覆新黄土隧道洞口地段一般采用CD法、CRD法等分部开挖法施工，存在临时支护拆除量大、大型施工机械设备不便开展作业、施工工效较低等问题。依托蒙华铁路黄土隧道工程，提出以微台阶开挖、湿喷机械手快速支护、仰拱快速封闭成环为核心的快挖快支快成环微台阶法修建技术，并以蒙华铁路张裕2#隧道为例，采用数值模拟方法对采用微台阶法时隧道初期支护变形、围岩塑性区、初期支护结构内力及安全系数等进行分析，验证该方法的合理性。对蒙华铁路全线新黄土隧道施工的监控量测数据、资源投入和施工进度等进行分析，结果表明： 大跨度浅覆新黄土隧道采用微台阶法施工，初期支护变形收敛小，便于大型机械作业，综合施工进度达到45～67.5 m/月，能极大地提高施工工效，节约工程造价。

蒙华铁路； 浅覆新黄土隧道； 微台阶法； 仰拱封闭成环； 修建技术

0 引言

自20世纪80年代修建铁路双线黄土隧道以来，黄土隧道施工工法得到了蓬勃发展，形成了三台阶法(含三台阶七步开挖法、三台阶大拱脚临时仰拱法)、CD法、CRD法和双侧壁导坑法等成熟工法[1-5]。程选生等[6]基于围岩位移控制对超大断面(跨度14 m)黄土隧道工法进行研究，认为CRD法优于CD法等其他工法； 刘赪[7]对郑西高铁黄土隧道进行研究，结果表明在新黄土地段、洞口浅埋段宜采用CRD法或双侧壁导坑法，提倡仰拱距离掌子面距离应不大于20～30 m，但采用大型开挖机械时，存在临时横撑架设不及时和断面封闭过迟的现象； 杨建民[8]基于对初期支护及临时支护安全系数的分析，认为大断面黄土隧道采用三台阶法、CRD法或双侧壁导坑法开挖均能保证施工安全，提倡长大黄土隧道采用三台阶七步开挖法； 李波等[9]对大断面黄土隧道中的CRD法、双侧壁导坑法、CD法、留核心土台阶法及双层支护台阶法等5种试验工法开展研究，认为台阶法的适用范围可扩大至Ⅴ级新黄土围岩； 李国良等[10]在高桥隧道中采用台阶法双层支护代替双侧壁法、CRD法等复杂工法成功下穿南同蒲铁路； 李国良[11-12]在秦东、潼洛川、高桥等隧道的砂质新黄土和老黄土段开展三台阶七步开挖法试验，结果表明仰拱封闭距掌子面距离宜控制在1.5～2.5倍洞跨(超浅埋新黄土封闭距离小于1.0倍洞跨，初期支护采用双层支护)，封闭时间控制在10～20 d，二次衬砌距初期支护仰拱不宜过长，控制在30～40 m。现有研究表明，在一般地质条件下的大断面黄土隧道修建中，三台阶法逐步成为主导，而在浅埋、浅埋偏压的新黄土洞口地段仍推崇CD法、CRD法或双侧壁导坑法等分部开挖法。本文以蒙华铁路黄土隧道工程实践为依托，对现有浅埋、浅埋偏压、富水饱和等新黄土地段采用微台阶法修建技术进行研究。

1 工程概况

蒙西至华中地区铁路煤运通道工程(简称为“蒙华铁路”)全线共有63座黄土隧道，共计146 km。黄土隧道开挖面积为114.12～135.54 m2，开挖跨度为12.37～13.81 m。浅覆地段洞身穿越地层主要为砂质新黄土和黏质新黄土： 砂质新黄土，稍密—中密，稍湿，呈松散结构； 黏质新黄土，硬塑—坚硬，呈松散结构。

2 浅覆新黄土隧道微台阶法技术

浅埋偏压、富水饱和新黄土地段土质结构比较松散，垂直节理发育，遇水极易软化，围岩变形释放快且具有突然性，稍有不慎，易造成隧道拱顶及掌子面坍塌。为实现浅覆新黄土地质条件下隧道大断面机械开挖，必须做到快挖快支，保证初期支护喷射混凝土的早期强度，确保初期支护早封闭成环。

蒙华铁路浅覆新黄土隧道采用以快挖快支快成环为核心的微台阶法施工，具体施工技术参数见表1。该工法具有以下特点： 1)采用微台阶，台阶长度为3～5 m，上台阶预留核心土，预留核心土处左右同步开挖，一般不设置临时仰拱； 2)强调“两紧跟”(初期支护格栅钢架紧贴掌子面，初期支护仰拱及时封闭成环紧跟下台阶)措施，初期支护喷射混凝土采用高效的湿喷机械手作业； 3)初期支护仰拱快速封闭成环，初期支护仰拱封闭成环距掌子面距离一般为1～1.5倍洞跨(特殊地段按不大于2倍洞跨控制)，仰拱初期支护封闭后及时回填洞渣，以实现连续施工； 4)后期二次掏底长度一次不小于24 m，二次衬砌仰拱及填充层一次浇筑长度为9～12 m； 5)取消二次衬砌步距限制，初期支护变形基本稳定后，二次衬砌施工根据施工组织安排确定。

表1 浅覆新黄土隧道微台阶法技术参数

3 浅覆新黄土隧道微台阶法数值分析

蒙华铁路全线需穿越浅埋、浅埋偏压、富水饱和等新黄土地段累计约39.6 km，均采用微台阶法施工。本文以张裕2#隧道工程为例，阐述微台阶法在浅覆新黄土隧道施工中的合理性及优越性。

3.1 张裕2#隧道工程简介

图1 Vb土支护结构图(单位： m)

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

现场开挖及支护流程如下： 1)上台阶预留核心土开挖(核心土长3.6 m)，台阶长4.8 m，循环进尺为0.6 m，格栅钢架紧贴掌子面，拱顶120°范围打设超前小导管，钢架基脚每处打设2根φ42 mm、壁厚3.5 mm、长4 m的锁脚锚管； 2)中台阶长4.8 m，循环进尺为0.6 m，格栅钢架紧贴上台阶，钢架基脚处打设锁脚锚管； 3)下台阶长4.8 m，循环进尺为0.6 m，格栅钢架紧贴中台阶，钢架基脚处打设锁脚锚管； 4)仰拱基底开挖，初期支护钢架封闭成环紧跟下台阶； 5)喷射初期支护混凝土后及时回填洞渣，确保下一道工序能够及时有序开展。仰拱初期支护封闭成环距掌子面距离为14.4 m，初期支护仰拱封闭成环时间约6～8 d。

3.2 数值模型建立

采用FLAC3D有限差分软件进行数值分析，隧道尺寸、洞身覆土均按现场实际情况模拟。为消除应力边界影响，左、右及下边界取约3倍隧道开挖洞跨，上边界取为自由面，模型尺寸为90 m×60 m×65 m(长×宽×高)。建立的三维仿真模型见图2，隧道开挖支护各工序空间位置见图3。

图2 三维数值模型图

图3 隧道开挖步距示意图

采用Mohr-Coulomb模型，初期支护喷射混凝土采用shell单元模拟，格栅钢架采用等效方法给予考虑[13]，通过适当提高相应区域砂质新黄土参数模拟拱顶120°范围内超前φ42 mm小导管加固作用。根据地勘参数及相关文献[14-15]确定材料的力学参数，见表2。

表2黄土及支护结构参数

Table 2 Physico-mechanical parameters of loess and support structure

材料名称 弹性模量/GPa密度/(kg/m3)泊松比黏聚力/kPa内摩擦角/(°)砂质新黄土0.0516500.352525黏质新黄土0.0818000.305030小导管加固区0.118000.304030初期支护(含拱架)24.7724000.20

3.3 数值模拟结果分析

3.3.1 位移结果分析

提取隧道DK638+890断面处各开挖工序下初期支护结构竖向位移，见图4。不计上台阶弧形开挖阶段引起初期支护拱顶竖向变形值3.5 mm(上台阶初期支护喷混凝土后再布设测点)，提取各开挖工序下拱顶初期支护竖向变形值与现场实际量测数据，见图5。初期支护拱顶变形量测值与实测值大致吻合，说明模型参数取值基本合理。

(a) 上台阶弧形开挖

(b) 下台阶开挖

(c) 仰拱封闭成环

(d) 封闭成环距测点1倍洞跨

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

图5 初期支护拱顶竖向变形实测值与模拟值

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

结合图4和图5分析可知： 初期支护仰拱未封闭成环前，初期支护拱顶竖向变形量随着台阶开挖不断增大，且变形速率也不断增大，开挖至下台阶时初期支护拱顶竖向变形值为9.7 mm； 初期支护仰拱封闭成环后，初期支护拱顶竖向变形值增大至15.3 mm，约占累计变形值(20.2 mm)的75.7%，初期支护拱顶变形速率有所减小。在初期支护仰拱封闭成环段距测点距离增大至1倍洞跨时，初期支护拱顶竖向变形值仅增加3.7 mm，其值为19.0 mm； 初期支护仰拱封闭成环段距测点距离继续增大至2倍洞跨时，初期支护拱顶竖向变形值基本无变化，其峰值为20.2 mm。从初期支护拱顶变形发展趋势来看，初期支护仰拱及时封闭成环能有效减缓隧道初期支护变形速率，确保隧道周圈扰动围岩及早趋于稳定。

3.3.2 围岩塑性区分析

在采用微台阶法修建技术条件下，隧道外轮廓周边新黄土剪切、拉伸破坏区域分布情况见图6。

(a) 纵向分布

(b) 径向分布

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

隧道外轮廓区域新黄土剪切、拉伸破坏区沿掌子面纵向呈拱顶及隧底较小而中台阶前方区域较大分布。具体表现为： 上台阶掌子面前方塑性区纵向长度为1.8～3.6 m，中台阶掌子面前方塑性区纵向长度最大约3.6 m(不含中台阶长度)，下台阶掌子面前方塑性区纵向长度为2.5～3.0 m。可知隧道掌子面前方最大塑性区范围控制在1倍开挖台阶长度，说明采用该开挖方法隧道掌子面稳定性总体较好。

新黄土剪切、拉伸破坏区沿隧道外轮廓呈拱顶及隧底塑性区径向范围较小，而自隧道拱腰往边墙直至拱脚处新黄土塑性区径向范围不断增大分布。具体表现为： 隧道拱顶上方新黄土塑性区径向长度为0.6～1.0 m，隧底下方新黄土塑性区径向长度为1.2 m； 隧道左、右拱腰处新黄土塑性区径向长度约1.5 m，隧道边墙中部及拱脚处新黄土塑性区范围达到峰值，最大径向长度约5 m。采用在隧道拱顶上方施作超前小导管加固、初期支护仰拱早封闭成环并及时回填洞渣措施，有效减小了新黄土塑性区的进一步发展。

3.3.3 初期支护结构内力及安全系数分析

3.3.3.1 初期支护内力分析

以隧道DK638+890断面为例，提取各分部开挖及初期支护仰拱封闭成环距分析断面不同位置处初期支护拱顶、上中台阶连接部位、中下台阶连接部位、拱脚及仰拱中心处初期支护结构内力(初期支护轴力以受压为正，受拉为负； 弯矩以初期支护临空面受拉为正，受压为负)，见表3。由表3可知： 随着中、下台阶的开挖直至初期支护仰拱封闭成环，各特征部位初期支护结构受力不断增大，尤其是初期支护拱顶和中下台阶连接部位受力增加明显； 初期支护刚封闭成环至初期支护封闭成环段距分析断面距离为1倍洞跨时，各特征部位初期支护结构内力持续增大，其中初期支护拱顶轴力由1 481 kN增大至2 628 kN，增幅约为77.4%；当初期支护封闭成环段距分析断面距离增大至1.5倍洞跨时，各特征部位初期支护结构内力增加幅度较小，初期支护拱顶处轴力值增幅仅为9.67%；当初期支护封闭成环段距分析断面距离增大至2倍洞跨时，各特征部位初期支护结构受力基本稳定。总体上看，隧道初期支护结构受力以小偏心受压为主，拱部初期支护因最先承担外部围岩压力而承受较大的轴力，隧道两侧拱脚处初期支护承受较大的内力，其弯矩达到峰值。

表3 不同步序下各特征部位初期支护结构内力值

3.3.3.2 安全系数分析

为进一步分析微台阶法施工时浅覆新黄土隧道初期支护结构的安全性，采用安全系数对初期支护结构安全性进行评价，安全系数参照TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》[15]中钢筋混凝土压弯构件计算方法进行计算。

KM≤Rwbx(h0-x/2)+RgAg′(h0-a′)。

式中：K为安全系数；M为弯矩；Rw为混凝土弯曲抗压极限强度；b为截面宽度；x为混凝土受压区高度；h0为截面的有效高度；Rg为钢筋的抗拉或抗压计算强度；Ag′为受压区钢筋截面面积；a′为钢筋中心至截面最近边缘的距离。

计算初期支护封闭成环段距分析断面分别为1倍洞跨、2倍洞跨时各特征部位的初期支护结构安全系数，见表4。由表4可知： 隧道初期支护结构拱顶及上中台阶连接部位安全系数较小，而中下台阶连接部位及仰拱中心处初期支护结构安全系数有较大的富余量； 初期支护封闭成环距分析断面由1倍洞跨增大至2倍洞跨时，初期支护结构安全系数有小幅度的减小，拱顶处初期支护结构最小安全系数仍大于1.0，说明浅覆新黄土隧道采用微台阶法修建技术能保证隧道施工安全。

表4各特征部位初期支护结构安全系数

Table 4 Safety factors of primary support at different feature points

距分析断面位置拱顶上中台阶连接部位中下台阶连接部位拱脚仰拱中心1倍洞跨2.303.955.852.9013.802倍洞跨2.093.566.032.537.91

4 浅覆新黄土隧道微台阶法应用效果

4.1 现场监控量测数据

蒙华铁路全线隧道监控量测数据统一纳入信息管理平台，并纳入施工工序管理。自2015年3月开工至2016年5月，全线63座黄土隧道已全部开工，黄土隧道开挖长度累计超过80 km。统计全线5 954个(其中Ⅴa土断面2 090个，Ⅴb土断面3 864个)初期支护变形已稳定的监测断面量测数据，见表5。可知： 采用微台阶法施工能有效控制隧道初期支护变形，保证浅埋、浅埋偏压段新黄土隧道采用大断面机械开挖的施工安全。

表5 Ⅴ级新黄土隧道初期支护监控量测数据统计值

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

mm

注： 已剔除个别异常点数据。

4.2 资源投入

调研蒙华铁路现场4个施工工点主要机械配置及劳动力组织情况，见表6。浅埋、浅埋偏压新黄土段采用微台阶法开挖代替传统CD法等复杂工法，能充分发挥大型机械的高施工工效，减少人工投入数量，降低工人劳动强度，避免分部小断面开挖作业条件下的各施工工序间的干扰。

表6 现场施工工点主要机械配置及劳动力组织

4.3 施工进度

浅埋、浅埋偏压新黄土段隧道每循环开挖进尺为0.6 m或0.75 m，调研统计现场4个施工工点，各工序施工时间及综合施工进度见表7。由表可知： 采用微台阶法代替传统CD法等复杂开挖工法，极大地提高了施工工效，现场综合施工进度能达到45～67.5 m/月，远高于原设计CD法30 m/月的施工进度指标，同时减少了大量临时支护等废弃工程量，节约了工程造价，综合效益显著。

表7 各施工工序时间

5 结论与建议

1)在浅埋、浅埋偏压等大跨度新黄土隧道施工中，通过微台阶开挖(台阶长度控制在3～5 m)、两紧跟措施、初期支护早封闭成环(封闭时间控制在6～8 d)，能有效控制隧道初期支护变形(初期支护拱顶沉降平均值约13.9～23.0 mm，水平收敛平均值约8.9～10.9 mm)。

2)采用微台阶法代替传统三台阶临时仰拱法、CD法等工法能实现大断面机械快速开挖、湿喷机械手施作初期支护混凝土快速封闭围岩，现场综合施工进度达到45～67.5 m/月，较CD法30 m/月的施工进度指标提高50%～125%。

3)通过改进工艺、工装，实现大断面机械开挖代替小断面分部开挖，提升了隧道施工机械化程度。本文探讨了基于大跨度(12～14 m)黄土隧道的微台阶法修建技术，建议下一步对该修建技术在特大跨度(14 m以上)黄土隧道中的应用进行研究。

[1] 蔡炜. 潼洛川黄土隧道施工方法的对比分析[D]. 北京： 北京交通大学, 2008.

CAI Wei. Contrastive analysis of construction methods for Tongluochuan Loess Tunnel[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2008.

[2] 王拓新. 大跨度黄土隧道施工方法研究[D]. 西安: 长安大学, 2012.

WANG Tuoxin. Study of construction methods in large-span loess tunnel[D]. Xi′an: Chang′an University, 2012.

[3] 张俊. 黄土隧道施工方法探讨[J]. 隧道建设, 2007, 27(增刊)： 525.

ZHANG Jun. Study of construction methods of tunnels embedded in the loess [J]. Tunnel Construction, 2007, 27(S): 525.

[4] 石磊, 侯小军, 武进广. 大断面黄土隧道施工工法研究[J]. 隧道建设, 2012, 32(增刊1)： 8.

SHI Lei, HOU Xiaojun, WU Jinguang. Analysis of the construction methods for loess tunnel with large cross-section [J]. Tunnel Construction, 2012, 32(S1): 8.

[5] 张英才, 胡国伟, 辛振省. 大断面黄土隧道开挖工法对比分析与选择[J]. 铁道工程学报, 2010(3)： 87.

ZHANG Yingcai, HU Guowei, XIN Zhenxing. Comparative analysis and selection of construction methods for large section loess tunnel [J]. Journal of Railway Engineering Society, 2010(3): 87.

[6] 程选生, 王建华. 基于围岩位移控制的超大断面黄土隧道施工方法研究[J]. 岩土工程学报, 2013(增刊1)： 82.

CHENG Xuansheng, WANG Jianhua. Construction methods for loess tunnels with super-large cross-section based on displacement control of surrounding rock [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013(S1): 82.

[7] 刘赪. 郑西客运专线大断面黄土隧道施工方法研究[J]. 现代隧道技术, 2007(6)： 10.

LIU Cheng. Research on the construction methods for large cross-section loess tunnels on Zhengxi high speed passenger-dedicated line [J]. Modern Tunnelling Technology, 2007(6): 10.

[8] 杨建民. 大断面黄土隧道施工方法分析[J]. 铁道工程学报, 2015(10)： 86.

YANG Jianmin. Analysis of large cross section loess tunnel construction method [J]. Journal of Railway Engineering Society, 2015(10): 86.

[9] 李波, 宋冶, 师亚龙, 等. 大断面黄土隧道不同试验工法下的力学特性及变形特征研究[J]. 隧道建设, 2015， 35(6)： 508.

LI Bo, SONG Ye, SHI Yalong, et al. Study of mechanical and deformation characteristics of large cross-section loess tunnels constructed by different methods[J]. Tunnel Construction, 2015, 35(6): 508.

[10] 李国良, 宋冶, 李雷, 等. 大断面黄土隧道台阶法双层支护技术[J]. 中国工程科学, 2014(8)： 54.

LI Guoliang, SONG Ye, LI Lei, et al. Double-layer support technology of large-section loess tunnel by benching method [J]. Engineering Science, 2014(8): 54.

[11] 李国良. 高速铁路大断面黄土隧道台阶法修建技术[J]. 现代隧道技术, 2016(5)： 6.

LI Guoliang. Construction techniques for large-section loess tunnels of high-speed railways by bench method[J]. Modern Tunnelling Technology, 2016(5): 6.

[12] 李国良. 大跨黄土隧道设计与安全施工对策[J]. 现代隧道技术, 2008(1)： 53.

LI Guoliang. Design and safety construction measures for large-span loess tunnels[J]. Modern Tunnelling Technology, 2008(1): 53.

[13] 黄龙湘, 杨元洪, 贺威, 等. 浅埋大跨度隧道施工方法的比选与应用[J]. 公路工程, 2011, 36(5)： 25.

HUANG Longxiang, YANG Yuanhong, HE Wei, et al. Comparative analysis and application of the construction method in shallow large span tunnel[J]. Highway Engineering, 2011, 36(5): 25.

[14] 铁路黄土隧道技术规范： Q/CR 9511—2014[S]. 北京： 中国铁道出版社, 2014.

Technical code for railway tunnel in loess: Q/CR 9511—2014[S]. Beijing: China Railway Publishing House, 2014.

[15] 铁路隧道设计规范： TB 10003—2016[S]. 北京： 中国铁道出版社, 2016.

Code for design of railway tunnel: TB 10003—2016 [S]. Beijing: China Railway Publishing House, 2016.

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

杨世武(1965—)，男，河南信阳人，1988年毕业于同济大学，铁道工程专业，本科，教授级高级工程师，主要从事铁路工程建设技术管理工作。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