浅谈软弱围岩隧道台阶法施工中拱脚的稳定性及其控制技术

朱洪军

【摘 要】台阶法是软弱围岩隧道工程的常用施工方法，其特点是隧道拱脚变形较为显著，需要做好拱脚稳定性控制。本文将对软弱围岩隧道台阶法进行简单介绍，分析隧道拱脚变形特征，在此基础上，探讨有效的拱脚稳定性施工控制技术，包括拱脚沉降机制分析、稳定极限状态计算、稳定性控制方法以及技术应用效果分析等。

【关键字】软弱围岩；隧道台阶法；拱脚稳定性；施工控制技术

软弱围岩隧道工程由于围岩强度低、孔隙大、风化影响显著，在一定应力水平下容易出现施工变形。目前在软弱围岩隧道工程中，使用较多的施工技术包括全断面法、分部施工法、台阶法等。其中台阶法应用最多，关于台阶法施工变形及拱脚稳定性控制问题的研究也受到了广泛关注。但是在实际工程中，拱脚沉降问题却没有引起足够的重视，有必要结合工程案例进行具体研究，探讨可行的拱脚稳定性控制技术。

一、软弱围岩隧道台阶法概述

随着国家基础设施建设进程的不断加快，大型隧道工程越来越多，包括公路工程和铁路工程等。在一些特殊地质区域，隧道工程面临着软弱围岩变形控制的难点问题。从国内目前隧道工程施工技术的整体水平来看，台阶法是较为先进的施工方法，在实际工程中应用最多，广泛适用于交通类暗挖隧道。但采用台阶法施工也面临着拱脚变形严重的问题，会影响工程整体的稳定性。

台阶法中的上台阶拱脚变形分为水平收敛变形和沉降变形两种形式，在现有研究中关于上台阶收敛变形的研究较多，而沉降变形却没有引起足够重视，因此在实际工程中拱脚沉降问题日益突出。目前关于台阶法施工的拱脚沉降研究主要采用现场测量等方法，缺乏理论支撑，影响了研究成果推广。因此，有必要对隧道拱脚变形特征进行分析，结合工程实例探讨可行的控制方法，为工程实践提供有效参考。

二、隧道拱脚变形特征分析

对隧道工程台阶法施工的拱脚变形特征进行分析，一般采用FLAC3D大型分析软件，为施工变形展布规律的数值分析提供支持。以某铁路隧道工程为例，其围岩条件包含IV、V、VI三个级别，参照现行铁路隧道规范中的围岩物理力学指标，确定各级别围岩的密度、弹性模量、泊松比、黏聚力和内摩擦角。隧道横断面和支护结构的主要参数以200km/h客货共线隧道的断面标准为准，同时考虑单线和双线两种断面形式。其主要参数包括断面尺寸、混凝土强度、厚度、锚杆长度、间距和钢架间距等。

采用三维弹塑性本构模型计算分析台阶拱脚变形规律。从计算结果来看，拱脚变形随台阶长度的增加而增幅，且围岩条件越差，变形幅度增长越快。随着上台阶长度增加，拱脚沉降数值逐渐接近拱顶沉降。比如在单线隧道中，IV级围岩的拱脚沉降约为拱顶沉降的30%，V级约为60%，VI级约为85%。从计算分析结果来看，IV级围岩采用长台阶施工法有利于施工组织，V级围岩采用短台阶法、VI级围岩采用微台阶法较好，有利于实现拱脚变形控制。

三、软弱围岩隧道台阶法施工拱脚稳定性控制技术

（一）拱脚沉降机制分析

对拱脚沉降机制进行分析是隧道工程台阶法施工实现拱脚稳定性控制目标的前提。其沉降机制包括以下几个方面：

1.由掌子面基础效应导致的沉降，在台阶法施工中掌子面基础变形较为显著，会导致开挖面核心土上部出现整体沉降，对上半断面的影响不容忽视；

2.基地承载刚度不足导致的拱脚沉降，在“随挖随支”施工原则下，上断面的支护结构在围岩压力作用下会产生向下位移分量，随着开挖施工进行，围岩压力不断增大，导致拱脚地基承载力不足，进而引发沉降；

3.后续施工导致的沉降效果加剧现象，在进行下台阶开挖时，支护结构拱脚存在一定的悬空时段，拱部具有整体下沉趋势，随着施工进行，支护结构的荷载力不断增加，导致沉降效果加剧，即使闭合成环后，此现象也会持续一段时间；

4.施工技术导致的沉降，在台阶法施工中，拱脚沉降主要受掌子面挤出效应、支护结构支撑条件、锁脚锚杆施工、拱脚处积水排除、支护节点质量、闭合时机以及下台阶开挖等施工技术的影响，要针对每个施工环节的特点和引起施工沉降的机制，采取有效的技术控制措施。

（二）围岩稳定极限状态计算

围岩稳定极限状态计算是揭示隧道变形分布规律、实现拱脚变形控制的关键。在台阶法施工过程中，可借鉴边坡工程的强度折减法分析思路，判别围岩稳定性，主要应用塑性应变突变原理展开分析。对于深埋软弱围岩的隧道工程，其稳定性分析不用对围岩强度进行折减，施工过程以卸载为主，地应力不断释放，洞体周围的围岩屈服度不断发展，约束作用不断减弱，发展到一定程度后，部分围岩则进入塑性流动状态，由塑性应变转变成突变，进而发生挤入和脱离现象。

围岩稳定极限状态即为塑性应变突变发生时的状态，其发生区域为不稳定围岩区域，通过对其进行分析计算，可以预测围岩失稳轨迹。在接近稳定极限状态时，塑性区范围快速扩大，基底围岩随台阶高度增加，逐渐向基底剪切失稳状态发展，拱脚处稳定性较差。加强拱脚稳定控制，可以保持洞室整体的稳定性，有利于实现变形控制。在上台阶高度为4m时，水平收敛为60.7mm，拱顶沉降为68.8mm，上台阶高度为6m时，水平收敛为149.7mm，拱顶沉降为112.2mm。由此可见，上台阶高度增加，围岩对现行承担能力也会随之增加，可以通过适当增加上台阶高度提高围岩稳定性。

（三）拱脚稳定性控制方法

受国内隧道工程施工技术和设备条件所限，目前应用较多的拱脚稳定控制方法包括锁脚锚杆法、围岩补强注浆法、扩大拱脚支护法和临时增设仰拱法等。其中，锁脚锚杆法和围岩补强注浆法的控制效果较为显著，已经得到行业内的广泛认可，技术应用较为成熟。而另外两种方法的控制效果还有待印证，因此本文主要对后两种方法进行分析。

其中，扩大拱脚支护法在还有V级、VI级两种围岩的隧道工程中，应用效果如下：（1）V级围岩拱脚收敛减小效果达到10.4%，沉降减小效果达到73.1%；（2）VI级围岩的拱脚收敛减小效果达到10.4%，沉降减小效果达到44.6%。对有无临时仰拱的工况进行对比分析可以看出，采用临时增设仰拱的控制方法，拱脚收敛减小效果为40.3%，墙腰收敛的减小效果为25.0%。从中可以看出，该方法对水平收敛的控制效果较好，对沉降控制效果则不够显著。

在兰渝铁路两水隧道工程中，对某区段施工进行大拱脚现场试验，该区段的仰拱封闭与掌子面的距离在30m以内，通过现场试验测量发现，扩大拱脚支护法对拱脚变形控制效果较为显著，水平收敛减小效果为19%，拱顶沉降减小效果为53%。在实际工程中，应在分析拱脚变形机制、计算围岩稳定极限状态的基础上，合理选择拱脚变形控制方法，为施工安全和隧道结构稳定性提供保障。

四、結束语

综上所述，拱脚变形是隧道工程台阶施工法中的重点问题，通过采取有效的拱脚稳定性控制技术，可以施工安全和施工工序的顺利进行提供保障，避免出现围岩失稳、坍塌现象。在实际工程中，通过采用科学计算分析方法，掌握拱脚变形规律，合理选用拱脚稳定性控制方法，可以确保拱脚变形控制效果，有效降低水平收敛和沉降幅度。

参考文献：

[1]范鑫.软弱围岩地质大断面铁路隧道大拱脚台阶法施工工法[J].建筑技术开发，2017，44（07）：41-42.

[2]贾晓旭，赵玉成.软弱围岩隧道CD法和台阶法施工力学行为分析[J].铁道标准设计，2016，60（07）：121-125.

[3]张立东.大断面浅埋软弱围岩隧道三台阶法施工技术[J].山西建筑，2009，35（04）：342-343.endprint