微台阶开挖法在黄土隧道安全施工中的应用

屈振荣

摘要：近年来，我国修建了大量的黄土隧道，总结了较多成熟的施工方法，例如，弧形导坑法、双侧壁导坑法、CD法、CRD法等。针对蒙华铁路阳城隧道隧道的地质条件，采用微台阶法的施工方法和工艺，总结了该隧道施工中经验，供类似工程借鉴。通过数值模拟分析，微台阶法对控制围岩变形及预防塌方面效果明显。

关键词：黄土；隧道工程；施工工艺；数值模拟

引言

黄土结构松散且自稳性差，黄土隧道的围岩情况较为复杂，施工难度大。因此在我国黄土隧道施工中，研究和优化了一系列有针对性的黄土隧道施工方法，不同的工法有不同的特点并且适用于不同的工程地质条件。双侧壁导坑法相对较为安全，并且能适应多种围岩情况下的隧道开挖，能有效控制围岩变形[1]；单侧壁导坑法可以对掌子面进行分部施工，因此对围岩扰动小，但是由于工法较为复杂，施工进度较慢[2]；三台阶法由于分工作面进行施工，有利于使用大型机械进行开挖，但是由于取消了中间的分隔措施，需要重点关注围岩的沉降变形[3]。实践证明，施工方法的选用与隧道的稳定性密切相关，只有采用合理科学的开挖施工方法，才能达到隧道工程安全、质量、进度的最优结合与经济效益的最大化。

1工程概况

蒙华铁路薛家畔2号隧道全长169m，最大埋深183m，洞顶为砂质新黄土，黄褐色，具大孔隙，具垂直节理，结构松散。微台阶开挖方法已在蒙华铁路Ⅴ级围岩薛家畔1号隧道DK240+863～DK241+000段成功应用。本文将以数值模拟为手段，分析不同含水率的地质条件下，隧道的竖向位移及侧向位移。通过定量的分析，评价微台阶开挖方法的优劣，为以后的黄土隧道施工提供了新思路。

2微台阶法工艺流程及操作要点

2.1工艺流程

微台阶工法是上、中、下台阶同时开挖作业的施工方法[4]，其中上台阶保持3～5m，中台阶保持6～8m，下台阶保持9～12m，微台阶开挖台阶尺寸见图1。

首先利用上一循环格栅钢架以及水平旋喷桩作隧道超前支护，再进行上台阶的开挖扒渣，而后进行中台阶开挖扒渣。再进行上台阶及中台阶立架，待稳定后开挖下台阶和仰拱。在进行上台阶和中台阶喷混时，同时进行下台阶和仰拱的立架，再进行下台阶和仰拱喷混，而后跟进二次衬砌。微台阶开挖施工工艺见图2。

3微台阶施工操作要点

1.合理确定微台阶开挖上、中、下三个台阶的长度，上台阶长度3～5m，中台阶长度6～8m左右，下台阶长度9～12m，保证各台阶在开挖过程中的稳定，有一定的作业空间，方便机械作业。三个台阶断面同步作业，缩短了掌子面至仰拱初支封闭的距离，满足了三台阶施工初支封闭成环距离掌子面不大于2倍洞径。保证施工安全，提高工作效率，加快施工进度。

2.部分隧道围岩为散体状结构的砂岩，自稳能力极差，开挖后出现溜塌现象，利用微台阶施工的优势，现场采取环向间距10～12cm加密超前φ42热轧无缝钢管的措施，确保围岩稳定。

3.开挖过程中，严格控制超挖，欠挖现象，若采用机械开挖，必须预留30-50cm人工进行修整。遵循软弱围岩施工的“三超前、四到位、一强化”原则。即超前预报、超前加固、超前支护，工法选择到位、支护措施到位、快速封闭到位、衬砌跟进到位，强化量测。

4.上台阶钢架立架必须紧贴掌子面[5]，立架完成后应尽快施作锁脚锚管锁死，锁脚锚杆按与水平方向45°角度向下打射，采用Φ22“L”型螺纹钢筋将锁脚锚管与钢拱架双面焊接，焊缝必须饱满。上、中、下导钢架拱脚连接处必须采用高强度轻型塑料锲块垫实，确保钢架紧贴围岩初喷混凝土。

5.各台阶施工均要做到“快挖、快支、快封闭”，确保初支砼形成完整体的受力体系。仰拱每次开挖3m后立即进行仰拱初期支护，随后搭设仰拱初支栈桥，继续开挖前方掌子面。并且始终保持安全步距，掌子面至初支封闭距离不大于2倍洞径（三台阶），掌子面至初支封闭距离不大于1倍洞径（两台阶）。

4.数值模拟及分析

4.1模型参数选取

由于施工现场地质条件的复杂性，数值模拟的不能完全复原实际情况，因此对不同的开挖方法采用相同的假定模型。在数值计算中，模型整体尺寸为90m×120m×21m，隧道埋深为45m，其中所有土均为黄土，为Ⅴ级围岩。隧道所建立模型及网格划分如图3所示。

隧道围岩均假定为各向同性材料，选取Mohr-Coulomb准则进行非线性静力分析，其相关参数参照铁路隧道设计细则和Ⅴ级围岩的物理参数选取。对于钢拱架、二次衬砌、喷射混凝土及其他支护结构均采用弹性本构进行模拟。

4.2计算结果与分析

4.2.1地表沉降位移

隧道开挖引起的地表沉降曲线如图2所示。地表沉降的大小与隧道的开挖断面形状和尺寸、围岩的力学性质等密切相关[6]。从图中可以看出，沉降槽的宽度大约为80m，由于围岩含水率的提升，沉降槽的宽度有两侧扩宽的倾向，沉降量与隧道中线的距离大致呈二次抛物线分布。地表的最大沉降量随着围岩含水率的增大而增大[7]。在6%含水率时，最大沉降约为0.0125m；15%含水率时，达到了0.05m。由此可见，砂黄土对水非常的敏感，遇水软化而湿陷的特性应该在施工中引起足够重视。在隧道开挖过程中，应该注意治水与防水，防止出現塌方事故[8]。

4.2.2隧道围岩变形分析

从拱底的收敛变形趋势看，随着开挖施工工序的开展，在第10施工步时，拱底的变形趋于稳定。其收敛变形的大小随着隧道围岩含水率的增大而增大[9]。但最终的收敛变形值小于施工管理规定的70mm，符合质量管理的要求。

由图4变形的时态曲线可以看出，拱顶的变形与拱底的变形趋势大致规律相同，拱顶的变形量亦是随着含水率的增大而增大。在围岩含水率达到15%时，拱顶的最大变形量为约10mm，小于管理规定的75mm。证明支护参数合理，能保证施工安全。变形趋于稳定阶段的施工步为15，和拱底的变形时态曲线稳定阶段的施工步为10相比，较为滞后一些。因此，在施工中，由于其变形的相对滞后，应注意观测拱顶的变形。

由图5变形时态曲线可以看出，变形稳定阶段约为施工步15。其变形大小亦明显受到围岩含水率的影响，变形大小随着含水率的增大而增大。圍岩含水率为15%时，最大变形值约为20mm，小于施工管理规定35%，达到预期的变形控制要求。

3.结论

针对砂黄土隧道采用了Midas/GTS有限元软件对不同的围岩含水率条件下进行比较，得到以下结论：

（1）微台阶法由于不需要拆除大量的临时支撑，工程的经济效益十分明显，同时也对加快施工进度有十分重要的意义。

（2）砂黄土隧道的围岩变形，受到围岩含水率的影响作用显著，在施工中应做好防排水措施，保证施工的顺利开展。

（3）微台阶开挖方法在控制围岩变形方面，缩短了初支整环闭合的时间，达到了预期的效果。该方法可以考虑推广至类似的工程。

参考文献：

[1]谢旭强，王玉富.大跨隧道双侧壁导坑法施工力学行为研究[J].北方交通，2008（07）：146-149.

[2]杨忠，伊鑫，刘彬礼.单侧壁导坑法在隧道施工中的应用[J].公路交通科技（应用技术版），2014，10（11）：141-142.

[3]陈建锋.三台阶法在软弱围岩隧道开挖施工中的应用探讨[J].中国西部科技，2010，9（26）：16-17.

[4]刘刚.浅谈软弱围岩隧道微台阶开挖施工技术[J].城市道桥与防洪，2012（07）：289-291+308+24.

[5]李健，谭忠盛.大断面黄土隧道初期支护与围岩相互作用机理研究[J].现代隧道技术，2013，50（03）：79-86.

[6]郭健，王起才，唐述林，赵侃.浅埋暗挖黄土隧道施工过程数值模拟分析[J].铁道建筑，2010（08）：81-83.

[7]史寒冬.对浅埋黄土隧道开挖中围岩变形的数值模拟分析[J].交通标准化，2012（11）：125-128.

[8]苏春晖，马建林，李曙光，方钱宝.富水黄土围岩含水量变化对隧道稳定性影响的数值模拟分析[J].铁道建筑，2008（04）：32-34+78.

[9]杨海峰.大跨度黄土隧道施工方法的对比分析与数值模拟[J].筑路机械与施工机械化，2013，30（08）：89-92.