三台阶三步法在湿陷性黄土隧道中的应用及沉降规律研究*

黄国涛

(中铁七局集团西安铁路工程有限公司，陕西 西安 710032)

0 引言

随着国家“北煤南运”等开发战略的提出，越来越多的铁路隧道交通工程相继开工建设。但由于地域土层差异较大，各施工方法及参数设定有很大不同，保证施工安全所采取的安全控制技术也不尽相同。尤其在穿越湿陷性黄土、上软下硬等复杂地质条件时，工程施工难度大、风险高，研究适合其地质条件的施工方法及施工参数显得尤为重要。西部黄土地区困扰施工的一大因素是黄土的湿陷性，其不仅对快速施工造成阻碍，还给安全施工带来较大挑战。耿启军等针对上覆砂质黄土、下伏软弱围岩地质条件的隧道工程，建立模型对比分析了三台阶大拱脚临时仰拱法和微台阶法两种施工工艺的适用性；隧道施工引起的沉降变形已引起广泛关注，目前学者们大多采用解析法、公式法、模拟法进行量化研究。为了更方便研究各种工况下的地表沉降规律，马文辉等研究了多种地层中盾构下穿构筑物施工时，既有盾构的沉降变形规律及沉降控制措施，通过数值模拟和现场监测数据总结分析了既有隧道的变形特征，数值模拟得出的变形规律与实测数据基本一致，验证了数值模拟方法在隧道施工地表变形预测中的实用价值。

1 工程概况及地质条件

蒙华铁路(蒙西—华中地区)实现了蒙、秦、陇三地与鄂、湘、赣等华中地区铁路大连接，是国家Ⅰ级电气化铁路，线路全长1 813.544km，年输送能力2亿t，促进了国民经济的发展。

隧道位于黄土梁峁区，地形起伏大，且绝大部分地段的砂质新黄土具有湿陷性，湿陷系数δs为0.017，隧道围岩主要为Ⅴ级围岩。施工中极易发生变形过大、坍塌等安全事故，施工难度大，风险高。因此，在快速施工中保证施工安全尤为重要。

2 三台阶三步法快速施工工艺

隧道三台阶三步法快速开挖是分上、中、下3个台阶，以弧形导坑开挖预留核心土为基本模式，沿纵向对称开挖、平行推进的施工方法。以实现各工序的“短、平、快”为理念，通过在隧道有限的空间内组织流水作业和平行作业，缩短循环作业和衔接时间，以实现大断面隧道的安全快速施工。

三台阶三步法快速施工工序如图1所示，施工工艺流程如图2所示，快速施工步骤如下。

图1 三台阶三步法快速施工工序示意

图2 三台阶三步法快速施工开挖流程

1)1台挖掘机开挖上台阶，人工配合机械修整断面。

2)3台挖掘机开挖中台阶，机械修整周边断面；进行上台阶立架、超前小导管、锁脚锚管施工。

3)4台挖掘机开挖下台阶及仰拱，机械修整断面；待中台阶工作面形成后，进行中台阶立架、锁脚锚管、连接筋施工。

4)完成下台阶立架、锁脚锚管、连接筋施工作业。

5)喷射混凝土，完成一个工作循环。

3 数值模拟及结果分析

3.1 建立有限元模型

采用有限元分析软件Midas建立三维数值模型，如图3所示。根据蒙华铁路隧道实际土层物理力学参数进行建模参数设置，隧道模型在x，y，z方向的计算参数为70m×130m×80m(长×宽×高)，区间隧道拱顶上土深30.6m，隧道直径为13.2m，模型共划分65 174个单元，38 319个结点。采用Mohr-Coulomb 模型，模型围岩的物理力学参数与工程实际围岩的参数一致，围岩级别为Ⅴ级，重度γ为20kN/m3，弹性模量E为28.9MPa，泊松比ν为0.36，内摩擦角φ为25.7°，黏聚力c为0.07MPa，不考虑地下水影响。

图3 有限元三维数值模型

3.2 监测点布置

在有限元模型开挖过程中选取4个截面(H1，H2，H3，H4)进行隧道拱顶沉降和地表沉降分析，隧道中心轴线与4个截面在地面的交点分别记为V1，V2，V3，V4，监测断面布置如图4所示。

图4 监测断面布置示意(单位：m)

3.3 数值模拟结果分析

隧道开挖贯通后变形如图5所示。由图5可知，隧道开挖完成后，隧道沉降最大值出现在隧道中心轴线对应地表A点处，为40.5mm，小于隧道允许最大沉降值80mm，且隧道开挖过程中各截面的最大沉降值均在允许范围内。

图5 隧道开挖贯通变形云图

随着隧道开挖，4个监测断面拱顶沉降发展过程如图6所示，S1～S7分别为掌子面距监测断面-10，-5， 0，5，10，15，20m时的工况。由图6可得，每个监测断面的7条测线均符合高斯分布，曲线大体走势相同，均为单峰值的高斯曲线，且对称分布，最大值均位于隧道中心轴线处。以图6a为例，当掌子面距H1监测断面10m(S1)和5m(S2)时，沉降基本为0，随着隧道的开挖，通过掌子面后有轻微沉降，接着沉降数值大幅度增加，在掌子面离开监测断面10m(S5)时累积沉降仍在增加，但速率相较于前一个阶段变得缓慢，最终趋于稳定。其他3个监测断面的沉降规律与H1类似，此处不再赘述。

图6 监测断面拱顶沉降曲线

监测断面测点地表沉降曲线如图7所示，曲线呈反“S”形，纵观曲线整个变化趋势，沉降可分为缓慢变化、急剧下降、稳定3个阶段。测点V1在距H1监测断面10m时，地表开始沉降，但变形很小，处于缓慢变化阶段；当掌子面通过H1监测断面时，沉降迅速增大，且沉降速率不断增大，处于急剧下降阶段；当掌子面离开H1监测断面35m时，沉降速率较小，几乎为0，沉降趋于稳定，最终沉降量为 39.0mm， 属于稳定阶段。测点V2在掌子面距H2监测断面约8m时开始沉降；当掌子面通过监测断面时，地表沉降迅速增大，进入急剧下沉阶段，此阶段的沉降速率最大；当掌子面离开监测断面40m时进入稳定阶段，最终沉降为39.9mm。测点V3在掌子面距H3监测断面6m时，地表受到扰动开始产生轻微沉降；此后当掌子面通过监测断面后迅速进入急剧下沉阶段，沉降量快速增大，沉降速率先增大再缓慢减小；当掌子面离开监测断面38m后，曲线趋于平稳，最终沉降量为39.6mm。测点V4在开挖进尺98m时，地表开始有沉降；当掌子面通过监测断面后，沉降量大幅度增加；当开挖进尺为125m时，即距H4监测断面21m时，沉降趋于稳定，最终地表沉降为39.8mm。

图7 监测断面纵向地表沉降曲线

4 结语

为实现以Ⅴ级围岩为主的湿陷性黄土隧道安全快速施工，提出三台阶三步法快速施工工艺，将原来的三台阶七步调整为三台阶三步，在保证掌子面稳定的情况下，尽量减少上台阶施工时间，为流水作业创造条件，缩短循环作业和衔接时间。

利用有限元软件模拟隧道开挖过程，研究湿陷性黄土隧道在三台阶三步法快速施工工艺下的地表沉降特征，分析可得隧道拱顶沉降符合高斯分布，地表沉降最大值位于隧道中心轴线处；地表沉降曲线呈反“S”形，可将沉降分为缓慢变化、急剧下降和稳定3个阶段。