软岩隧道台阶法与全断面(含仰拱)法施工比较研究
——以成兰铁路平安隧道为例

鲜 国

(成兰铁路有限责任公司， 四川 成都 610036)



软岩隧道台阶法与全断面(含仰拱)法施工比较研究
——以成兰铁路平安隧道为例

鲜 国

(成兰铁路有限责任公司， 四川 成都 610036)

以成兰铁路平安隧道软岩段施工为背景，采用数值模拟、理论计算和现场试验等方法对全断面(含仰拱)法和台阶法施工时的围岩变形、初期支护受力及施工组织等方面进行比较分析，结果表明： 上下台阶法相比全断面(含仰拱)法开挖围岩要稳定，但全断面(含仰拱)法开挖累计变形量更小； 2种方法开挖产生的剪切、拉伸破坏区的范围大小相近，均能满足结构安全的需要，而全断面(含仰拱)法的施工质量比上下台阶法易于控制； 全断面(含仰拱)法在人员投入和施工进度等方面明显优于上下台阶法。

软岩隧道； 千枚岩； 台阶法； 全断面(含仰拱)法； 施工组织

0 引言

软岩隧道的施工效率是当前隧道工程界关注的问题，开挖方法则是决定软岩隧道施工效率的关键因素之一。目前，隧道施工过程中遇到软岩一般采用台阶法或其他分部的开挖方法，这些开挖方法在软岩隧道的施工中起到了重要的作用，并且随着我国隧道建设的快速发展得到完善。但由于受工序衔接和作业空间等因素的限制，工效依然不高[1-2]。全断面开挖法具有工序衔接较少、作业空间相对较大、施工速度较快等优点，但出于安全考虑，往往不被应用在软岩隧道施工中。为了实现软岩隧道全断面开挖，采取超前预加固掌子面和改进TBM性能等措施。掌子面超前预加固的全断面开挖工法主要应用在掌子面不能自稳和围岩大变形的条件，施工效率依然较低[3-4]。由于断面和地质适应性的问题，改进TBM性能的全断面法的使用也受到限制[5]。如何在开挖后有一定自稳能力的软岩隧道中实现全断面开挖就成为隧道工程界关心的问题，并不断进行尝试[6-12]。根据成兰铁路平安隧道实际的围岩条件和工程进度需要，提出带仰拱一次开挖的全断面开挖方法，即全断面(含仰拱)法，并在平安隧道2#横洞对应的正洞左、右线同时采用全断面(含仰拱)法和上下台阶法进行试验性的施工，从围岩变形、初期支护受力及施工组织等方面进行比较分析。

1 工程概况

平安隧道是成兰铁路成都至川主寺段站前工程的控制工程，位于茂县境内。隧道分修，左线全长28.426 km，右线全长28.4 km，线间距约30 m，设计时速200 km/h。平安隧道设6个横洞、2个斜井，采用钻爆法施工。平安隧道2#横洞工区对应为左线ZD8K154+925～ZD8K160+590、右线YD8K155+327～YD8K160+588，断面大小约80 m2。该段埋深为50～1 700 m，以Ⅳ级围岩为主。砂岩夹千枚岩、灰岩、砾岩，施工揭示围岩为绢云千枚岩，岩体片理面和隧道走向呈80～90°夹角，围岩节理发育，较破碎—破碎，呈灰色、灰黑色。平行饱和抗压强度为5 MPa，垂直饱和抗压强度为19 MPa，属软岩或较软岩，裂隙、结构面可局部渗水，呈无线状流水，岩石外观见图1。

(a) 干燥状态下

(b) 湿润状态下

在正交偏光显微镜和扫描电镜下岩样形态见图2。正交偏光显微镜显示有细小绢云母连续定向分布，显微片状变晶结构，千枚状构造；扫描电镜显示绢云母细鳞片状集合体定向均匀分布。

(a) 正交偏光显微镜下岩样形态

(b) 扫描电镜下岩样形态

2 上下台阶法与全断面(含仰拱)法数值模拟比较分析

2.1 计算模型

平安隧道设计支护参数见表1，模拟采用摩尔-库仑模型，大小取开挖断面的8倍，综合设计、现场点荷载试验对有限元计算模型中围岩参数取值，数值计算参数见表2。

表1 支护参数

表2 数值计算参数

上下台阶法开挖模拟过程见图3(参照现场施工时上下台阶的分界线)： 上台阶开挖及初期支护施作—下台阶开挖及初期支护施作—仰拱开挖及初期支护施作—仰拱填充； 全断面(含仰拱)法开挖模拟过程见图4： 断面开挖及拱墙初期支护施作—仰拱初期支护施作—仰拱填充。

(a) 上台阶开挖及初期支护施作

(b) 下台阶开挖及初期支护施作

(c) 仰拱开挖及初期支护施作

(d) 仰拱填充

(a) 断面开挖及拱墙初期支护施作

(b) 仰拱初期支护施作

(c) 仰拱填充

2.2 位移结果分析

对模拟结果进行提取，得出上下台阶法和全断面(含仰拱)法的水平位移和垂直位移，见图5和图6。忽略上台阶开挖后初期支护尚未施作部分的位移，使同一位置的位移监测数据和计算数据可以相互印证。位移计算结果和实测结果对比见表3。

从表3的统计结果来看，2种开挖方法的计算结果均大于实测结果(平均值)，这主要是由于监控量测点是在隧道出碴完毕后埋设，前期数据丢失所致。但计算结果与实测结果较为吻合，且均能满足设计预留变形量的要求，而全断面(含仰拱)法累计变形量更小。

2.3 剪切、拉伸区计算结果分析

上下台阶法开挖时隧道围岩剪切、拉伸破坏区的计算结果见图7。

(a) 上下台阶法

(b) 全断面(含仰拱)法

Fig. 5 Comparison befween nephograms of horizontal displacement (m)

(a) 上下台阶法

(b) 全断面(含仰拱)法

Fig. 6 Comparison befween nephograms of vertical displacement (m)

表3 位移计算结果和实测结果对比

Table 3 Comparison between numerical simulated displacement and site monitoring results

开挖方法拱顶沉降/mm计算结果实测结果(平均值)水平收敛/mm计算结果实测结果(平均值)上下台阶法25.624.73625.0全断面(含仰拱)法18.017.12717.9

(a) 上台阶开挖

(b) 下台阶开挖

(c) 仰拱开挖

(d) 仰拱填充

Fig. 7 Distributions of shear zones and tensile failure zones of tunnel constructed by top heading and bench method

由图7可知： 随着下台阶的开挖，围岩剪切、拉伸破坏区均有所增大，而仰拱开挖和填充时的剪切、拉伸破坏区增加不明显，这主要是由于上台阶开挖面积占总开挖面积比例过大的原因。

全断面(含仰拱)法开挖时围岩剪切、拉伸破坏区的计算结果见图8。

(a) 全断面开挖

(b) 仰拱填充

Fig. 8 Distributions of shear zones and tensile failure zones of tunnel constructed by full-face method

由图8可知： 全断面(含仰拱)法开挖时的剪切、拉伸破坏区是由断面开挖一次形成的，施作仰拱初期支护和填充仰拱对围岩剪切、拉伸破坏区的分布影响不大。

对比图7和图8可知： 2种方法开挖时剪切破坏区大小基本一致，均在1倍洞径范围内； 全断面法开挖时边墙部位的拉伸破坏区略大于上下台阶法，这主要是由于模拟过程中没有考虑爆破的二次扰动造成的。

尽管2种方法产生的剪切、拉伸破坏区的范围大小相近，但由于全断面(含仰拱)法开挖时围岩临空面大，洞周围岩相比上下台阶法开挖易产生局部掉块； 因此，上下台阶法比全断面(含仰拱)法开挖要稳定。在断面开挖完成后要及时初喷，现场试验表明，采用湿喷机械手对全断面(含仰拱)法开挖隧道进行初喷能够保证开挖洞室的稳定。

2.4 初期支护内力及安全系数计算结果分析

初期支护结构的安全性也是决定开挖方法的重要因素。为了对比2种开挖方法下初期支护结构的安全性，提取隧道周边相应位置的轴力和弯矩计算结果。以图9中A点位置为横轴的0点，逆时针依次展开，绘制隧道周边初期支护结构的轴力和弯矩(初期支护临岩面受拉时弯矩为正，临空面受拉时弯矩为负)，结果见图10和图11。

图9 初期支护轴力和弯矩提取参照图

Fig. 9 Reference view of axial force and bending moment of primary support

图10 初期支护轴力图

图11 初期支护弯矩图

由图10可知： 2种方法开挖的最大轴力均出现在拱顶，且大小相近；在拱腰以下部位，全断面(含仰拱)法开挖隧道的初期支护轴力大于上下台阶法； 在仰拱部位，2种开挖方法的轴力大小相近，这主要是由于2种开挖方法的仰拱初期支护均是在上部支护结构完成后才施作的原因。

由图11可知： 在拱部，上下台阶法开挖的弯矩绝对值明显大于全断面(含仰拱)法； 在边墙部位，全断面(含仰拱)法开挖初期支护产生的弯矩大于上下台阶法； 在仰拱部位，2种开挖方法的弯矩大小一致。

从轴力和弯矩的计算结果来看，初期支护结构均为弯压构件。为了判断2种开挖方法条件下初期支护结构的安全性，安全系数参照《铁路隧道设计规范》中弯压构件计算方法进行计算[13]。

K=φαRbh/N。

式中：K为安全系数；φ为构件的纵向弯曲系数，对于隧道衬砌、明洞拱圈及墙背紧密回填的边墙，可取为1；α为轴向力的偏心影响系数；R为混凝土或砌体的抗压极限强度；b为截面的宽度；h为截面的厚度；N为轴向力。

安全系数计算结果见图12。

图12 初期支护安全系数分布

由图12可知，2种开挖方法的安全系数计算结果均能满足初期支护结构安全的需要。现场调查表明，在2种方法施工过程中，支护结构均未出现异常，但由于台阶法上台阶的支护结构施作先于下台阶，受开挖和变形等影响，易造成上下台阶交接部位不圆顺，改变初期支护结构的受力状态。

通过建立有限元模型，对比上下台阶法和全断面(含仰拱)法开挖隧道洞周位移，剪切、拉伸破坏区大小，以及初期支护结构的安全系数得出以下结论：

1)上下台阶法和全断面(含仰拱)法开挖均能满足设计预留变形量和结构安全的需要。

2)相对于上下台阶法，全断面(含仰拱)法开挖洞周围岩易产生局部掉块，但可通过湿喷机械手初喷1层素混凝土来保证施工的安全。初喷使混凝土颗粒及浆液嵌入围岩裂隙，在围岩之间形成连续拱效应，从而有效控制拱墙掉块现象。

3 现场监控量测数据对比分析

选择平安隧道地质条件相似的左线ZD8K157+160～200段和右线YD8K157+165～205段，每10 m一间隔共取5个断面比较2种开挖方法的拱顶沉降和水平收敛情况，断面分别编号为1、2、3、4、5。2种开挖方法条件下拱顶下沉和水平收敛情况见图13。

(a) 拱顶下沉

(b) 水平收敛

由图13可知： 全断面(含仰拱)法拱顶下沉和水平收敛较上下台阶法小；全断面(含仰拱)法开挖时，最小拱顶下沉量为最大下沉量的78.4%，最小水平收敛量为最大收敛量的82.7%。采用上下台阶法开挖时，最小拱顶下沉量为最大下沉量的66.0%，最小水平收敛量为最大收敛量的66.8%，也说明全断面(含仰拱)法施工质量比上下台阶法易于控制。

4 现场施作情况对比分析

4.1 资源投入

收集施工现场2种方法条件下1个循环不同工序的人工和设备(不计不在工序中的资源)投入情况，统计结果见表4。

由表4可知： 全断面(含仰拱)法掌子面附近人员投入比上下台阶法少13人，由于投入先进的湿喷机械手，可使喷浆作业人员减少4人； 在设备方面，由于湿喷机械手的存在，全断面(含仰拱)法的一次性投入大于上下台阶法，但可以有效减少作业人员。

从仰拱封闭的时间来说，上下台阶法的仰拱初期支护须在再次爆破后进行，而全断面(含仰拱)法的仰拱无需再次爆破即可施工，可提前5～7 d封闭，能有效减少资源投入和施工干扰，同时可以降低通风资源的投入和损耗。

综上，在人员和设备投入以及工序衔接方面，全断面(含仰拱)法优于上下台阶法。

表4 现场人工和设备投入

4.2 施工进度

施工现场均采用每循环1 m的进尺施工，统计上下台阶法开挖50 m各工序的时间以及全断面(含仰拱)法开挖100 m各工序的时间，然后进行加权平均得出各工序所需时间，结果见表5。

表5 各工序时间

按照表5中的各工序时间，计算2种开挖方法的月进度，上下台阶法可以实现每月64 m的进尺，而全断面(含仰拱)法可以实现每月96 m的进尺。因此，全断面(含仰拱)法在施工效率上具有明显的优势。

5 结论与建议

1)相对于上下台阶法，全断面(含仰拱)法开挖围岩累计变形量更小，且拱架安装整体质量易于控制。

2)在围岩稳定性方面，2种方法均能满足安全的要求，但上下台阶法优于全断面(含仰拱)法。采用湿喷机械手对全断面(含仰拱)法开挖隧道进行初喷，能够保证开挖洞室的稳定。

3)全断面(含仰拱)法更适用于投入较多大型设备的情况，可通过减少单个工序的时间来提高施工进度，降低其他费用。

4)全断面(含仰拱)法的地质适用性尚待进一步深入研究，建议在施工经验丰富的情况下选用。

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Comparison between Bench Method and Full-face Method for Ping’an Soft Rock Tunnel on Chengdu-Lanzhou Railway

XIAN Guo

(Chengdu-LanzhouRailwayCo.,Ltd.,Chengdu610036,Sichuan,China)

Comparison between bench method and full-face method (including invert arch) for soft rock section of Ping’an Tunnel on Chengdu-Lanzhou Railway is made in terms of surrounding rock deformation, primary support stress and construction organization by using numerical simulation, theoretical calculation and site test. The study results show that: 1) The stability of surrounding rock of tunnel constructed by bench method is superior to that constructed by full-face method; and the accumulated deformation of tunnel constructed by full-face method is smaller than that constructed by bench method. 2) The sizes of shear zone and tensile failure zone of tunnel constructed by 2 methods are almost the same. The construction quality of tunnel constructed by full-face method is easier to control. 3) The full-face method is superior to bench method in terms of labor and construction schedule.

soft rock tunnel; phyllite; bench method; full-face method (including invert arch); construction organization

2016-07-08;

2016-11-03

鲜国(1965—)，男，四川渠县人，1983年毕业于兰州交通大学，铁道工程专业，本科，高级工程师，主要从事铁路工程建设技术管理工作。E-mail: 673446056@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.11.003

U 45

A

1672-741X(2016)11-1302-08