浅埋黄土隧道新三台阶开挖法施工技术研究

[摘要]本文以大西铁路客运专线磨盘山隧道为例，介绍了浅埋黄土隧道的开挖方法。运用数字模拟分析技术，建立了不同埋深的计算模型，结合沉降观测数据分析，对原三台阶开挖法进行了优化、改进和创新，形成了针对浅埋黄土隧道开挖的新三台阶开挖技术。本技术有效地保证了施工安全，同时又加快了施工进度，可为类似工程提供借鉴。

[关键词]浅埋黄土隧道、新三台阶开挖法、数字模拟分析

1.工程概况

大西铁路客运专线磨盘山隧道设计为单洞双线隧道，线间距为5m。隧道全长5456m。隧道最大埋深222m，进口段和出口段350米范围为浅埋黄土隧道，平均埋深为20m～60m。主要由新黄土Q3和老黄土Q2组成，沿线新黄土厚度约为20m，采用新三台阶法施工。

2.两种开挖方法参数对比

2.1.1三台阶开挖法

三台阶开挖法是以弧形导坑预留核心土为基本模式，分上中下三个台阶七个断面，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开，平行推进的施工方法。

上台阶开挖高度1.7～2.0m，台阶长3～5m，预留核心土，核心土长度宜为3～5m，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2。

阶高3～3.5m，台阶长4～6m，左右台阶错开2～3m。

下台阶高3～3.5m，台阶长4～6m，左右台阶错开2～3m。

施工时各部分平行开挖，平行施作支护，各部分支护衔接紧密，及时封闭成环，形成平行流水作业。

2.1.2新三台阶法

新三台阶开挖法是在三台阶开挖法的基础上，对三台阶开挖法的施工参数进行调整，在施工过程中进行改进和完善，形成一套适合于浅埋黄土隧道开挖方法。新三台阶开挖法主要调整参数为：

上台阶的开挖高度增加到2.0～3.0m，台阶长3～5m，核心土长度减小到2.0～2.5m，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2。

阶的高度降低为1.0～1.5m，不留核心土，台阶长4～6m，左右台阶错开2～3m。

下台阶高度增高为5～5.5m，台阶长4～6m，左右台阶错开2～3m。

仰拱施作紧跟下台阶施作，距下台阶距离控制在10～15m内。施工时各部分平行开挖，平行施作支护，各部分支护衔接紧密，及时封闭成环，形成平行流水作业。

3.新三台阶开挖法特点及适用范围

3.1施工特点

1）施工空间大，方便机械化施工，可以多作业面平行作业。部分软岩或土质地段可以采用挖掘机直接开挖，工效较高。

2）在地质条件发生变化时，便于灵活、及时地转换施工工序，调整施工方法。

3）适应不同跨度和多种断面形式，初期支护工序操作便捷。

4）在台阶法开挖的基础上，上台阶预留核心土，阶不留核心土，在下一循环上台阶和阶开挖时挖掘机有更大的操作空间。左右错开开挖，利于开挖工作面稳定。

5）当围岩变形较大或突变时， 在保证安全和满足净空要求的前提下，可缩短闭合时间。

3.2适用范围

本开挖法适用于大断面黄土隧道浅埋段施工，不适用有围岩地质为流塑状态地段。

4.新三台阶开挖法工艺原理及步骤

4.1工艺原理

根据新奥法理论基础，初期支护采用钢拱架、挂网、喷混凝土柔性支护体系，快速施作初期支护，及时封闭成环，减少围岩卸荷，充分利用围岩自稳能力，保证施工安全。新三台阶开挖法工艺流程见图1。

图1 新三台阶开挖法工艺流程图

4.2开挖步骤

4.2.1上台阶开挖支护

1）按设计要求施作隧道拱部超前小导管：一般施作范围为拱部140°。

2）上台阶开挖，开挖高度2.0～3.0m，环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核心土长度宜为2～2.5m，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2。每循环开挖长度控制在0.6～0.8 m，开挖后及时喷射混凝土封闭作业面。

3）按设计图纸要求施作系统锚杆和挂设钢筋网片。

4）安装钢拱架及锁脚锚杆（管），上台阶钢拱架分3节安装，环向用钢板螺栓连接，纵向用钢筋连接，并将超前小导管尾端与钢拱架焊接。锁脚锚杆（管）在钢拱架两侧边沿按下倾角30°施作，并与钢拱架贴紧。

5）及时复喷混凝土并达到设计厚度，使上台阶形成完整的承载拱。

4.2.2阶左侧和下台阶右侧边墙开挖支护

1）上台阶超前阶3～5 m后，交错开挖阶左侧和下台阶右侧边墙，每次开挖控制在1～2榀，左右两侧的初期支护不同时处于悬空状态。阶开挖高度约1.0～1.5 m。

2）阶下部修边结束后及时喷射混凝土封闭作业面。

3）施作系统锚杆和挂设钢筋网片。

4）安装拱架，复喷混凝土。中、下台阶长度控制在4～6m。

4.2.3仰拱开挖支护

下台阶开挖达到10～15 m时进行仰拱开挖。仰拱分两次开挖，每次开挖3 m后立即进行仰拱初期支护，完成一个仰拱施工长度后，及时浇筑仰拱混凝土，随后搭设仰拱栈桥，继续开挖前方掌子面。

5.数字模拟及沉降观测分析

依据隧道施工新奥法原理分析，可知采用新三台阶开挖法施工隧道的围岩变形和掌子面稳定性。根据现场实际的施工情况，在黄土隧道施工中采用新三台阶开挖法，能够满足黄土隧道施工要求。采取数值模拟的方式对新三台阶开挖法分析总结，对施工进行数值模拟，对围岩变形规律、支护结构受力和塑性区进行分析，总结新三台阶开挖法的利弊。

根据地质勘察资料，磨盘山隧道主要由新黄土Q3和老黄土Q2组成，沿线新黄土厚度大约为20m，计算模型土层分两层，新黄土层厚20m，隧道位于老黄土层中，水平计算区域（模型中为X方向）为隧道直径的3倍，隧道长度（模型中为Y方向）取48m，竖直方向（模型中为Z方向）取隧道直径的4倍。围岩和支护材料参数见表1。

表1围岩和支护材料参数表

5.1 埋深30m时

埋深30m时数字模拟图见图2，地表及拱顶沉降曲线见图3。

竖向位移云图 水平位移云图

初期支护弯矩图 初期支护轴力图

图2 埋深30m数值模拟图

地表横向沉降曲线 拱顶横向沉降曲线

图3 埋深30m沉降观测图

从图4、图5中可以看出，埋深30m时新三台阶开挖法引起的最大竖向位移47.72mm，发生在拱顶位置；水平收敛大约12.5mm；初期支护弯矩104KN.m，轴力3220 KN。

5.2 埋深40m时

埋深40m时数字模拟图见图4，地表及拱顶沉降曲线见图5。

竖向位移云图 水平位移云图

初期支护弯矩图 初期支护轴力图

图4 埋深40m数值模拟图

地表横向沉降曲线 拱顶横向沉降曲线

图5 埋深40m沉降观测图

从上述图中可以看出，埋深40m时新三台阶开挖法引起的最大竖向位移60.67mm，发生在拱顶位置；水平收敛大约15.35mm；初期支护弯矩142KN.m，轴力4017 KN。

5.3 埋深50m时

埋深50m时数字模拟图见图6，地表及拱顶沉降曲线见图7。

竖向位移云图 水平位移云图

初期支护弯矩图 初期支护轴力图

图6 埋深50m数值模拟图

地表横向沉降曲线 拱顶横向沉降曲线

图7 埋深50m沉降观测图

从上述图中可以看出，埋深50m时新三台阶开挖法引起的最大竖向位移76.34mm，发生在拱顶位置；水平收敛大约19.34mm；初期支护弯矩168KN.m，轴力4669 KN。

5.4数字模拟及沉降观测分析结论

通过隧道不同埋深数字模拟分析及沉降观测分析，可以得出以下结论：

在浅埋隧道采取新三台阶开挖法施工时，随着埋深的增加，最大竖向位移、水平收敛及支护结构受力随着埋深增加而增加，其量值变化能够满足设计要求。

6.注意事项

1）采用新三台阶法开挖，由于开挖步骤较多，因此工序较复杂，必须合理安排工序，才能保证施工规范、有序进行，从而保证施工进度。

2）开挖时严格控制欠超挖，机械开挖时应预留30 cm由人工开挖，减少对围岩的扰动，并保证岩面圆顺，及时初喷4 cm混凝士以封闭暴露围岩，增强岩体整体性，为初期支护后续工作争取安全时间。

3）各部分开挖时，钢架设计加工与开挖轮廓吻合，支护尽量圆顺，从而减小力集中，地质很差时左右侧上部开挖施考虑预留核心土切环开挖。

4）严格控制钢架加工质量，减少安装拼接时间，保证安装质量。钢架间应连接牢固，必要时可加焊钢筋。

5）根据实际变形情况，每分节处锚管可由设计的2根增为4根，同时应确保锁脚锚管与钢架的焊接质量。

6）上台阶拱脚宽度由设计的80 cm扩大为100 cm，下台阶墙脚由设计的50 cm扩大为80 cm，另外增设阶扩大拱脚，宽度为80 cm。

7）适当预留开挖变形量，施工前期预留变形量15 cm，在施工工艺及措施优化基础上，通过监控量测及时进行调整。

8）合理控制步长，上台阶步长控制在3～5 m，阶4～6 m，上台阶每次开挖1榀钢架距离，中、下台阶可根据地质情况一次开挖1～2榀钢架距离，仰拱开挖每次控制在3 m。

7.结束语

通过浅埋黄土隧道的施工实践，运用数字模拟建模，结合沉降观测数据分析，形成了针对浅埋黄土隧道开挖的新三台阶开挖技术。采用本技术进行浅埋黄土隧道施工，既保证了施工安全又加快了施工进度，为今后类似工程的施工提供了借鉴和参考。

[参考文献]

1、王晓州等，大断面黄土隧道建设技术， 中国铁道出版社，2009。

2、霍玉华，大断面黄土隧道快速掘进施工方法研究[J]铁道标准设计，2007。