大断面软弱偏压浅埋客运专线隧道施工开挖方案对比分析

摘 要：针对在建合福高铁安徽段全长520 m的万山隧道进出口DK61+215～DK61+272段浅埋偏压的特点，结合已有工程施工技术，提出了相应的施工方案；在此基础上结合隧道工程施工实际情况对提出的施工方案进行了比较分析，初步确定了隧道可采用的“三台阶仰拱法”；对隧道采用“三台阶仰拱法”施工方案进行了数值模拟，提出了该段围岩三台阶临时仰拱开挖施工技术。现场实施表明三台阶法施工具有循环时间缩短，人员数量活动空间较大，施工安全、可靠快速的特点，万山隧道施工实践为同类隧道的施工提供了有意的借鉴作用并取得了良好的经济和社会效益。

关键词：隧道工程 浅埋偏压 施工技术 数值模拟分析

中图分类号：U459.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（b）-0075-04

新建铁路合福线合肥至福州段HFZQ-2标段起讫里程为DK32+058～DK122+089，线路长度为90.031 km，位于安徽省境内，标段起点至巢湖主要为江淮冲积平原垄岗地貌区，岗地坳谷相间，地形开阔，地势略有起伏，地面标高21～50 m；局部地段为一级阶地，低山丘陵地形起伏较大，相对高差80～150 m，植被较发育；河流一级阶地地势平坦，地面标高5～10 m。巢湖一带为巢湖湖积平原区及清溪河、裕溪河一级阶地，地势较平坦，地面标高6～8 m；局部地段为剥蚀低山区，地形起伏较大，相对高差50～100 m，植被发育。标段内地形平坦、开阔，区内城镇较多，交通便利。本标段共分布隧道4座，均为双线隧道，隧道总长2.631 km。其中1 km

1 拟采用的施工方案分析

在建合福高铁安徽段万山隧道位于合福线合肥至福州段，隧道全长520 m，隧道进出口里程分别为：DK60+787、DK61+307。隧道穿越向斜构造，地貌属于剥蚀低山区，地势起伏小，自然坡度约15°～25°，右侧存在偏压问题。出口DK61+215～DK61+272段原设计是Ⅴ级围岩，建议采用六步CD法在57 m长的隧道范围内开挖施工。现场勘查得出，里程为DK61+215的掌子面是强风化浅黄色泥岩，存在为基岩裂隙水的地下水，一般发育。为确保隧道的施工安全，对隧道该段采用不同施工隧道的适用性进行系统分析，以期在此基础上确定隧道该段的施工方案，指导该隧道的施工。

1.1 施工方案的初步比选

各拟采用施工方案分别为中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）、双侧壁导坑法、底部双洞法、三台阶仰拱法与新意法。CD法施工步序如图1所示，施工步序如下：首先纵向接长钢架，施做超前支护，开挖1分部岩体，及时施做初期支护与临时支护，施做钢拱架锁脚锚杆；当1分部掌子面超前2分部掌子面适当距离后，开挖2分部岩体，横断面上接长初期支护与临时支护，如此，按序号排列，施工3、4、5、6分部；然后逐段拆除仰拱区域内的临时支护，拆除长度由现场监测结果分析来定，一次拆除长度要小于10 m，拆除临时支护后要及时施做仰拱部二衬及仰拱回填；然后再逐段拆除余下来的临时支护；最后借助衬砌模板台车一次性施做余下来的二次衬砌。

CRD法施工步序如图2所示，施工步序如下：首先纵向接长钢架，施做超前支护，开挖1分部，及时施做初期支护及临时支护，施做钢拱架锁脚锚杆；当1分部掌子面超前2分部掌子面适当距离后，开挖2分部，横断面上接长钢架，及时施做初期支护及临时支护，如此，按序号排列，施工3、4、5、6分部；然后逐段拆除仰拱区域内的临时支护，拆除长度由现场监测结果分析来定，一次拆除长度要小于10 m。拆除临时支护后要及时施做仰拱部二衬及仰拱回填；然后再逐段拆除余下来的临时支护；最后再借助衬砌模板台车一次性施做余下来的二次衬砌。

双侧壁导坑法施工步序如图3所示，施工步序如下：首先纵向接长钢架，施做超前支护，开挖1分部，及时施做初期支护及临时支护，施做钢拱架锁脚锚杆；其次当1分部掌子面超前2分部掌子面适当距离后，开挖2分部，横断面上接长钢架，施做初期支护及临时支护，如此，按照序号排列，施工3、4、5、6、7分部；然后逐段拆除仰拱区域内的临时支护，拆除长度由现场监测结果分析来定，一次拆除长度要小于10 m，拆除临时支护后要及时施做仰拱部二衬及仰拱回填；然后再逐段拆除余下来的临时支护；最后借助衬砌模板台车一次性施做余下来的二次衬砌。

三台阶仰拱法施工步序如图4所示，施工步序如下：首先纵向接长钢架，施做超前支护，开挖1分部，及时施做初期支护，施做钢拱架锁脚锚杆；其次当1分部掌子面前进适当距离后，开挖2分部土体，横断面上接长钢架，施做初期支护，如此，按照序号排列，施工3、4分部；然后根据监测结果的分析，在适当的时候，施做仰拱二衬及隧底填充；最后借助衬砌模板台车一次性施做二次衬砌。

新意法施工工序如下：首先采用适当数量、适当长度的玻璃纤维构件加固超前核心土；其次全断面开挖，每循环长度0.7～1 m；待开挖至被加固超前核心土剩余适当长度后，停止开挖，再采用适当数量、适当长度的玻璃纤维构件加固超前核心土，然后再开挖。在开挖过程中，一旦出现新的掌子面或者隧道开挖轮廓面，要立即对其喷适当厚度的喷射混凝土，以保护掌子面与边墙，开挖后要立即架设钢拱架，并要确保新架设的钢拱架与已架设的钢拱架连接牢固，架设拱架完毕后，喷射钢纤维混凝土，完成初期支护的施做，厚度约40 cm；在距掌子面大于1倍洞径的地方施工边墙和仰拱，并且浇筑边墙与仰拱；在距掌子面大于5倍洞径的地方浇筑二次衬砌。

2.1 各施工方案施工适应性对比

万山隧道围岩地质条件复杂，围岩软弱，施工难度大，工程地质主要以砂岩、砂砾岩、灰岩夹页岩为主。隧道为大断面隧道，隧道整个断面面积约为140 m2，跨度为14.8 m，高为13.2 m，因此它算得上是大断面隧道。在隧道施工中，断面面积大会造成很多的施工风险，围岩形变压力大，挤压变形很严重。

采用中隔壁法（CD法）施工时大断面被分割成6个小断面，只是2分部与5分部交界处无临时横撑，4分部与6分部交界处也无临时横撑，各分部掌子面错开一定距离后同时开挖，各分部开挖断面小，掌子面的稳定易得到保证；同时，各分部断面面积小，施工作业循环快，开挖后支护可及时施做；若地质状况发生变化，该方案可迅速转变为CRD法或三台阶仰拱法等；对大断面隧道的拱顶沉降起到一定的控制作用；但该方法临时支护多，施做与拆除均较麻烦，不便于大型机械化施工。采用交叉中隔壁法（CRD法）施工，大断面被分割成6个小断面，与CD法不同的是，2分部与5分部交界处有临时横撑，4分部与6分部交界处也有临时横撑，各分部掌子面错开一定距离后同时开挖，各分部开挖断面较小，掌子面的稳定易得到保证；同时，各分部开挖断面面积小，施工作业循环快，开挖后支护可及时施做；且该方法可随着地质变化改变成三台阶仰拱法、CD法等，对地质变化的适应性较强，对大断面的拱顶沉降与周边水平收敛能起到抑制作用；但与CD法相比，临时支护较多，施做与拆除更麻烦，施工作业空间更加狭窄，不便于大型机械化施工。

采用双侧壁导坑法施工，大断面被分割成7个小断面，断面分割更细，掌子面的稳定更易得到保证；1、2分部组成一个超前导坑，3、4分部组成一个超前导坑，两侧超前导坑可准确预知前方地质，及时采取必要措施改良不良地质；由于超前导坑的开挖与及时支护，隧道边墙水平收敛易得到抑制；但当地质发生变化后，转变为其它施工方法比较困难；且各分部断面小，不便于大型机械化施工。新意法全断面一次性开挖，便于大型机械化施工，施工速度极快；必须做足地质勘查，制定出非常详细的支护方案后方可施工；加固超前核心土，需要大量的玻璃纤维构件；时刻监测掌子面的挤出变形，一旦有异常，立即加强超前核心土的加固；比起前几种施工方案，新意法有着更为复杂的勘查工作、诊断工作与监测工作。当地质条件变好后，转变为其它施工方法较易。

采用三台阶仰拱法施工，大断面被分割成4个断面，断面分割较粗，但初期支护连接较易，较牢靠。施工循环快，整个大断面隧道初期支护封闭一次，需要花费的工序较少；当地质变化后，转变为其它施工方法较易；且便于大型机械化施工，施工速度快；同时无临时支护，施工作业较为简便。

通过以上分析可知：（1）针对万山隧道的围岩自稳能力差，为了避免万山隧道一出现异常就出现大的异常，甚至会到无法控制的局面，万山隧道适合采用小断面施工，适合采用人工开挖或小型机械化施工，因此，新意法不便于被采用。（2）针对隧道中已完成施工的支护易开裂的情况，在隧道施工中要及时封闭大断面初期支护结构，尤其施工中要尽可能保证大断面隧道拱部初期支护的一次性施做，避免施工中大断面隧道拱部出现偏压现象，因此，三台阶仰拱法较为适合。根据万山隧道本身所特有的工程特性，结合以上的分析，初步选出三台阶仰拱法为隧道的初定施工方案。

3 大断面客运专线隧道三台阶施工稳定性分析

3.1 有限元模型及参数

依据万山隧道Ⅴ级围岩洞身段的地质条件，并且隧道结构开挖地域属于浅埋位置，所以在计算分析时应该把自重作用下的初始应力场着重考虑，先不考虑构造应力的对其影响，在Ⅴ级围岩设计方案中考虑了超前支护进行初始地应力的计算，超前支护是在隧道顶部预先施工的顶管棚。根据圣维南原理，对于山岭隧道，数值模拟中的围岩尺寸一般取隧洞开挖断面的3～5倍洞径（或洞跨），模型边界沿模型x方向取50 m，沿负x方向也取50 m，沿负y方向取40 m，沿y方向取至平均地表，沿负z方向取60 m，整个隧道模型建成后的大小为100 m×100 m×60 m，隧道开挖轴线方向2 m一个网格，模拟施工中的步距。围岩采用solid单元模拟，初期支护与临时支护采用shell单元模拟。（表1）

3.2 各施工方案数值模拟步骤

三台阶仰拱法施工模拟步骤中各分部情况如图5所示，施工模拟步骤为：首先建立三维实体模型，施加重力加速度和边界条件，求解；其次开挖上台阶土体，纵向开挖至2 m处，及时施作初期支护，求解；保持上台阶土体继续开挖以及继续及时施做初期支护，开挖步距为2 m，开挖一步，求解一步，当上台阶开挖至4 m时，同时开挖阶土体至2 m处，及时施作初期支护，求解；保持上、阶同时开挖以及同时及时施做初期支护，开挖步距为2 m，开挖一步，求解一步，当阶开挖至6 m时，同时开挖下台阶土体至2 m处，及时施做初期支护，求解；保持上、中、下台阶同时开挖以及同时及时施做初期支护，开挖步距为2 m，开挖一步，求解一步，当下台阶开挖至12 m时，同时开挖底部仰拱部分土体至2 m处，及时施做初期支护，求解；保持各分部同时向前开挖，开挖步距为2 m，开挖后及时施作初期支护，求解，开挖一步，求解一步，直至隧道全部挖通为止。

3.3 数值模拟结果分析

取模型中Z=-30 m断面为研究断面，断面Z=-30 m～断面Z=-32 m的模型为研究模型。研究断面上围岩第一次被施工一直至研究断面上大断面隧道的初期支护封闭成环，这一施工阶段被取为关键施工阶段。在关键施工阶段，研究模型中研究断面上围岩累计沉降位移场如图6所示，由此图可以看出：（1）上台阶穿越研究断面后，研究断面上拱部上侧附近出现了较大的累计沉降区域，最大沉降点出现在拱顶。上台阶底部全部向上隆起，最大隆起点为上台阶底部中点。这是因为研究断面上上台阶突然被开挖，围岩向隧道内移动，应力释放，导致出现了较大的沉降与上隆。（2）阶穿越研究断面后，研究断面上拱部上侧附近出现了更大的累计沉降区域，最大沉降点还是拱顶点。阶底部出现了更大的围岩隆起区，隆起现象更加严重。（3）下台阶穿越研究断面后，研究断面上拱部上侧附近围岩大规模大位移沉降现象得到缓解，但拱顶附近沉降仍在继续增加。下台阶底部围岩大规模大位移隆起现象也得到缓解。（4）底部穿越研究断面后，研究断面上初期支护得以封闭成环，拱部附近围岩沉降已基本上得到控制，仰拱底部围岩上隆也一样，没有产生过大的异常变形。这说明初期支护封闭成环后，整个结构已基本上趋于稳定。

关键施工阶段围岩主应力场分析：在关键施工阶段，研究模型中研究断面上围岩最大主应力场如图7所示。由图可看出：（1）当上台阶穿越研究断面后，研究断面上围岩中上台阶底部靠近左右拱脚处出现了较小的拉应力集中，最大值为1.13 MPa，上台阶底部出现方形拉应力区，应力值都很小，隧道附近围岩除此处拉应力区外，其余皆为压应力区。原因在于，研究断面上上台阶被开挖，造成了相当大的临空面，拱顶附近围岩在竖向压力作用下向隧道内移动，迫使拱脚分别向隧道两侧围岩内移动，使得上台阶底部出现拉应力区，尤以底部靠近拱脚处为最大。（2）当阶穿越研究断面后，研究断面上围岩中阶底部出现了弓形拉应力区，阶底部靠近拱脚附近出现了拉应力集中，最大值为0.597 MPa，比上台阶穿越研究断面后围岩产生的最大拉应力值小了47%，但拉应力区域有所增大。阶拱脚处出现了较大的压应力集中，最大压应力值为0.92 MPa。（3）当下台阶穿越研究断面后，研究断面上围岩中下台阶底部虽出现了拉应力区，但比起阶穿越研究断面后围岩产生的拉应力区，不仅区域变小，最大拉应力值也小了10.5%。阶拱脚处有较大的压应力区域，但比起阶穿越研究断面后围岩产生的阶拱脚处压应力区域要小很多。（4）当底部穿越研究断面后，研究断面上隧道附近围岩中均出现了压应力区域，从整体上看，隧道附近围岩中并未出现应力集中现象。

施工完成后初期支护结构主应力分析：施工完成后初期支护结构的最大与最小主应力场如图8所示，由图可看出：（1）就最大主应力场来说，初期支护拱顶外侧大部分区域受压，只在洞口处出现小范围的拉应力区，最大压应力值为0.465 MPa。初期支护结构拱顶内测区域全部受拉，洞口处部分区域发生拉应力集中，其最大值为24.6 MPa，此区域在施工中要特别注意，及时加强此区域的初期支护，必要时要加一些临时支护来确保此区域的初期支护不被拉裂。隧道边墙初期支护内侧均受拉，拉应力不大，外侧均受压，压应力也不大。隧道底部仰拱初期支护外侧受压，内侧受拉，应力值都不大。（2）就最小主应力场来说，初期支护拱顶外侧全部受压，拱顶内侧也是全部受压，只是压应力值普遍小于外侧的，隧道边墙初期支护外侧均受压，洞口处部分区域出现压应力集中，最大值为22.9 MPa，此区域在施工中也要特别注意，及时加强此区域的初期支护，必要时要加一些临时支护来确保此区域的初期支护不被压碎，隧道边墙初期支护内侧大部分区域受压，压应力值小于外侧的压应力值，洞口处部分区域初期支护内侧出现拉应力集中，最大拉应力值也不大。隧道仰拱初期支护内侧全部受拉，外侧有的区域受拉，有的区域受压，最大拉应力值出现在仰拱初期支护内侧，其值为0.0298 MPa。

4 大断面客运专线隧道三台阶临时仰拱法

4.1 开挖施工工艺及注意事项

万山隧道洞口段Ⅴ级复合段、Ⅳ级加强段以及部分隧道Ⅴ级加强段采用台阶加临时仰拱法施工，施工步序如下：（1）上部台阶开挖，开挖①部台阶；施作①部洞身结构的初期支护，即喷射4 cm厚混凝土，架立钢架；钻设系统锚杆后复喷混凝土至设计厚，底部喷10 cm混凝土封闭。（2）中部台阶开挖：上台阶施工至适当距离后，开挖②部台阶，接长钢架，施作洞身结构的初期支护及封底，参见工序①进行。（3）下部台阶开挖：第一步：开挖③部台阶，及时封闭初期支护。参见工序②进行。（4）二次衬砌：第一步：灌筑该段Ⅳ部仰拱。第二步：灌筑该段Ⅴ部隧底填充。第三步：利用衬砌模板台车一次性灌筑二次衬砌（拱墙衬砌一次施作）。

隧道该段初期支护采用中空注浆锚杆、砂浆锚杆、钢筋网、格栅钢架、型钢钢架、喷射混凝土。支护紧跟开挖面及时施作，尽量减少围岩暴露时间，抑制围岩变形，防止围岩在短期内松弛剥落。钢架、钢筋网和锚杆在洞外构件厂加工，人工安装钢架，挂设钢筋网，锚杆台车或风动凿岩机施作系统锚杆，喷射机械手湿喷混凝土或湿喷机喷射混凝土。施工注意事项如下：（1）在软岩土层中施作时，环向隔开一定距离隔孔钻进，避免岩体注水太多可能导致围岩面滑坍。（2）浆液严格按配合比配制，并随用随配。为保证注浆效果，止浆塞打入孔口不小于10 cm，而且待排完气后立即用快凝水泥砂浆封闭止浆塞以外的孔隙，保证在规定压力下浆液不致窜出。（3）喷射中如有脱落的石块或混凝土块被钢筋网卡住时，及时清除。

4.2 仰拱混凝土工艺

测量放样，由内轨顶标高，反算仰拱基坑底标高。采用挖掘机一次性开挖到位（全断面开挖爆破一次到位，暂不出碴），人工辅助清理底部浮碴杂物。将上循环仰拱混凝土接头凿毛处理，按设计要求安装仰拱钢筋，并预留与边墙衬砌连接筋。自检合格后，报监理工程师隐蔽检查并签证，混凝土输送车运输灌筑，插入式振动棒捣固。为能尽早便于行车，采用早强型混凝土。仰拱和底板施工符合下列要求。

（1）施工前将隧底虚碴、杂物、泥浆、积水等清除，并用高压风将隧底吹洗干净，超挖采用同级混凝土回填。

（2）仰拱超前拱墙二次衬砌，其超前距离保持3倍以上衬砌循环作业长度。

（3）底板、仰拱的整体浇筑采用防干扰作业平台保证作业空间；仰拱成型采用浮放模板支架。

（4）仰拱、底板混凝土整体浇筑，一次成型。

（5）填充混凝土在仰拱混凝土终凝后浇筑，不同时浇筑。仰拱拱座与墙基同时浇筑，排水侧沟与边墙同时浇筑。

（6）仰拱施工缝和变形缝作防水处理。

（7）填充混凝土强度达到5 MPa后允许行人通行，填充混凝土强度达到设计强度的100%后允许车辆通行。

4.3 监控量测

现场监控量测是判断围岩和隧道的稳定状态、保证施工安全、指导施工生产、进行施工管理和提供设计信息的重要手段。根据以往类似隧道施工经验，结合设计文件，在施工过程中，将按照现行铁路隧道喷锚构筑法技术规范的要求进行监控量测，以量测资料为基础及时修正支护参数，使支护参数与地层相适应并充分发挥围岩的自承能力，围岩与支护体系达到最佳受力状态，并在施工中进行信息化动态管理，达到确保工程质量、施工安全和进度，合理控制投资的目的。在隧道正洞洞身支护完成后，尤其是仰拱施工完毕后，喷锚支护已闭合成环，及时进行全断面监控量测，随时掌握初期支护的工作状态，指导确定二次衬砌施作时间。在取得监测数据后，及时由专业监测人员整理分析监测数据。结合围岩、支护受力及变形情况，进行分析判断，将实测值与允许值进行比较，及时绘制各种变形或应力～时间关系曲线，预测变形发展趋向及围岩和隧道结构的安全状况，及时向项目总工程师及监理工程师汇报。

5 结论及施工建议

在建合福高铁安徽段全长520 m的万山隧道进出口地貌属于剥蚀低山区，地势起伏小，自然坡度约15°～25°，而右侧存在明显偏压问题。隧道出口DK61+215～DK61+272段设计为Ⅴ级围岩，原设计建议采用六步CD法开挖。施工中根据我单位以往的施工经验和现在的机械配置情况，开挖方法将从Ⅴ级围岩的施工方法变更为三台阶临时仰拱的开挖方法。却确保隧道的施工安全，通过系统数值试验模拟施工过程，确定了相应的施工方案，并在施工过程中进行施工总结，提出了该段围岩三台阶临时仰拱开挖施工技术。根据以上推荐方案进行了工程施工，实践证明该方案安全可靠、经济、快速地完成了万山隧道的施工，取得了良好的经济和社会效益。

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