浅谈软弱围岩隧道台阶法施工中拱脚的稳定性及其控制技术

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 浅谈软弱围岩隧道台阶法施工中拱 脚的稳定性及其控制技术 【摘 要】台阶法是软弱围岩隧 道工程的常用施工方法，其特点是隧道 拱脚变形较为显著，需要做好拱脚稳定 性控制。本文将对软弱围岩隧道台阶法 进行简单介绍，分析隧道拱脚变形特征， 在此基础上，探讨有效的拱脚稳定性施 工控制技术，包括拱脚沉降机制分析、 稳定极限状态计算、稳定性控制方法以 及技术应用效果分析等。 中国论文网 /1/view-12948345.htm 【关键字】软弱围岩；隧道台阶 法；拱脚稳定性；施工控制技术 软弱围岩隧道工程由于围岩强度 低、孔隙大、风化影响显著，在一定应 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 力水平下容易出现施工变形。目前在软 弱围岩隧道工程中，使用较多的施工技 术包括全断面法、分部施工法、台阶法 等。其中台阶法应用最多，关于台阶法 施工变形及拱脚稳定性控制问题的研究 也受到了广泛关注。但是在实际工程中， 拱脚沉降问题却没有引起足够的重视， 有必要结合工程案例进行具体研究，探 讨可行的拱脚稳定性控制技术。 一、软弱围岩隧道台阶法概述 随着国家基础设施建设进程的不 断加快，大型隧道工程越来越多，包括 公路工程和铁路工程等。在一些特殊地 质区域，隧道工程面临着软弱围岩变形 控制的难点问题。从国内目前隧道工程 施工技术的整体水平来看，台阶法是较 为先进的施工方法，在实际工程中应用 最多，广泛适用于交通类暗挖隧道。但 采用台阶法施工也面临着拱脚变形严重 的问题，会影响工程整体的稳定性。 台阶法中的上台阶拱脚变形分为 水平收敛变形和沉降变形两种形式，在 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 现有研究中关于上台阶收敛变形的研究 较多，而沉降变形却没有引起足够重视， 因此在实际工程中拱脚沉降问题日益突 出。目前关于台阶法施工的拱脚沉降研 究主要采用现场测量等方法，缺乏理论 支撑，影响了研究成果推广。因此，有 必要对隧道拱脚变形特征进行分析，结 合工程实例探讨可行的控制方法，为工 程实践提供有效参考。 二、隧道拱脚变形特征分析 对隧道工程台阶法施工的拱脚变 形特征进行分析，一般采用 FLAC3D 大 型分析软件，为施工变形展布规律的数 值分析提供支持。以某铁路隧道工程为 例，其围岩条件包含 IV、V、VI 三个 级别，参照现行铁路隧道规范中的围岩 物理力学指标，确定各级别围岩的密度、 弹性模量、泊松比、黏聚力和内摩擦角。 隧道横断面和支护结构的主要参数以 200km/h 客货共线隧道的断面标准为准， 同时考虑单线和双线两种断面形式。其 主要参数包括断面尺寸、混凝土强度、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 厚度、锚杆长度、间距和钢架间距等。 采用三维弹塑性本构模型计算分 析台阶拱脚变形规律。从计算结果来看， 拱脚变形随台阶长度的增加而增幅，且 围岩条件越差，变形幅度增长越快。随 着上台阶长度增加，拱脚沉降数值逐渐 接近拱顶沉降。比如在单线隧道中，IV 级围岩的拱脚沉降约为拱顶沉降的 30%， V 级约为 60%，VI 级约为 85%。 从计算分析结果来看，IV 级围岩采用 长台阶施工法有利于施工组织，V 级围 岩采用短台阶法、VI 级围岩采用微台 阶法较好，有利于实现拱脚变形控制。 三、软弱围岩隧道台阶法施工拱 脚稳定性控制技术 （一）拱脚沉降机制分析 对拱脚沉降机制进行分析是隧道 工程台阶法施工实现拱脚稳定性控制目 标的前提。其沉降机制包括以下几个方 面： 1.由掌子面基础效应导致的沉降， 在台阶法施工中掌子面基础变形较为显 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 著，会导致开挖面核心土上部出现整体 沉降，对上半断面的影响不容忽视； 2.基地承载刚度不足导致的拱脚 沉降，在“随挖随支 ”施工原则下，上断 面的支护结构在围岩压力作用下会产生 向下位移分量，随着开挖施工进行，围 岩压力不断增大，导致拱脚地基承载力 不足，进而引发沉降； 3.后续施工导致的沉降效果加剧 现象，在进行下台阶开挖时，支护结构 拱脚存在一定的悬空时段，拱部具有整 体下沉趋势，随着施工进行，支护结构 的荷载力不断增加，导致沉降效果加剧， 即使闭合成环后，此现象也会持续一段 时间； 4.施工技术导致的沉降，在台阶 法施工中，拱脚沉降主要受掌子面挤出 效应、支护结构支撑条件、锁脚锚杆施 工、拱脚处积水排除、支护节点质量、 闭合时机以及下台阶开挖等施工技术的 影响，要针对每个施工环节的特点和引 起施工沉降的机制，采取有效的技术控 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 制措施。 （二）围岩稳定极限状态计算 围岩稳定极限状态计算是揭示隧 道变形分布规律、实现拱脚变形控制的 关键。在台阶法施工过程中，可借鉴边 坡工程的强度折减法分析思路，判别围 岩稳定性，主要应用塑性应变突变原理 展开分析。对于深埋软弱围岩的隧道工 程，其稳定性分析不用对围岩强度进行 折减，施工过程以卸载为主，地应力不 断释放，洞体周围的围岩屈服度不断发 展，约束作用不断减弱，发展到一定程 度后，部分围岩则进入塑性流动状态， 由塑性应变转变成突变，进而发生挤入 和脱离现象。 围岩稳定极限状态即为塑性应变 突变发生时的状态，其发生区域为不稳 定围岩区域，通过对其进行分析计算， 可以预测围岩失稳轨迹。在接近稳定极 限状态时，塑性区范围快速扩大，基底 围岩随台阶高度增加，逐渐向基底剪切 失稳状态发展，拱脚处稳定性较差。加 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 强拱脚稳定控制，可以保持洞室整体的 稳定性，有利于实现变形控制。在上台 阶高度为 4m 时，水平收敛为 60.7mm，拱顶沉降为 68.8mm，上台阶 高度为 6m 时，水平收敛为 149.7mm， 拱顶沉降为 112.2mm。由此可见，上台 阶高度增加，围岩对现行承担能力也会 随之增加，可以通过适当增加上台阶高 度提高围岩稳定性。 （三）拱脚稳定性控制方法 受国内隧道工程施工技术和设备 条件所限，目前应用较多的拱脚稳定控 制方法包括锁脚锚杆法、围岩补强注浆 法、扩大拱脚支护法和临时增设仰拱法 等。其中，锁脚锚杆法和围岩补强注浆 法的控制效果较为显著，已经得到行业 内的广泛认可，技术应用较为成熟。而 另外两种方法的控制效果还有待印证， 因此本文主要对后两种方法进行分析。 其中，扩大拱脚支护法在还有 V 级、VI 级两种围岩的隧道工程中，应 用效果如下：（1）V 级围岩拱脚收敛 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 减小效果达到 10.4%，沉降减小效果达 到 73.1%；（2）VI 级围岩的拱脚收敛 减小效果达到 10.4%，沉降减小效果达 到 44.6%。对有无临时仰拱的工况进行 对比分析可以看出，采用临时增设仰拱 的控制方法，拱脚收敛减小效果为 40.3%， 墙腰收敛的减小效果为 25.0%。从中可 以看出，该方法对水平收敛的控制效果 较好，对沉降控制效果则不够显著。 在兰渝铁路两水隧道工程中，对 某区段施工进行大拱脚现场试验，该区 段的仰拱封闭与掌子面的距离在 30m 以 内，通过现场试验测量发现，扩大拱脚 支护法对拱脚变形控制效果较为显著， 水平收敛减小效果为 19%，拱顶沉降减 小效果为 53%。在实际工程中，应在分 析拱脚变形机制、计算围岩稳定极限状 态的基础上，合理选择拱脚变形控制方 法，为施工安全和隧道结构稳定性提供 保障。 四、Y 束语 综上所述，拱脚变形是隧道工程 -精选财