1、大斷面軟弱偏壓淺埋客運專線隧道施工開挖方案對比分析 摘 要：針對在建合福高鐵安徽段全長520 m的萬山隧道進出口DK61+215DK61+272段淺埋偏壓的特點，結合已有工程施工技術，提出了相應的施工方案；在此基礎上結合隧道工程施工實際情況對提出的施工方案進行了比較分析，初步確定了隧道可采用的“三臺階仰拱法”；對隧道采用“三臺階仰拱法”施工方案進行了數值模擬，提出了該段圍巖三臺階臨時仰拱開挖施工技術。現場實施表明三臺階法施工具有循環時間縮短，人員數量活動空間較大，施工安全、可靠快速的特點，萬山隧道施工實踐為同類隧道的施工提供了有意的借鑒作用并取得了良好的經濟和社會效益。 關鍵詞：隧道工程 淺埋

2、偏壓 施工技術 數值模擬分析 中圖分類號：U459.2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（b）-0075-04 新建鐵路合福線合肥至福州段HFZQ-2標段起訖里程為DK32+058DK122+089，線路長度為90.031 km，位于安徽省境內，標段起點至巢湖主要為江淮沖積平原壟崗地貌區，崗地坳谷相間，地形開闊，地勢略有起伏，地面標高2150 m；局部地段為一級階地，低山丘陵地形起伏較大，相對高差80150 m，植被較發育；河流一級階地地勢平坦，地面標高510 m。巢湖一帶為巢湖湖積平原區及清溪河、裕溪河一級階地，地勢較平坦，地面標高68 m；局部地段為剝蝕低山區，

3、地形起伏較大，相對高差50100 m，植被發育。標段內地形平坦、開闊，區內城鎮較多，交通便利。本標段共分布隧道4座，均為雙線隧道，隧道總長2.631 km。其中1 kmL2 km隧道1081 m/1座，L1km隧道1550 m/3座。其中，全長520 m的萬山隧道進出口地貌屬于剝蝕低山區，地勢起伏小，自然坡度約1525，而右側存在明顯偏壓問題。隧道出口DK61+215DK61+272段設計為級圍巖，原設計建議采用六步CD法開挖。施工中根據我單位以往的施工經驗和現在的機械配置情況，開挖方法將從級圍巖的施工方法變更為三臺階七步的開挖方法。為確保隧道的施工安全，通過系統數值試驗模擬施工過程，確定了相

4、應的施工方案，并在施工過程中進行施工總結，提出了該段圍巖三臺階七步開挖施工技術，指導了該隧道的施工，取得了良好的經濟和社會效益。 1 擬采用的施工方案分析 在建合福高鐵安徽段萬山隧道位于合福線合肥至福州段，隧道全長520 m，隧道進出口里程分別為：DK60+787、DK61+307。隧道穿越向斜構造，地貌屬于剝蝕低山區，地勢起伏小，自然坡度約1525，右側存在偏壓問題。出口DK61+215DK61+272段原設計是級圍巖，建議采用六步CD法在57 m長的隧道范圍內開挖施工。現場勘查得出，里程為DK61+215的掌子面是強風化淺黃色泥巖，存在為基巖裂隙水的地下水，一般發育。為確保隧道的施工安全，

5、對隧道該段采用不同施工隧道的適用性進行系統分析，以期在此基礎上確定隧道該段的施工方案，指導該隧道的施工。 1.1 施工方案的初步比選 各擬采用施工方案分別為中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）、雙側壁導坑法、底部雙洞法、三臺階仰拱法與新意法。CD法施工步序如圖1所示，施工步序如下：首先縱向接長鋼架，施做超前支護，開挖1分部巖體，及時施做初期支護與臨時支護，施做鋼拱架鎖腳錨桿；當1分部掌子面超前2分部掌子面適當距離后，開挖2分部巖體，橫斷面上接長初期支護與臨時支護，如此，按序號排列，施工3、4、5、6分部；然后逐段拆除仰拱區域內的臨時支護，拆除長度由現場監測結果分析來定，一次拆除長度要小

6、于10 m，拆除臨時支護后要及時施做仰拱部二襯及仰拱回填；然后再逐段拆除余下來的臨時支護；最后借助襯砌模板臺車一次性施做余下來的二次襯砌。 CRD法施工步序如圖2所示，施工步序如下：首先縱向接長鋼架，施做超前支護，開挖1分部，及時施做初期支護及臨時支護，施做鋼拱架鎖腳錨桿；當1分部掌子面超前2分部掌子面適當距離后，開挖2分部，橫斷面上接長鋼架，及時施做初期支護及臨時支護，如此，按序號排列，施工3、4、5、6分部；然后逐段拆除仰拱區域內的臨時支護，拆除長度由現場監測結果分析來定，一次拆除長度要小于10 m。拆除臨時支護后要及時施做仰拱部二襯及仰拱回填；然后再逐段拆除余下來的臨時支護；最后再借助襯

7、砌模板臺車一次性施做余下來的二次襯砌。 雙側壁導坑法施工步序如圖3所示，施工步序如下：首先縱向接長鋼架，施做超前支護，開挖1分部，及時施做初期支護及臨時支護，施做鋼拱架鎖腳錨桿；其次當1分部掌子面超前2分部掌子面適當距離后，開挖2分部，橫斷面上接長鋼架，施做初期支護及臨時支護，如此，按照序號排列，施工3、4、5、6、7分部；然后逐段拆除仰拱區域內的臨時支護，拆除長度由現場監測結果分析來定，一次拆除長度要小于10 m，拆除臨時支護后要及時施做仰拱部二襯及仰拱回填；然后再逐段拆除余下來的臨時支護；最后借助襯砌模板臺車一次性施做余下來的二次襯砌。 三臺階仰拱法施工步序如圖4所示，施工步序如下：首先縱

8、向接長鋼架，施做超前支護，開挖1分部，及時施做初期支護，施做鋼拱架鎖腳錨桿；其次當1分部掌子面前進適當距離后，開挖2分部土體，橫斷面上接長鋼架，施做初期支護，如此，按照序號排列，施工3、4分部；然后根據監測結果的分析，在適當的時候，施做仰拱二襯及隧底填充；最后借助襯砌模板臺車一次性施做二次襯砌。 新意法施工工序如下：首先采用適當數量、適當長度的玻璃纖維構件加固超前核心土；其次全斷面開挖，每循環長度0.71 m；待開挖至被加固超前核心土剩余適當長度后，停止開挖，再采用適當數量、適當長度的玻璃纖維構件加固超前核心土，然后再開挖。在開挖過程中，一旦出現新的掌子面或者隧道開挖輪廓面，要立即對其噴適當厚

9、度的噴射混凝土，以保護掌子面與邊墻，開挖后要立即架設鋼拱架，并要確保新架設的鋼拱架與已架設的鋼拱架連接牢固，架設拱架完畢后，噴射鋼纖維混凝土，完成初期支護的施做，厚度約40 cm；在距掌子面大于1倍洞徑的地方施工邊墻和仰拱，并且澆筑邊墻與仰拱；在距掌子面大于5倍洞徑的地方澆筑二次襯砌。 2.1 各施工方案施工適應性對比 萬山隧道圍巖地質條件復雜，圍巖軟弱，施工難度大，工程地質主要以砂巖、砂礫巖、灰巖夾頁巖為主。隧道為大斷面隧道，隧道整個斷面面積約為140 m2，跨度為14.8 m，高為13.2 m，因此它算得上是大斷面隧道。在隧道施工中，斷面面積大會造成很多的施工風險，圍巖形變壓力大，擠壓變形

10、很嚴重。 采用中隔壁法（CD法）施工時大斷面被分割成6個小斷面，只是2分部與5分部交界處無臨時橫撐，4分部與6分部交界處也無臨時橫撐，各分部掌子面錯開一定距離后同時開挖，各分部開挖斷面小，掌子面的穩定易得到保證；同時，各分部斷面面積小，施工作業循環快，開挖后支護可及時施做；若地質狀況發生變化，該方案可迅速轉變為CRD法或三臺階仰拱法等；對大斷面隧道的拱頂沉降起到一定的控制作用；但該方法臨時支護多，施做與拆除均較麻煩，不便于大型機械化施工。采用交叉中隔壁法（CRD法）施工，大斷面被分割成6個小斷面，與CD法不同的是，2分部與5分部交界處有臨時橫撐，4分部與6分部交界處也有臨時橫撐，各分部掌子面錯

11、開一定距離后同時開挖，各分部開挖斷面較小，掌子面的穩定易得到保證；同時，各分部開挖斷面面積小，施工作業循環快，開挖后支護可及時施做；且該方法可隨著地質變化改變成三臺階仰拱法、CD法等，對地質變化的適應性較強，對大斷面的拱頂沉降與周邊水平收斂能起到抑制作用；但與CD法相比，臨時支護較多，施做與拆除更麻煩，施工作業空間更加狹窄，不便于大型機械化施工。 采用雙側壁導坑法施工，大斷面被分割成7個小斷面，斷面分割更細，掌子面的穩定更易得到保證；1、2分部組成一個超前導坑，3、4分部組成一個超前導坑，兩側超前導坑可準確預知前方地質，及時采取必要措施改良不良地質；由于超前導坑的開挖與及時支護，隧道邊墻水平收

12、斂易得到抑制；但當地質發生變化后，轉變為其它施工方法比較困難；且各分部斷面小，不便于大型機械化施工。新意法全斷面一次性開挖，便于大型機械化施工，施工速度極快；必須做足地質勘查，制定出非常詳細的支護方案后方可施工；加固超前核心土，需要大量的玻璃纖維構件；時刻監測掌子面的擠出變形，一旦有異常，立即加強超前核心土的加固；比起前幾種施工方案，新意法有著更為復雜的勘查工作、診斷工作與監測工作。當地質條件變好后，轉變為其它施工方法較易。 采用三臺階仰拱法施工，大斷面被分割成4個斷面，斷面分割較粗，但初期支護連接較易，較牢靠。施工循環快，整個大斷面隧道初期支護封閉一次，需要花費的工序較少；當地質變化后，轉變

13、為其它施工方法較易；且便于大型機械化施工，施工速度快；同時無臨時支護，施工作業較為簡便。 通過以上分析可知：（1）針對萬山隧道的圍巖自穩能力差，為了避免萬山隧道一出現異常就出現大的異常，甚至會到無法控制的局面，萬山隧道適合采用小斷面施工，適合采用人工開挖或小型機械化施工，因此，新意法不便于被采用。（2）針對隧道中已完成施工的支護易開裂的情況，在隧道施工中要及時封閉大斷面初期支護結構，尤其施工中要盡可能保證大斷面隧道拱部初期支護的一次性施做，避免施工中大斷面隧道拱部出現偏壓現象，因此，三臺階仰拱法較為適合。根據萬山隧道本身所特有的工程特性，結合以上的分析，初步選出三臺階仰拱法為隧道的初定施工方案

14、。 3 大斷面客運專線隧道三臺階施工穩定性分析 3.1 有限元模型及參數 依據萬山隧道級圍巖洞身段的地質條件，并且隧道結構開挖地域屬于淺埋位置，所以在計算分析時應該把自重作用下的初始應力場著重考慮，先不考慮構造應力的對其影響，在級圍巖設計方案中考慮了超前支護進行初始地應力的計算，超前支護是在隧道頂部預先施工的頂管棚。根據圣維南原理，對于山嶺隧道，數值模擬中的圍巖尺寸一般取隧洞開挖斷面的35倍洞徑（或洞跨），模型邊界沿模型x方向取50 m，沿負x方向也取50 m，沿負y方向取40 m，沿y方向取至平均地表，沿負z方向取60 m，整個隧道模型建成后的大小為100 m100 m60 m，隧道開挖軸線

15、方向2 m一個網格，模擬施工中的步距。圍巖采用solid單元模擬，初期支護與臨時支護采用shell單元模擬。（表1） 3.2 各施工方案數值模擬步驟 三臺階仰拱法施工模擬步驟中各分部情況如圖5所示，施工模擬步驟為：首先建立三維實體模型，施加重力加速度和邊界條件，求解；其次開挖上臺階土體，縱向開挖至2 m處，及時施作初期支護，求解；保持上臺階土體繼續開挖以及繼續及時施做初期支護，開挖步距為2 m，開挖一步，求解一步，當上臺階開挖至4 m時，同時開挖中臺階土體至2 m處，及時施作初期支護，求解；保持上、中臺階同時開挖以及同時及時施做初期支護，開挖步距為2 m，開挖一步，求解一步，當中臺階開挖至6

16、m時，同時開挖下臺階土體至2 m處，及時施做初期支護，求解；保持上、中、下臺階同時開挖以及同時及時施做初期支護，開挖步距為2 m，開挖一步，求解一步，當下臺階開挖至12 m時，同時開挖底部仰拱部分土體至2 m處，及時施做初期支護，求解；保持各分部同時向前開挖，開挖步距為2 m，開挖后及時施作初期支護，求解，開挖一步，求解一步，直至隧道全部挖通為止。 3.3 數值模擬結果分析 取模型中Z=-30 m斷面為研究斷面，斷面Z=-30 m斷面Z=-32 m的模型為研究模型。研究斷面上圍巖第一次被施工一直至研究斷面上大斷面隧道的初期支護封閉成環，這一施工階段被取為關鍵施工階段。在關鍵施工階段，研究模型中

17、研究斷面上圍巖累計沉降位移場如圖6所示，由此圖可以看出：（1）上臺階穿越研究斷面后，研究斷面上拱部上側附近出現了較大的累計沉降區域，最大沉降點出現在拱頂。上臺階底部全部向上隆起，最大隆起點為上臺階底部中點。這是因為研究斷面上上臺階突然被開挖，圍巖向隧道內移動，應力釋放，導致出現了較大的沉降與上隆。（2）中臺階穿越研究斷面后，研究斷面上拱部上側附近出現了更大的累計沉降區域，最大沉降點還是拱頂點。中臺階底部出現了更大的圍巖隆起區，隆起現象更加嚴重。（3）下臺階穿越研究斷面后，研究斷面上拱部上側附近圍巖大規模大位移沉降現象得到緩解，但拱頂附近沉降仍在繼續增加。下臺階底部圍巖大規模大位移隆起現象也得到

18、緩解。（4）底部穿越研究斷面后，研究斷面上初期支護得以封閉成環，拱部附近圍巖沉降已基本上得到控制，仰拱底部圍巖上隆也一樣，沒有產生過大的異常變形。這說明初期支護封閉成環后，整個結構已基本上趨于穩定。 關鍵施工階段圍巖主應力場分析：在關鍵施工階段，研究模型中研究斷面上圍巖最大主應力場如圖7所示。由圖可看出：（1）當上臺階穿越研究斷面后，研究斷面上圍巖中上臺階底部靠近左右拱腳處出現了較小的拉應力集中，最大值為1.13 MPa，上臺階底部出現方形拉應力區，應力值都很小，隧道附近圍巖除此處拉應力區外，其余皆為壓應力區。原因在于，研究斷面上上臺階被開挖，造成了相當大的臨空面，拱頂附近圍巖在豎向壓力作用下

19、向隧道內移動，迫使拱腳分別向隧道兩側圍巖內移動，使得上臺階底部出現拉應力區，尤以底部靠近拱腳處為最大。（2）當中臺階穿越研究斷面后，研究斷面上圍巖中中臺階底部出現了弓形拉應力區，中臺階底部靠近拱腳附近出現了拉應力集中，最大值為0.597 MPa，比上臺階穿越研究斷面后圍巖產生的最大拉應力值小了47%，但拉應力區域有所增大。中臺階拱腳處出現了較大的壓應力集中，最大壓應力值為0.92 MPa。（3）當下臺階穿越研究斷面后，研究斷面上圍巖中下臺階底部雖出現了拉應力區，但比起中臺階穿越研究斷面后圍巖產生的拉應力區，不僅區域變小，最大拉應力值也小了10.5%。中臺階拱腳處有較大的壓應力區域，但比起中臺階

20、穿越研究斷面后圍巖產生的中臺階拱腳處壓應力區域要小很多。（4）當底部穿越研究斷面后，研究斷面上隧道附近圍巖中均出現了壓應力區域，從整體上看，隧道附近圍巖中并未出現應力集中現象。 施工完成后初期支護結構主應力分析：施工完成后初期支護結構的最大與最小主應力場如圖8所示，由圖可看出：（1）就最大主應力場來說，初期支護拱頂外側大部分區域受壓，只在洞口處出現小范圍的拉應力區，最大壓應力值為0.465 MPa。初期支護結構拱頂內測區域全部受拉，洞口處部分區域發生拉應力集中，其最大值為24.6 MPa，此區域在施工中要特別注意，及時加強此區域的初期支護，必要時要加一些臨時支護來確保此區域的初期支護不被拉裂。

21、隧道邊墻初期支護內側均受拉，拉應力不大，外側均受壓，壓應力也不大。隧道底部仰拱初期支護外側受壓，內側受拉，應力值都不大。（2）就最小主應力場來說，初期支護拱頂外側全部受壓，拱頂內側也是全部受壓，只是壓應力值普遍小于外側的，隧道邊墻初期支護外側均受壓，洞口處部分區域出現壓應力集中，最大值為22.9 MPa，此區域在施工中也要特別注意，及時加強此區域的初期支護，必要時要加一些臨時支護來確保此區域的初期支護不被壓碎，隧道邊墻初期支護內側大部分區域受壓，壓應力值小于外側的壓應力值，洞口處部分區域初期支護內側出現拉應力集中，最大拉應力值也不大。隧道仰拱初期支護內側全部受拉，外側有的區域受拉，有的區域受壓

22、，最大拉應力值出現在仰拱初期支護內側，其值為0.0298 MPa。 4 大斷面客運專線隧道三臺階臨時仰拱法 4.1 開挖施工工藝及注意事項 萬山隧道洞口段級復合段、級加強段以及部分隧道級加強段采用臺階加臨時仰拱法施工，施工步序如下：（1）上部臺階開挖，開挖部臺階；施作部洞身結構的初期支護，即噴射4 cm厚混凝土，架立鋼架；鉆設系統錨桿后復噴混凝土至設計厚，底部噴10 cm混凝土封閉。（2）中部臺階開挖：上臺階施工至適當距離后，開挖部臺階，接長鋼架，施作洞身結構的初期支護及封底，參見工序進行。（3）下部臺階開挖：第一步：開挖部臺階，及時封閉初期支護。參見工序進行。（4）二次襯砌：第一步：灌筑該段

23、部仰拱。第二步：灌筑該段部隧底填充。第三步：利用襯砌模板臺車一次性灌筑二次襯砌（拱墻襯砌一次施作）。 隧道該段初期支護采用中空注漿錨桿、砂漿錨桿、鋼筋網、格柵鋼架、型鋼鋼架、噴射混凝土。支護緊跟開挖面及時施作，盡量減少圍巖暴露時間，抑制圍巖變形，防止圍巖在短期內松弛剝落。鋼架、鋼筋網和錨桿在洞外構件廠加工，人工安裝鋼架，掛設鋼筋網，錨桿臺車或風動鑿巖機施作系統錨桿，噴射機械手濕噴混凝土或濕噴機噴射混凝土。施工注意事項如下：（1）在軟巖土層中施作時，環向隔開一定距離隔孔鉆進，避免巖體注水太多可能導致圍巖面滑坍。（2）漿液嚴格按配合比配制，并隨用隨配。為保證注漿效果，止漿塞打入孔口不小于10 cm

24、，而且待排完氣后立即用快凝水泥砂漿封閉止漿塞以外的孔隙，保證在規定壓力下漿液不致竄出。（3）噴射中如有脫落的石塊或混凝土塊被鋼筋網卡住時，及時清除。 4.2 仰拱混凝土工藝 測量放樣，由內軌頂標高，反算仰拱基坑底標高。采用挖掘機一次性開挖到位（全斷面開挖爆破一次到位，暫不出碴），人工輔助清理底部浮碴雜物。將上循環仰拱混凝土接頭鑿毛處理，按設計要求安裝仰拱鋼筋，并預留與邊墻襯砌連接筋。自檢合格后，報監理工程師隱蔽檢查并簽證，混凝土輸送車運輸灌筑，插入式振動棒搗固。為能盡早便于行車，采用早強型混凝土。仰拱和底板施工符合下列要求。 （1）施工前將隧底虛碴、雜物、泥漿、積水等清除，并用高壓風將隧底吹洗

25、干凈，超挖采用同級混凝土回填。 （2）仰拱超前拱墻二次襯砌，其超前距離保持3倍以上襯砌循環作業長度。 （3）底板、仰拱的整體澆筑采用防干擾作業平臺保證作業空間；仰拱成型采用浮放模板支架。 （4）仰拱、底板混凝土整體澆筑，一次成型。 （5）填充混凝土在仰拱混凝土終凝后澆筑，不同時澆筑。仰拱拱座與墻基同時澆筑，排水側溝與邊墻同時澆筑。 （6）仰拱施工縫和變形縫作防水處理。 （7）填充混凝土強度達到5 MPa后允許行人通行，填充混凝土強度達到設計強度的100%后允許車輛通行。 4.3 監控量測 現場監控量測是判斷圍巖和隧道的穩定狀態、保證施工安全、指導施工生產、進行施工管理和提供設計信息的重要手段。

26、根據以往類似隧道施工經驗，結合設計文件，在施工過程中，將按照現行鐵路隧道噴錨構筑法技術規范的要求進行監控量測，以量測資料為基礎及時修正支護參數，使支護參數與地層相適應并充分發揮圍巖的自承能力，圍巖與支護體系達到最佳受力狀態，并在施工中進行信息化動態管理，達到確保工程質量、施工安全和進度，合理控制投資的目的。在隧道正洞洞身支護完成后，尤其是仰拱施工完畢后，噴錨支護已閉合成環，及時進行全斷面監控量測，隨時掌握初期支護的工作狀態，指導確定二次襯砌施作時間。在取得監測數據后，及時由專業監測人員整理分析監測數據。結合圍巖、支護受力及變形情況，進行分析判斷，將實測值與允許值進行比較，及時繪制各種變形或應力

27、時間關系曲線，預測變形發展趨向及圍巖和隧道結構的安全狀況，及時向項目總工程師及監理工程師匯報。 5 結論及施工建議 在建合福高鐵安徽段全長520 m的萬山隧道進出口地貌屬于剝蝕低山區，地勢起伏小，自然坡度約1525，而右側存在明顯偏壓問題。隧道出口DK61+215DK61+272段設計為級圍巖，原設計建議采用六步CD法開挖。施工中根據我單位以往的施工經驗和現在的機械配置情況，開挖方法將從級圍巖的施工方法變更為三臺階臨時仰拱的開挖方法。卻確保隧道的施工安全，通過系統數值試驗模擬施工過程，確定了相應的施工方案，并在施工過程中進行施工總結，提出了該段圍巖三臺階臨時仰拱開挖施工技術。根據以上推薦方案進

28、行了工程施工，實踐證明該方案安全可靠、經濟、快速地完成了萬山隧道的施工，取得了良好的經濟和社會效益。 參考文獻 1 樹銘.地鐵暗挖施工超前支護技術分析J.現代城市軌道交通，2007（1）. 2 尹文平.深圳富水軟弱地層地鐵暗挖施工引起的地表沉降及變形控制技術研究D.北京交通大學，2010. 3 王文通.地鐵暗挖法地表合理沉降限值的研究J.現代城市軌道交通，2006（2）. 4 呂勤，張頂立，黃俊.城市地鐵暗挖施工地層變形機理及控制實踐J.中國安全科學學報，2003（7）. 5 肖昌軍，徐海燕.北京地鐵10號線勁松站粉細砂層中暗挖導洞施工技術J.鐵道標準設計，2008（12）. 6 徐代宏.淺埋偏壓軟弱圍巖隧道施工技術D.西南交通大學，2007. 7 王林.黃（山）塔（嶺）高速公路大跨度隧道施工技術研究D.長安大學，2008. 8 陳志良.超淺埋暗挖隧道施工技術研究J.鐵道標準設計，2004，10：83-86. 9 侯小軍.鄭西客運專線秦東大斷面黃土隧道施工技術研究D.西南交通大學，2009.