客运专线客运专线三台阶七步开挖法在大断面黄土隧道施工中的应用论文Word格式.docx

1、但是该方法在我国尚属探索阶段，特别是各开挖分部阶段隧道围岩与支护结构的受力与变形特征的认识有待于进一步深入。采用三台阶七步法开挖黄土大断面浅埋隧道风险大，对施工技术和管理水平也提出了很高的要求，在应用该工法过程中易引发大变形和塌方等工程事故。因此，开展大断面黄土隧道三台阶七步开挖法的适应性研究，结合现场监控量测信息反馈，通过分析三台阶七步开挖法施工过程中隧道围岩与结构的变形和受力特点，以及施工参数和相应的辅助技术措施，确保顺利通过黄土地层，保证隧道围岩稳定性，同时对于三台阶七步开挖法的推广应用具有参考作用对于三台阶七步开挖法的进一步完善将具有促进作用。1.2 国内外大断面隧道建设概况国外发达国

2、家非常重视公路隧道建设，尤其是北欧的瑞典、挪威、奥地利和我国的邻国韩国、日本在发展公路隧道技术方面处于领先地位，在过去三十多年里，在大跨度公路隧道建设中积累了丰富的经验。目前，国外隧道工程技术也正朝大断面扁平趋势发展，如日本第二东名公路初期建设的三车道隧道断面面积在113170m2之间，比一般双车道的85m2大1.52.0倍。近期为适应140km/h高速度的要求而规划的三车道公路隧道，其断面面积达170200m2，局部高达230m2的超大断面，其开挖宽度达23m，较初期三车道断面增加1.31.5倍。英法海峡隧道分叉处断面的开挖宽度达21.2m，开挖高度达15.4m，开挖断面为252m2。又如日

3、本的第二布引隧道，分叉段从2车道（净空断面积59m2）变化到4车道（最大开挖宽度24m，开挖面积240m2 ）。韩国在大跨度隧道的建设方面也在迎头赶上，在上世纪八十年代后期，韩国进行了大规模的以汉城为中心的四车道高速公路改扩建为八车道高速公路，于是出现了四车道高速公路大跨度隧道，其中最早完工的是1992年开始建设的清溪隧道，左右线平均长度500m，开挖断面面积达到186.42m2，按隧道内衬砌轮廓线计算，净宽为17.94m，拱高为9.875m，采用三心圆扁平拱式断面。现在，韩国在建和已建成的四车道大跨度公路隧道己经有11座，均采用NATM法施工。目前，国内在大断面隧道修建技术上也积累了大量经验

4、。80年代前，我国修建了很多大断面铁路隧道，比如松树坡车站隧道、柳林河隧道、文畈隧道等等，其断面积都在170m2以上。80年代后，我国又修建了狗磨湾、鹰山一号隧道等铁路大断面隧道，其断面积都在200m2以上。国内在近十年里很重视公路隧道建设技术的提高，在二车道公路隧道的建设上积累了一些经验，也先后建成了一些三车道公路隧道，另有一些大断面公路隧道正在规划、设计和施工中。表1 列出了国内近年部分修建或在建的大断面隧道。 纵观我国修建的大断面隧道，其断面形式和支护参数的选择都和当时的技术发展水平有关。80年代以前基本采用直墙式断面，不设置仰拱，没有采用喷锚支护手段，且衬砌非常厚。80年代后，我国在隧

5、道修建技术有明显提高，许多隧道的断面形状采用了曲墙式，并设置了仰拱，但对支护参数优化方面研究还不够，基本思想还是考虑二次衬砌是主要承载结构，这显然不符合现代支护概念。我国同国外的差距主要表现在：由于岩石的物理力学特性及隧道工程地质条件相当复杂，再加上国内在勘察设计上无国家统一规范，因此在大断面隧道施工上也千差万别，施工方法多种多样，没有统一的标准。因此有必要对大断面隧道的修建技术进行深入研究。表1 国内近年部分修建或在建的大断面隧道一览表高速公路或铁路隧道名称修建时间最大断面面积施工方法广州地铁二号线公纪区间隧道2001年253.7 m2双侧壁导坑法渝怀铁路旗号岭隧道2003年三台阶七步开挖法

6、沈大高速公路金州隧道2004年329.6 m2正台阶法和侧壁导坑法同三、京珠国道主干线龙头山隧道2006年229.4 m2武广客运专线牛轭湾隧道150 m2长沙火星大道天际岭隧道上下短台阶法宁（南京）淮（安）高速公路老山隧道178.93 m2正台阶法温福客运专线刘洋寨隧道2007年京广铁路北京鹰山1#三线铁路隧道223.5 m2正台阶弧形导坑法惠州深圳沿海高速公路牛湖山隧道158.85 m2深圳市福龙路横龙山隧道304 m2正台阶法和双侧壁导坑法郑西客运专线张茅隧道2008年164 m21.3 软弱围岩大断面隧道施工方法随着隧道工程建设的发展，以及施工技术研究工作的深入和机械设备的不断推陈出新

7、，尤其是新奥法理论的日趋完善和TBM施工方法在世界范围内的广泛应用，使大断面隧道施工方法较80年代前后有了很大的改进。传统的挖掘方法已经基本淘汰，取而代之的更快速、更安全、更有效、更有利于围岩及掌子面稳定的大断面开挖掘进的多种施工新技术，如台阶法、CD法和CRD法、TBM法、导坑法等等。同时辅助工法也有较大的发展，新技术、新材料不断涌现。日本、德国等一些发达国家在这方面的探索和研究起步较早。早在1981年，德国就首创了CD工法，并成功应用了双侧壁工法、眼睛工法等先进施工方法。1984年，日本也将CD工法应用于大断面扁平状的真米公路隧道施工中，1995年，开挖面积达265m2的恩格贝格山岭公路隧

8、道则采用了3层7步暗挖复合衬砌技术施工方法。还有日本东名高速公路改造工程中的隧道加宽施工中，也广泛地采用了双侧壁导坑法、上下短台阶法、上半断面一次封闭法、CD工法、CRD工法等多种施工方法。上述施工技术的改进和发展对大断面隧道的建设产生了巨大的影响，并在我国己经建成的很多大断面公路隧道中得到实践。如京珠高速公路靠椅山公路隧道（128.25m2）采用超前管棚或小导管锚杆支护，双侧壁导坑法施工；北京长安街过街通道及地铁天安门站（335.44m2）采用CRD法施工；郑西客运专线张茅隧道（164 m2）采用三台阶七步开挖法施工，顺利穿过湿陷性黄土地带。这些施工技术的改进和发展对大断面隧道的建设也产生了

9、巨大的影响，一方面推动了大断面隧道的建设，另一方面隧道断面形式、施工方式也日趋经济、合理和科学。1.3.1 大断面隧道开挖施工工法从目前的施工技术水平来看，适合于大断面隧道的开挖方法主要有:（1）台阶法根据台阶长度大体分为长台阶法、短台阶法和超短台阶法三种，三种方式中的台阶长度是依初次支护形成闭合断面的时间决定的，围岩越差，闭合时间要求越短。对于一般的隧道断面，适当地选择台阶长度，能适应从土到岩质比较广泛的地质。台阶法采用可靠性强的超前支护以确保掌子面的稳定。从改善开挖前地层的角度来看，超前支护可在一定程度上控制拱顶范围的松弛。同时因其开挖空间大，适合大型机械快速施工；施工条件有利于作业，可以

10、说该方法在超前支护、辅助工法的配合下，能适应各类围岩条件下的施工并能形成有效的支护体系，适应性强。由于传统的施工方法的影响，我国大多数隧道都采用了这种方法，这种施工方法使用设备简单、费用较低、工序简单。但由于隧道开挖跨度大、高跨比小，开挖时应特别注意初期支护的及时性及各工序间的衔接。（2）中隔壁工法（CD法）在掌子面不稳定，不适合使用台阶法的情况下可使用中隔壁法。该法可较好的使用于浅埋、围岩特别差、地表沉陷要求严格的工程施工。它将开挖断面分成左右两部分，使开挖掌子面减小，变大跨度为小跨度开挖，促进掌子面和顶板稳定，抑制拱顶沉降和地表下沉。（3）交叉中隔壁工法（CRD法）此工法是中隔壁工法和台阶

11、法的综合。CRD法是新奥法施工中解决大断面施工的有效方法之一，其最大特点是将大断面化成小断面，步步成环，每个施工阶段都是一个完整的受力体系，结构受力明确，变形小，沉降量小。采用CRD法施工必须坚持“管超前，严注浆，早成环，环套环”的施工方针，控制台阶长度即施工进尺，同时坚持及时量测，并根据量测信息调整施工进尺。根据大量的实测资料，CRD法比CD法减少地表沉降将近50；但CD法引起的地表沉降又小于眼镜工法。但在CD法、CRD法的施工过程中，拆除中壁作业复杂，施工条件相对较差，不宜采用大型机械快速施工，而且临时施工支护多，投入大，不经济。（4）侧壁导坑法在不适合使用上半断面台阶法，承载力不足的地段

12、，可采用双侧壁导坑法。（5）三导坑法即中导坑先行，再分别进行右线隧道主洞和左线隧道主洞的开挖，多用于特大断面公路隧道或连拱隧道。三导洞法因需进行多次开挖和导坑临时支护撤出，有损围岩的局部自稳，如支护不当易诱发局部坍方。同时因多次开挖和支护的撤出，会较大幅度增加工程造价并导致工期的延长。（6）全断面法仅围岩地质条件很好的条件下适用，其开挖速度较快。我国双岭隧道、真武山隧道就采用了这种开挖方法。在软弱地层条件下，目前国外常采用超前全断面加固措施，然后采用全断面开挖。各种工法的比较如表2所示。1.3.2 施工方法的选择（1）开挖力学行为的剖析隧道开挖后，由于周边应力解除，一部分范围内的岩体发生变形并

13、朝隧道内移动，岩体中的初始应力也随着调整变化，并在一定范围内的岩体中进行重新分布。这种重分布后的应力状态，称为二次应力，也就是围岩应力，隧道开挖使围岩的三向受力状态按近于二向受力状态转化，加之围岩的变形和移动，使各种软弱结构面受到不同程度的破坏或松弛，特别是爆破和风化的影响，使节理、裂隙进一步加剧发展，因而开挖后的岩体强度一般要比开挖前低。这种由于开挖而降低了的岩体强度，称为二次强度。研究隧道围岩的稳定性，最重要的就是研究围岩的二次应力和二次强度。显然，在二次应力高于二次强度的地段，围岩最可能首先失稳破坏，围岩的局部失稳和破坏，改变了隧道的边界条件，又引起二次应力重分布和二次强度的重新变化，从

14、而在新的部位产生新的局部失稳和破坏，破坏变化平衡再破坏再变化再平衡，这时采取支护措施使其稳定，即采取主动控制围岩应力重分布，主动加固围岩减小围岩变形。表2 各种工法性能比较表开挖方法台阶法中壁法（CD）交叉中壁法（CRD）双侧壁法三导坑法工法安全性不够安全较安全安全施工技术难度低较高高很高机械适应性大、中型中、小型小型施工工序工序简单工序较多工序多工序繁多工期工序快较慢慢造价掌子面稳定性稳定性一般稳定性较好稳定性好地面沉陷大较大较小工序转换容易较难难围岩控制较差较好好地质适应性强较强一般配合辅助工法支护时效性从力学观点看，软岩大断面隧道的分次开挖过程实际上是对围岩的不同部位，时而做加载、时而做

15、卸载的复杂加卸载过程。软弱围岩是一种特定条件下的具有显著塑性变形的复杂力学介质，其岩体力学性质主要表现为非线性大变形力学特性。对于软岩大断面隧道来讲，其开挖方式一般采用分部法或者导硐法，硐室的开挖是一个随时间、空间不断变化的施工过程。根据软岩的非线性大变形力学特性，不同的开挖（卸载）顺序将会产生不同的围岩变形结果。因此，软岩大断面隧道的施工方法应结合工程实际条件，采用相应的施工方法，这时其支护设计不能简单地用参数设计来进行，而应采用适合于软岩大变形的非线性力学的设计方法。（2）开挖方法的优选隧道的开挖是一个不可逆的非线性力学的动态演变过程，施工期和运营期的隧道稳定状态无疑均和这个过程紧密相关，

16、甚至可以说工程的成败关键在于施工。也就是说，隧道稳定是一个和应力历史有关的问题。大型地下工程，不管是水电洞室群，还是大跨度隧道，都避免不了分期或分部（块）开挖。这不仅和工程地质条件相关，而且还和施工硬件开挖设备、运输设备、支护材料及支护设备密切有关，更离不开目前的施工经验积累和理论成果水平。施工方法的选择应以地质条件为主要依据，结合工期、建筑物长度、断面尺寸、结构类型以及施工技术力量等综合考虑。同时，要考虑在地质条件变化的情况下，变换施工方法的可能性。其指导思想可概括为：1）不论何种施工方案都应确保施工的安全，并需制定相应的安全技术措施，以适应隧道施工环境差、不安全因素多的状况。2）选择施工方

17、法应根据设计文件、施工调查情况、地质、围岩类别、隧道长度、断面、衬砌、工期要求以及施工队伍的技术水平等因素综合考虑。3）优先选用全断面或少分部的开挖方法，以减少施工工序，便于机械化作业，改善作业环境，利于施工安全。因为隧道的开挖分部数目及其型式应与围岩性质、地应力场分布、施工工艺及其支护型式相适应。分部数过多、分部形态不合理、支护参数设计不当等都可能发生应力集中过大或拉伸破坏。4）对地质变化较大的隧道施工环境，选择施工方法时要考虑地质变化的适应性，尽量避免变更施工方法打乱工序，影响进度和安全。5）尽量采用成熟的新技术、新工艺、新设备、新材料，提高综合施工水平。1.4 国内外大断面隧道研究现状与

18、地面工程不同，隧道工程属于埋藏在地下的一种建筑物，受多种不确定因素的影响，很难准确的确定实际支护结构与围岩的受力情况。而且隧道的施工工序繁多，由于隧道修建过程中围岩与支护结构力学状态的不可逆性，不同的施工工序必然引起不同的力学状态，这无疑增加了理论分析的难度。纵观人们对隧道工程认识和研究的历程，可以发现尽管隧道工程的施工经验远远超前与理论的进展，然而隧道科技的不断进步，研究方法和手段多样化，隧道工程的研究已经取得了长足的进步。研究方法主要包括数值分析、室内相似模型试验和现场测试等。1.4.1 模型试验相似模型试验是研究隧道围岩与支护力学特征的重要手段。相似模型试验的模拟主要是用于观察隧道变形过

19、程以及测试相似模型中隧道围岩与支护结构的受力等情况。虽然隧道围岩与支护结构的受力、变形是非常复杂的多因素相互影响的结果，但一般认为，隧道变形和破坏研究已经足够用于评价支护系统设计和围岩稳定性。对大断面隧道相似模型试验方面，我国学者也做了一些工作。1998年，王明年1通过大比例尺模型试验三车道公路隧道在不同构造应力作用下的力学行为进行了深入研究。研究结果表明，构造应力对三车道公路隧道的承载能力、破坏形态、位移规律都有很大影响。2004年，林刚2等利用相似模拟试验研究了级围岩条件下大断面四车道连双拱公路隧道支护结构的合理性，并与现场原位试验进行印证和补充。2006年，重庆交通科研设计院的吴梦军、黄

20、伦海3利用“公路隧道结构与围岩综合实验系统（CTSSSRH）”和有限元分析程序，对大断面四车道公路隧道在不同施工方法下的施工动态过程进行相似模型试验与数位模拟，研究四车道公路隧道围岩与结构位移、应力、应变及破坏区等的分布与发展规律，得到四车道公路隧道在不同施工方法下的动态施工力学特征，并提出合理的施工方法。2007年，东北大学万明富4等依托沈大高速公路改扩建工程韩家岭单洞四车道超大跨公路隧道，通过室内相似模型试验对台阶法开挖方案进行研究，揭示了开挖过程中围岩的力学行为及其变化规律，为判定该开挖方案的可行性、防止施工过程中可能出现的塌方等事故提供依据。总之，利用模型试验的方法对隧道及地下工程的研

21、究，可以避开数学和力学上的困难，是直观、全面的进行隧道围岩和支护结构力学特性研究的重要手段。虽然这方面的工作在国内外已经展开，但由于室内模型试验费用较高，技术难度大，目前在一般的隧道工程中很难得到广泛应用。1.4.2 大断面隧道的基本力学特征针对不断出现的大断面隧道，目前许多学者开展了软弱围岩大断面隧道不同开挖方法的课题研究，获得了大量有意义的结论，对有助于更全面了解大断面隧道的基本力学特征。任尚强5探讨了北方干旱缺水地区三车道隧道洞口浅埋段的施工方法及其转换问题，综合比较双侧壁导坑法、CD工法、台阶法和全断面法的优缺点，总结灵活采用台阶法、CD工法、双侧壁导坑法成功穿越洞口超浅埋段的成功经验

22、。黄伟钊6介绍了软弱围岩地质大断面客运专线隧道三台阶环形开挖法的施工技术。易国华7通过渝怀铁路旗号岭大跨隧道施工，分析了大跨隧道初期支护和二次衬砌安全系数，洞周位移变化情况，洞周围岩塑性扩展情况，确定出影响工程地质体稳定的关键部位。丁维利8根据凤凰岭隧道的围岩量测结果，对隧道原采用三台阶七步开挖法进行优化后采用二台阶四步开挖法进行了分析。高玉芳9结合师家沟隧道的实际施工经验，从超前支护，上、中、下导开挖，初喷，立钢架等方面介绍了在IV级、V级围岩中预留核心土台阶法的施工步骤。揭选松10结合田东大断面公路隧道出口段地形复杂、地质软弱、地下水丰富的特点，分析采用台阶法辅以洞内外注浆加固止水措施的效

23、果。文益民11分析了CRD法和三台阶法在高速铁路隧道施工中的适应性。代刚12分析了软弱围岩中，采用长管棚结合三台阶临时仰拱法进行施工，取代CRD法的可行性，既保证了隧道的安全，又简化了施工程序。孔德岩13结合工程实例介绍了隧道浅埋段上下台阶法开挖及支护的施工技术。闫红江14介绍了软土公路隧道采用台阶法和双侧壁导坑法施工以及仰拱采用钢管桩加固技术、施工方法的技术特点、工艺原理等。孟庆誉，李太安15论述了对杭新景高速公路三车道大门口隧道进口段严重浅埋偏压问题的处理和施工方案，及暗洞上下台阶法的开挖掘进方法。徐林生16采用有限元数值分析方法，对财神梁隧道的级围岩段台阶法动态施工过程中围岩与支护衬砌结

24、构的变形特征和受力状况等进行了数值模拟研究。王震17通过长冲隧道台阶法施工典型断面必测项目的实时监控量测，对监测数据进行详细研究，采用一次负指数函数分段进行回归分析，总结出围岩变形的基本规律，确定了二次衬砌的合理施作时间。文献18-25采用数值分析方法，对复杂地质条件下大断面隧道的施工力学特性进行了较全面的理论分析。通过统计分析国内外大跨隧道的施工实例和理论研究，大跨度隧道的基本力学特性可以概括为：（1）大跨度隧道由于宽度加大，而高度基本保持不变，因此形成一个扁平的拱形结构，其在力学分析上可近似看作椭圆。（2）由于跨度加大，使得开挖引起的应力重分布趋于不利，如果围岩的单轴抗压强度比重分布的应力

25、小，隧道周边围岩将出现塑性化，为此，需要强大的支护结构来控制变形。（3）底脚处的应力集中过大，要求地基承载力较高。（4）拱顶稳定性降低。根据1994年挪威修建冬季奥林匹克运动会冰球场的研究成果可知，在开挖宽度为2倍高度的情况下，目前采用的支护结构可以有效的防止岩块的崩塌，若开挖宽度大于2倍高度，则需要采用其他的有效措施，保证拱顶的稳定。（5）会产生较大的松弛地压。开挖宽度和开挖高度越大，要求拱底埋深越大，在埋深小、拱作用不能充分发挥作用时，就会产生很大的松弛地压，因此，对大断面隧道而言，会产生较大的松弛荷载。（6）支护结构的承载力相对较小。跨度越大，扁平形状的拱形支护结构的承载力也小。1.4.

26、3 现场测试现场测试是隧道工程研究领域中较为成熟和有效的方法之一。现场测试一般配合隧道新奥法施工所包含的监控量测工作，它是以围岩与支护结构实体为研究对象，采取预埋位移或应力传感器等测试元件，随施工进程同步观察施工过程中隧道支护结构与相邻岩土介质的应力、位移与变形等物理量值的变化过程。由于观察结果为工程结构的真实完整的写照，因而所获得的信息对验证和指导工程设计与施工具有十分重要的作用。对于隧道工程所进行的现场测试，主要包括以下几个方面：地质和支护状态观察、洞周收敛和拱顶沉降、围岩内部位移量测、锚杆轴力量测、喷射混凝土与二衬接触压力量测、钢支撑内力量测、二次衬砌内力量测等。这些项目的测试一方面可直接反映隧道围岩与支护结构的变形和受力随施工进展的动态特性，为设计与施工提供计算数据