软弱围岩隧道台阶法施工的应用与创新

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1、软弱围岩隧道台阶法施工的应用与创新摘要：针对蓁山隧道软弱围岩的性质，通过对核心土及临时仰拱的计算分析，提出改进后的三台阶施工方法并成功应用关键词：软弱围岩；三台阶临时仰拱；核心土；优化1、工程概况青荣城际铁路蓁山隧道位于山东省烟台市芝罘区境内，进口里程为青烟DK206+015,出口里程为青烟DK211+520,全长5505m。出口段位于烟台市区内，其中DK210+475-DK210+513段隧址区为水库回填区，隧道中台阶及其以上围岩主要是人工杂填土、淤泥，杂填土主要为粉质粘土、建筑垃圾、生活垃圾及少量碎石。隧道顶至地面埋深为7-9m,回填区域内裂隙较多。隧道内水量较

2、大，呈股状及淌水状，见少量突泥现象。超前钻探孔施工过程中钻进较容易，部分孔位钻进过程中有空洞存在，钻孔完成后孔内水量较大，部分孔内水量呈喷射状，单孔出水量达30L/min。根据沉降观测数据反应己施工段地表、洞内沉降数据较大，施工中存在坍塌、冒顶、掉块施工风险和工期风险。2、隧道施工特点分析由于此段地质围岩条件复杂，根据分析主要存在以下特点：1、围岩自稳能力极差，围岩变形控制非常困难，开挖后极易产生坍方，严重时发生涌泥、涌水及坍塌等现象，给工程施工安全带来极大的危害。2、地面沉降难以控制，在道路区，过大沉降易引起路面开裂，甚至坍陷，影响交通安全；在管线和建筑物区，地面

3、沉降过大，易造成地下管线破坏和建筑物开裂，危及建筑物安全。3、施T方法选择与分析在隧道施工中，开挖方法是影响隧道稳定的重要因素之一。传统的软弱围岩隧道开挖施工主要采用的方法主要有CD、CRD和双侧壁导坑法等，这些方法不利于大型施工机械设备的使用严重影响了施工进度。目前常采用的三台阶法主要有三台阶五步法、三台阶临时仰拱法、三台阶七步开挖法及三台阶预留核心土法。选择何种开挖方法，应根据围岩级别、施工条件、隧道断面宽度和高度、工期等综合确定。根据蓁山隧道特殊的软弱围岩地质情况以及施工过程中的围岩变形特点，重点对预留核心土及临时仰拱进行分析。3.1预留核心土隧道幵挖后，掌子

4、面失去支撑，其挤出和坍塌变形是隧道围岩变形和坍塌的主要原因。由于掌子面变形的这种空间性，预留核心土支撑掌子面己成为一种有效的的控制变形技术。核心土的强度及变形特性是隧道变形（挤出变形、预收敛变形及收敛变形）的真正原因，可以对核心土进行防护和加固，提高其强度，以控制核心土变形（挤出变形及预收敛变形），并最终达到控制隧道变形（收敛变形）的目的。实践证明，在隧道施工屮，留核心土法是增强掌子面稳定的一种有效的辅助施工方法，留核心土法的优点主要有：（1）核心土支挡掌子面，提高了掌子面稳定性；（2）拱部初期支护施作及时，施工安全性较好；（3）施工难度小，工序简单；（4）不需要临

5、时支撑，作业空间满足机械化要求，施工较快。同时，其缺陷主耍包括：（1）对隧道断面下半部围岩条件有一定要求，有时须在拱脚和墙脚围岩进行注浆加同或增设锁脚锚杆。（2）须要有强支护、辅助施工方法、监控量测、合理布距等相应的保证措施。2）预留核心土尺寸研宄研究表明，核心土尺寸具有最佳值，且合理留设核心土可以取得较好的工程效果。核心土尺寸主要包括核心土长度和核心土高度，下妞对其进行建模分析。（1）工作面核心土长度为分析工作面核心土长度的作用效果，这里利用三维有限元方法对对其进行分析，所建立的有限元模型如图3.1所示。。3.1有限元计算模型计算考虑了以下几种工况参数：埋深变化为

6、ID、1.5D和2.0D;台阶留设长度变化为0（全断面开挖）、0.5D和1.0D，分别考虑有无核心土情况。（a）对工作面应力分布的影响对隧道埋深为2D,有无核心土时，沿工作妞纵轴方向中心线处不同台阶长度的工作面大、小主应力分布如图3.2。由图知，工作面土体最有可能因松弛而发生破坏的是全断面条件，因此时主应力差值为最小且最小主应力几乎为零，工作面土体处于平面应力状态。这一情况，随着台阶法开挖而有所改善，但并没有改变最小主应力的人小。但当留设核心土时，从图中很明显看出，工作面大、小主应力的分布得到显著改善，且最小主应力较大。这使得工作面的土体易于维持三向应力状态，从而保

7、证了工作面正土体的稳定。全断面开挖43210-1-2-3-4台阶长度为0.25D43210-1-2-3-4台阶长0.5D43210-1-2-3-4台阶长0.75D43210-1-2-3-443210-1-2-3-443210-1-2-3-443210-1-2-3-4台阶长0.5D,核心土0.35D43210-1-2-3-4台阶长ID台阶长0.5D,核心土0.2D台阶长0.5D,核心土0.5D3.2（b）对工作此土体位移的影响有无核心土的比较与分析不同埋深及台阶长度下，工作面有无核心土时，沿隧道推进方向的工作面水平位移的变化特征见图3.3（a、b、c）。当埋深为1