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【摘 要】依托杭长客专东山岗隧道，采用有限差分软件FLAC3D，对隧道开挖支护过程采用的不同施工工法下的施工过程进行了数值分析，对各工况下围岩变形规律进行了研究，研究结果表明：单侧壁导坑法施工拱底隆起与拱顶沉降的差值较小，可防止因拱底隆起过大而造成的隧道底板的破坏，核心土在维持掌子面稳定方面作用显著，在软弱围岩地层中台阶法与预留核心土法相比优先选用预留核心土法。
【关键词】铁路隧道；洞口；管棚；预支护；变形；优化
引言
在高铁隧道建设中，台阶法是应用最多，且最为广泛的工法。但目前在国内外，未有相关的规范明确规定该工法的施工参数，从而导致在软弱围岩开挖过程中，由于上台阶开挖高度过大或上下台阶之间的长度过长而发生掌子面坍塌、衬砌变形开裂等事故。
文章根据上下台阶法的施工工序，通过数值计算Ⅳ、Ⅴ级围岩在不同开挖高度及上下台阶之间的长度对围岩变形的影响，确定出合理的台阶法施工参数，从而为施工方案制定及施工组织设计提供理论支撑，并且可为施工力学研究等方面提供参考与借鉴。软弱破碎围岩隧道施工是隧道施工中的热点问题。由于破碎围岩岩性较差，若施工中采用施工方法不当，极易导致隧道塌方等事故。破碎围岩一般采用的隧道施工方法为台阶分部法、CD法、CRD法以及双侧壁导坑法等。目前，为了提高施工速度，在软弱围岩中，大部分隧道施工仍采用上下台阶法施工，其施工工艺是先开挖上半断面，待开挖至一定长度后同时开挖下半断面，上、下半断面同时并进的施工方法。该开挖法的优点是可以有足够的工作空间和较快的施工速度，但上、下部作业有干扰；台阶开挖虽增加了对围岩的扰动次数，但台阶有利于开挖面的稳定，尤其是上部开挖支护后，下部作业就较为安全国内学者齐琳对北京地区某隧道分别采用台阶法、CRD法展开有限元分析并提出了“CRD法与双侧壁导坑法均能满足设计要求，台阶法应在采取了相应的加固措施或地质条件比较好时采用”的结论。
郭衍敬等就厦门翔安海底隧道分别采用CRD法和双侧壁导坑法进行开挖模拟，对比了两种工法对围岩塑性区的大小及位置以及两种工法对地层位移的控制等问题。霍卫华就深圳大梅沙隧道对软弱围岩大断面隧道中围岩与支护结构体的受力状态进行了模拟计算，提出中洞上部开挖是双侧壁导坑法施工过程中最不利环节。
本文依托东山岗隧道，以软弱破碎围岩段为研究对象，采用有限差分软件FLAC3D，对隧道开挖支护过程进行不同施工工法下（全断面法、台阶法、预留核心土法、单侧壁导坑法）施工过程数值分析，对各工况下围岩变形规律进行研究。
一、工程概况
研究段为杭长客专诸暨段东山岗隧道DK59+109～DK59+715段，该区段为区域性断层影响段，此断层由破碎岩石组成，将为基岩裂隙水下渗提供通道，隧道开挖必将引起涌水，同时此段水文情况复杂，工程地质条件极差。
该段衬砌采用Vc式衬砌，该衬砌适用于隧道洞身V级断层影响带及软弱破碎围岩段的初期支护及衬砌，超前支护各环采用42×4mm注浆小导管超前预加固围岩，长4.5m，环向间距35cm，搭接长度1.3m，斜插角10°～15°，每环37根；初衬以喷、锚、网为主要支护手段：钢拱架为Ⅰ20a型钢，纵向间距为75cm，每榀钢拱架之间采用22钢筋连接，环形间距为1.0m；锚杆采用D25中空注浆锚杆，长3.5m，间距75cm（纵）×100cm（环），与钢拱架交错布置；喷C25早强混凝土26cm。二次衬砌和仰拱均为C30钢筋混凝土结构，厚50cm，该段采用单侧壁导坑法施工。2模型建立根据东山岗隧道工程的实际状况，为提高计算速度，在保证计算精度的前提下，取桩号DK59+109～DK59+300段采用大型有限差分软件FLAC3D进行建模分析。
对于全断面法、预留核心土法、台阶法，由于整个隧道模型左右对称，为减少计算量，可取隧道模型的一半计算。计算中V级围岩均采用摩尔—库仑材料，初期支护体系中的喷层混凝土视为线弹性体，二次衬砌混凝土及仰拱均采用FLAC3D软件内置的壳单元（Shell）进行模拟，系统锚杆和锁脚锚杆均分别采用锚索单元（Cable）和桩单元（Pile）进行模拟，超前导管采用桩单元（Pile）进行模拟。
对于初期支护中钢拱架和钢筋网的支护作用采用等效方法计算[4，5]，即将钢拱架和钢筋网的弹性模量折算给混凝土，各材料参数见表1。3数值模拟结果分析及方案比选
1、隧道周边位移分析
模型沿纵向长60m，循环进尺2m，全断面法模拟开挖步数共有37步，开挖到11步时施加仰拱二衬，开挖到13步施加全断面二衬；台阶法及预留核心土法模拟开挖步数共有42步，开挖到10步即施加仰拱二衬，开挖到12步即施加全断面二衬；单侧壁导坑法模拟开挖步数共有48步，开挖到16步时施加仰拱二衬，开挖到18步时施加全断面二衬。随着开挖进行，典型断面y=30m处拱顶沉降、收敛位移和拱底隆起与开挖步关系曲线分别如图1～图3所示。从图1～图3可看出，无论是拱顶沉降、收敛位移还是拱底隆起，采用不同工法引起的位移大小顺序依次是：全断面法最大，台阶法及预留核心土法次之，单侧壁导坑法最小。采用全断面开挖至稳定时的拱顶沉降、收敛位移、拱底隆起依次为7.31cm，8.39cm，7.95cm，采用单侧壁导坑法开挖至稳定时的拱顶沉降、收敛位移、拱底隆起依次为2.97cm，1.78cm，2.58cm，前者依次比后者多出1.46倍、3.71倍、2.08倍。由此说明，采用全断面法时由于一次释放较大应力使得初始收敛速率大，从而导致位移量增大，而采用单侧壁导坑法施工时，由于在开挖过程中断面小，释放应力变小，使得围岩位移得到有效控制；另外，拱底隆起在整个开挖过程中不容忽视，采用全断面法施工时，拱顶沉降比拱底隆起减小8.1%；采用单侧壁导坑法施工时，拱顶沉降比拱底隆起增大仅15.12%，说明拱底隆起与拱顶沉降的差值较小，故在开挖过程中，可防止因拱底隆起过大而造成的隧道底板的破坏。从图中还可看出，全断面施工速度最快，开挖至28步整个隧道结构即达到稳定状态，而相反单侧壁导坑法施工速度最慢，开挖至36步才达到稳定状态。故尽管单侧壁导坑法在控制沉降方面优势显著，其施工步序繁多也会给施工带来较多不便。另外，核心土留设与否对拱顶沉降、收敛位移以及拱底隆起的影响并不大。预留核心土法与单侧壁导坑法相比，在控制沉降方面效果相差也并不大。三种施工工法对围岩变形的控制效果依次为：单侧壁>预留核心土法、台阶法>全断面法。 2、掌子面内空位移分析
如图4所示为不同工法掌子面内空位移沿隧道横断面竖向分布曲线。 从图4可以看出，采用全断面法、台阶法、预留核心土法、单侧壁导坑法开挖时，最大内空位移分别为：6.89cm，1.89cm，0.928cm，0.237cm。说明采用全断面法时掌子面稳定性最差，前方土体易发生坍塌，采用单侧壁导坑法开挖时稳定性最好。核心土的留设使得内空位移较无核心土时减少74.46%，说明核心土在维持掌子面稳定方面作用显著。故台阶法与预留核心土法相比，在软弱围岩地层中后者更具优势。
二、浅埋隧道支护结构的组成体系
隧道围岩支护结构体系由复合围岩结构和复合支护结构组成对于深埋隧道的复合围岩结构由原岩、深层围岩和浅层围岩组成，复合支护结构由初期支护和二次衬砌组成。在浅埋暗挖險道施工中，整个上覆地层都存在扰动，不存在原岩。虽然上覆围岩扰动较为明显，但是地表以下一定范围内围岩仍具有一定的自承载能力，可以看作支护结构的重要组成部分；底部发生局部塑性破坏，需要进行有效的支护才能达到稳定。现代支护理论认为应该要最大限度的发挥围岩的自承能力，围岩与支护结构共同作用，即要允许围岩发生一定的塑性变形。
目前，国际上被广泛认可的新奥法就是在现代險道支护原理的基础上提出来的。根据现代支护理论理念，險道支护结构一般采用复合式支护结构，即柔性支护和刚性支护的组合。通常初期支护为柔性结构，釆用喷铺结构；二次衬棚为刚性结构，采用现潘混凝土。无论对于深埋或者浅埋随道，幵挖后若直接施作二次衬砲，其允许地层变形小，结构直接承受过大的围岩压力，支护结构容易出现破坏，而且不能有效的发挥上部分围岩的自承能力。虽然初期支护允许围岩在发生一定变形的前提下达到暂时稳定，但是由于其支护刚度不足，不能满足随道结构耐久性和保持长期稳定的要求。复合支护结构经济且支护效果较好，符合现代支护理念。
三、浅埋软岩隧道初期支护受力特性研究
1、软岩隧道初期支护作用机理分析
一般情况下，浅埋软岩隧道，围岩变形较大，且持续时间较长，特别是存在偏IE力的情况下，围岩变形更加复杂。为保证施工安全、控制围岩变形及能快速进入下一循环的施工，燧道幵挖后必须立即施作初期支护。初期支护结构一般是由喷射混凝土、钢筋网、钢拱架和铺打等根据实际需要组合而成的柔性支护结构。初期支护不仅能控制施工期间的围岩变形，避免围岩自承能力下降，保持隧道短期相对稳定，而且还能作为永久支护的一部分。
2、锚杆支护机理分析
隧道进口段围岩破碎软弱，遇水甚至崩解，系统锚杆并不适用，设计施工中主要使用锁脚锚杆，对拱脚位置进行加固，利用开挖面注架锚杆配合超前小导管进行开挖面超前加固。先在拱脚施作锁脚钢管，然后注装形成锁脚锚杆。对于软岩随道，锁脚锚杆是施工中必要的加固措施。二台阶法施工时，上台阶施作完成后，在拱脚打设锁脚锚杆，可以防止拱脚产生收缩和掉拱；CRD工法施工时，施作锁脚锚杆加固各导洞拱脚，以增强支护的稳定性，保证下层导洞开挖时上层导洞的稳定。幵挖面注架锚杆，采用玻璃纤维锚杆，这种锚杆的抗拉强度较高，抗剪切性能以及抗扭性能较差。用玻璃纤维锚杆进行注楽加固后，玻璃纤维的存在可以大幅度提高土体的抗侧压能力。
结语：
通过对不同施工工法（全断面法、台阶法、预留核心土法、单侧壁导坑法）围岩变形进行数值分析，得出以下结论：1）单侧壁导坑法在控制拱顶沉降、收敛位移方面，优于其他工法。三种施工工法对围岩变形的控制效果依次为：单侧壁>预留核心土法、台阶法>全断面法。2）采用单侧壁导坑法施工时，拱底隆起与拱顶沉降的差值较小，在开挖过程中，该工法可防止因拱底隆起过大而造成的隧道底板的破坏。3）核心土在维持掌子面稳定方面作用显著。在软弱围岩地层中台阶法与预留核心土法相比优先选用预留核心土法。
参考文献：
[1]李鹏飞，赵勇，刘建友.隧道软弱围岩变形特征与控制方法[J].中国铁道科学，2014，（5）.
[2]高文华，朱建群，黄自永，邓修甫.隧道围岩变形动态预测的灰色自适应模型及其参数智能辨识[J].公路交通科技，2012，（1）.
[3]曹兴松，吴梦军，刘世雄，方林，王波.山地陡倾小交角层状岩体隧道围岩变形模拟[J].山地学报，2013，（4）.
【关键词】铁路隧道；洞口；管棚；预支护；变形；优化
引言
在高铁隧道建设中，台阶法是应用最多，且最为广泛的工法。但目前在国内外，未有相关的规范明确规定该工法的施工参数，从而导致在软弱围岩开挖过程中，由于上台阶开挖高度过大或上下台阶之间的长度过长而发生掌子面坍塌、衬砌变形开裂等事故。
文章根据上下台阶法的施工工序，通过数值计算Ⅳ、Ⅴ级围岩在不同开挖高度及上下台阶之间的长度对围岩变形的影响，确定出合理的台阶法施工参数，从而为施工方案制定及施工组织设计提供理论支撑，并且可为施工力学研究等方面提供参考与借鉴。软弱破碎围岩隧道施工是隧道施工中的热点问题。由于破碎围岩岩性较差，若施工中采用施工方法不当，极易导致隧道塌方等事故。破碎围岩一般采用的隧道施工方法为台阶分部法、CD法、CRD法以及双侧壁导坑法等。目前，为了提高施工速度，在软弱围岩中，大部分隧道施工仍采用上下台阶法施工，其施工工艺是先开挖上半断面，待开挖至一定长度后同时开挖下半断面，上、下半断面同时并进的施工方法。该开挖法的优点是可以有足够的工作空间和较快的施工速度，但上、下部作业有干扰；台阶开挖虽增加了对围岩的扰动次数，但台阶有利于开挖面的稳定，尤其是上部开挖支护后，下部作业就较为安全国内学者齐琳对北京地区某隧道分别采用台阶法、CRD法展开有限元分析并提出了“CRD法与双侧壁导坑法均能满足设计要求，台阶法应在采取了相应的加固措施或地质条件比较好时采用”的结论。
郭衍敬等就厦门翔安海底隧道分别采用CRD法和双侧壁导坑法进行开挖模拟，对比了两种工法对围岩塑性区的大小及位置以及两种工法对地层位移的控制等问题。霍卫华就深圳大梅沙隧道对软弱围岩大断面隧道中围岩与支护结构体的受力状态进行了模拟计算，提出中洞上部开挖是双侧壁导坑法施工过程中最不利环节。
本文依托东山岗隧道，以软弱破碎围岩段为研究对象，采用有限差分软件FLAC3D，对隧道开挖支护过程进行不同施工工法下（全断面法、台阶法、预留核心土法、单侧壁导坑法）施工过程数值分析，对各工况下围岩变形规律进行研究。
一、工程概况
研究段为杭长客专诸暨段东山岗隧道DK59+109～DK59+715段，该区段为区域性断层影响段，此断层由破碎岩石组成，将为基岩裂隙水下渗提供通道，隧道开挖必将引起涌水，同时此段水文情况复杂，工程地质条件极差。
该段衬砌采用Vc式衬砌，该衬砌适用于隧道洞身V级断层影响带及软弱破碎围岩段的初期支护及衬砌，超前支护各环采用42×4mm注浆小导管超前预加固围岩，长4.5m，环向间距35cm，搭接长度1.3m，斜插角10°～15°，每环37根；初衬以喷、锚、网为主要支护手段：钢拱架为Ⅰ20a型钢，纵向间距为75cm，每榀钢拱架之间采用22钢筋连接，环形间距为1.0m；锚杆采用D25中空注浆锚杆，长3.5m，间距75cm（纵）×100cm（环），与钢拱架交错布置；喷C25早强混凝土26cm。二次衬砌和仰拱均为C30钢筋混凝土结构，厚50cm，该段采用单侧壁导坑法施工。2模型建立根据东山岗隧道工程的实际状况，为提高计算速度，在保证计算精度的前提下，取桩号DK59+109～DK59+300段采用大型有限差分软件FLAC3D进行建模分析。
对于全断面法、预留核心土法、台阶法，由于整个隧道模型左右对称，为减少计算量，可取隧道模型的一半计算。计算中V级围岩均采用摩尔—库仑材料，初期支护体系中的喷层混凝土视为线弹性体，二次衬砌混凝土及仰拱均采用FLAC3D软件内置的壳单元（Shell）进行模拟，系统锚杆和锁脚锚杆均分别采用锚索单元（Cable）和桩单元（Pile）进行模拟，超前导管采用桩单元（Pile）进行模拟。
对于初期支护中钢拱架和钢筋网的支护作用采用等效方法计算[4，5]，即将钢拱架和钢筋网的弹性模量折算给混凝土，各材料参数见表1。3数值模拟结果分析及方案比选
1、隧道周边位移分析
模型沿纵向长60m，循环进尺2m，全断面法模拟开挖步数共有37步，开挖到11步时施加仰拱二衬，开挖到13步施加全断面二衬；台阶法及预留核心土法模拟开挖步数共有42步，开挖到10步即施加仰拱二衬，开挖到12步即施加全断面二衬；单侧壁导坑法模拟开挖步数共有48步，开挖到16步时施加仰拱二衬，开挖到18步时施加全断面二衬。随着开挖进行，典型断面y=30m处拱顶沉降、收敛位移和拱底隆起与开挖步关系曲线分别如图1～图3所示。从图1～图3可看出，无论是拱顶沉降、收敛位移还是拱底隆起，采用不同工法引起的位移大小顺序依次是：全断面法最大，台阶法及预留核心土法次之，单侧壁导坑法最小。采用全断面开挖至稳定时的拱顶沉降、收敛位移、拱底隆起依次为7.31cm，8.39cm，7.95cm，采用单侧壁导坑法开挖至稳定时的拱顶沉降、收敛位移、拱底隆起依次为2.97cm，1.78cm，2.58cm，前者依次比后者多出1.46倍、3.71倍、2.08倍。由此说明，采用全断面法时由于一次释放较大应力使得初始收敛速率大，从而导致位移量增大，而采用单侧壁导坑法施工时，由于在开挖过程中断面小，释放应力变小，使得围岩位移得到有效控制；另外，拱底隆起在整个开挖过程中不容忽视，采用全断面法施工时，拱顶沉降比拱底隆起减小8.1%；采用单侧壁导坑法施工时，拱顶沉降比拱底隆起增大仅15.12%，说明拱底隆起与拱顶沉降的差值较小，故在开挖过程中，可防止因拱底隆起过大而造成的隧道底板的破坏。从图中还可看出，全断面施工速度最快，开挖至28步整个隧道结构即达到稳定状态，而相反单侧壁导坑法施工速度最慢，开挖至36步才达到稳定状态。故尽管单侧壁导坑法在控制沉降方面优势显著，其施工步序繁多也会给施工带来较多不便。另外，核心土留设与否对拱顶沉降、收敛位移以及拱底隆起的影响并不大。预留核心土法与单侧壁导坑法相比，在控制沉降方面效果相差也并不大。三种施工工法对围岩变形的控制效果依次为：单侧壁>预留核心土法、台阶法>全断面法。 2、掌子面内空位移分析
如图4所示为不同工法掌子面内空位移沿隧道横断面竖向分布曲线。 从图4可以看出，采用全断面法、台阶法、预留核心土法、单侧壁导坑法开挖时，最大内空位移分别为：6.89cm，1.89cm，0.928cm，0.237cm。说明采用全断面法时掌子面稳定性最差，前方土体易发生坍塌，采用单侧壁导坑法开挖时稳定性最好。核心土的留设使得内空位移较无核心土时减少74.46%，说明核心土在维持掌子面稳定方面作用显著。故台阶法与预留核心土法相比，在软弱围岩地层中后者更具优势。
二、浅埋隧道支护结构的组成体系
隧道围岩支护结构体系由复合围岩结构和复合支护结构组成对于深埋隧道的复合围岩结构由原岩、深层围岩和浅层围岩组成，复合支护结构由初期支护和二次衬砌组成。在浅埋暗挖險道施工中，整个上覆地层都存在扰动，不存在原岩。虽然上覆围岩扰动较为明显，但是地表以下一定范围内围岩仍具有一定的自承载能力，可以看作支护结构的重要组成部分；底部发生局部塑性破坏，需要进行有效的支护才能达到稳定。现代支护理论认为应该要最大限度的发挥围岩的自承能力，围岩与支护结构共同作用，即要允许围岩发生一定的塑性变形。
目前，国际上被广泛认可的新奥法就是在现代險道支护原理的基础上提出来的。根据现代支护理论理念，險道支护结构一般采用复合式支护结构，即柔性支护和刚性支护的组合。通常初期支护为柔性结构，釆用喷铺结构；二次衬棚为刚性结构，采用现潘混凝土。无论对于深埋或者浅埋随道，幵挖后若直接施作二次衬砲，其允许地层变形小，结构直接承受过大的围岩压力，支护结构容易出现破坏，而且不能有效的发挥上部分围岩的自承能力。虽然初期支护允许围岩在发生一定变形的前提下达到暂时稳定，但是由于其支护刚度不足，不能满足随道结构耐久性和保持长期稳定的要求。复合支护结构经济且支护效果较好，符合现代支护理念。
三、浅埋软岩隧道初期支护受力特性研究
1、软岩隧道初期支护作用机理分析
一般情况下，浅埋软岩隧道，围岩变形较大，且持续时间较长，特别是存在偏IE力的情况下，围岩变形更加复杂。为保证施工安全、控制围岩变形及能快速进入下一循环的施工，燧道幵挖后必须立即施作初期支护。初期支护结构一般是由喷射混凝土、钢筋网、钢拱架和铺打等根据实际需要组合而成的柔性支护结构。初期支护不仅能控制施工期间的围岩变形，避免围岩自承能力下降，保持隧道短期相对稳定，而且还能作为永久支护的一部分。
2、锚杆支护机理分析
隧道进口段围岩破碎软弱，遇水甚至崩解，系统锚杆并不适用，设计施工中主要使用锁脚锚杆，对拱脚位置进行加固，利用开挖面注架锚杆配合超前小导管进行开挖面超前加固。先在拱脚施作锁脚钢管，然后注装形成锁脚锚杆。对于软岩随道，锁脚锚杆是施工中必要的加固措施。二台阶法施工时，上台阶施作完成后，在拱脚打设锁脚锚杆，可以防止拱脚产生收缩和掉拱；CRD工法施工时，施作锁脚锚杆加固各导洞拱脚，以增强支护的稳定性，保证下层导洞开挖时上层导洞的稳定。幵挖面注架锚杆，采用玻璃纤维锚杆，这种锚杆的抗拉强度较高，抗剪切性能以及抗扭性能较差。用玻璃纤维锚杆进行注楽加固后，玻璃纤维的存在可以大幅度提高土体的抗侧压能力。
结语：
通过对不同施工工法（全断面法、台阶法、预留核心土法、单侧壁导坑法）围岩变形进行数值分析，得出以下结论：1）单侧壁导坑法在控制拱顶沉降、收敛位移方面，优于其他工法。三种施工工法对围岩变形的控制效果依次为：单侧壁>预留核心土法、台阶法>全断面法。2）采用单侧壁导坑法施工时，拱底隆起与拱顶沉降的差值较小，在开挖过程中，该工法可防止因拱底隆起过大而造成的隧道底板的破坏。3）核心土在维持掌子面稳定方面作用显著。在软弱围岩地层中台阶法与预留核心土法相比优先选用预留核心土法。
参考文献：
[1]李鹏飞，赵勇，刘建友.隧道软弱围岩变形特征与控制方法[J].中国铁道科学，2014，（5）.
[2]高文华，朱建群，黄自永，邓修甫.隧道围岩变形动态预测的灰色自适应模型及其参数智能辨识[J].公路交通科技，2012，（1）.
[3]曹兴松，吴梦军，刘世雄，方林，王波.山地陡倾小交角层状岩体隧道围岩变形模拟[J].山地学报，2013，（4）.