三臺階七步法臺階長度對巖堆體隧道穩定性的影響分析

劉新峰，李 睿，丁祖德，吳培關

（昆明理工大學建筑工程學院，云南昆明650000）

三臺階七步法臺階長度對巖堆體隧道穩定性的影響分析

劉新峰*，李 睿，丁祖德，吳培關

（昆明理工大學建筑工程學院，云南昆明650000）

基于某高速公路隧道穿越巖堆體的工程實踐，建立了巖堆體隧道采用三臺階七步留核心土法施工的三維數值計算模型，分析不同臺階長度下巖堆體隧道圍巖應力、拱頂下沉、圍巖水平位移以及圍巖塑性區的變化規律，并與現場實測結果進行對比。結果表明：合理的臺階長度能明顯改善圍巖受力狀況，限制周邊圍巖位移。進行巖堆體隧道開挖時，建議采用短臺階，臺階長度控制在4m以內。所得結論可為巖堆體隧道施工提供有益參考。

巖堆體隧道；三臺階七步法；臺階長度；數值模擬

我國西南地區廣泛分布著巖堆體，它由砂黏土夾碎石、砂黏土及塊石土構成，為塌落巖體在坡腳的松散堆積體。由于巖堆體的物質組成不均一，孔隙度大，結構松散,透水性強，本身處于極限平衡狀態，屬于特殊的軟弱圍巖[1]，在穿越巖堆體隧道施工中，易出現洞內坍方、襯砌開裂、地表變形及滑坡等病害。近年來，隨著西南地區交通建設中巖堆體病害的突出，對巖堆體的綜合治理和施工技術相關研究已逐漸增多[2-6]。

在隧道施工中，臺階法仍然是目前的主流方法，當圍巖較差時，施工中經常采用三臺階七步工法。在三臺階七步工法中，臺階的長度是保障施工安全與進度的重要措施，其對拱頂的沉降以及圍巖的水平位移的約束均有重要作用。皇甫明等[7]指出留設核心土能顯著地減小地層的水平位移，同時也有抑制工作面前方地層的垂直位移的作用；袁金秀[8]利用FLAC-3D有限差分軟件對不同臺階長度和核心土長度進行分析。然而，對于隧道穿越巖堆體這種特殊地質條件，三臺階七步工法臺階長度的合理選取尚無明確依據，從已有成果來看，不同地質下臺階長度的一般范圍在2～10m之間。臺階長度過長會影響初支封閉成環，存在安全風險，臺階長度過短，則會影響施工的空間。基于此，本文研究巖堆體隧道采用三臺階七步工法的合理臺階長度，以為類似工程提供有益參考。

1 工程概況

云南省麻昭高速公路某隧道長約1530m，凈寬12m，凈高10.33m。該隧道進出口均為大型巖堆體，巖塊由泥質灰巖、砂質灰巖、灰巖、泥灰巖組成，質地較疏松，含土量較多，孔隙率大，透水性強。巖堆體邊坡平均坡度25°～40°，覆蓋層為碎石粉質粘土以及碎石、塊石等。隧道施工從昭通端洞口單頭掘進，由于進出口圍巖較差，且淺埋偏壓，麻柳灣端口采用25m長?108mm長管棚，昭通端洞口采用30m長?108mm長管棚，環向間距為40cm，設置在襯砌拱部120°范圍內。洞口采用三臺階七步法，按照Ⅴ級圍巖支護參數施工，初期支護以網噴混凝土+錨桿+型鋼鋼架組成，錨桿采用自進式?25mm中空注漿錨桿，長3.5m，間距1.0m×0.5m，呈梅花狀布置；超前小導管為?42mm×4mm的熱軋無縫鋼管，長4.5m，環向間距30～50cm，設置于襯砌拱部約120°范圍內，外插角5°～15°；仰拱基底采用?42mm注漿小導管加固，長3.5m，間距1.2m×0.5m；型鋼采用I22a；噴射C25混凝土，厚度為29cm。

2 計算模型的建立

2.1 計算模型

考慮模型邊界效應和計算效率，計算模型的橫向取寬92m，隧道最大埋深32m，隧道底部向下取30m，縱向取為50m。計算采用的地層和支護材料物理力學參數見表1。

表1 圍巖與支護材料的物理力學參數

計算中，土體采用M-C模型，實體單元模擬，其余支護參數采用彈性模型，鋼拱架采用梁單元模擬,超前導管和錨桿采用桿單元模擬，噴射混凝土采用殼單元模擬。模型邊界為左右施加水平方向約束，底部施加豎直方向的約束，整體計算模型與施工步驟示意圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 計算模型

圖2 施工步驟示意圖

2.2 施工過程模擬和計算工況

計算時，按照三臺階七步開挖法進行開挖模擬。開挖進尺均采用1m，上臺階高度為3.5m，上臺階核心土高度為1.7m，中臺階3m，下核心土高度為2.6m，左右臺階錯開2m，仰拱高度1.23m，仰拱距離掌子面的距離均保持15～20m，如圖3所示。

圖3 臺階與核心土尺寸尺寸（單位：cm）

在保持核心土長度為6m的情況下，分別模擬臺階長度為2m、3m、4m、6m和8m共5種計算工況，并提取相應的位移分析點進行分析，如圖4所示。

圖4 模型位移分析點布置圖

3 計算結果及分析

3.1 對圍巖應力的影響

分析點A處（拱頂處）圍巖應力隨臺階長度的變化曲線見圖5、圖6，分析點B處（左拱腰處）圍巖應力隨臺階長度的變化曲線見圖7、圖8。

由圖5、6可知，5種工況下的分析點A的最大主應力隨著開挖的過程先減小后增大，再減小至趨于穩定。隨著臺階長度的增加，分析點A處的主應力波動范圍也隨著增大，收斂速度也隨著變緩慢。從應力釋放的快慢考慮，臺階長度越短，拱頂應力釋放得越快。在開挖深度為27m時，臺階長度3m與臺階長度4拱頂應力的曲線相差不大，應力收斂較快。

由圖7、8可知，5種工況下分析點B的最大主應力隨著臺階長度的增加而增大，臺階長度超過4m后最大主應力的曲線變化不大。但是水平應力釋放的時間隨著臺階長度的增大而變長。當臺階長度為2m、3m時，最大主應力在開挖至7m后趨于穩定；當臺階長度為4m時，最大主應力在開挖至9m后趨于穩定；當臺階長度為6m時，最大主應力在開挖至13m后趨于穩定；當臺階長度為8m時，最大主應力應力在17m后趨于穩定。而分析點B的最小主應力隨著臺階長度的增加而減小。

圖5 分析點A最大主應力

圖6 分析點A最小主應力

圖7 分析點B最大主應力

3.2 對圍巖變形的影響

（1）圍巖塑性區。圍巖塑性區主要集中在掌子面前后以及拱腳和墻腳處，隨著臺階長度的增長，圍巖塑性區的范圍隨之減小。臺階長度為2m時，塑性區的范圍最為明顯，對掌子面的影響深度為1.8m，臺階長度為4m時，塑性區范圍明顯減小，對掌子面的影響深度為1.2m，臺階長度6m和8m時的塑性區范圍變化不大，對掌子面的影響深度約為1m。

圖8 分析點B最小主應力

（2）圍巖豎向、水平位移。5種臺階長度下，洞口處地表與拱頂沉降值以及掌子面附近拱頂的沉降值見圖9、圖10，拱腳處的水平位移見圖11。由圖9可知，隨著臺階長度的增加，洞口處拱頂的沉降也隨著增加，當臺階長度為2m時，洞口拱頂沉降值最小，為39.01mm，臺階長度為3m時，拱頂沉降值增加9.9%，臺階長度為4m時，較臺階長度為3m時的拱沉降增加4.4%，臺階長度超過4m后，拱頂沉降變化不大，但明顯大于臺階長度為2m和3m時拱頂的沉降值，地表沉降表現與拱頂一致；由圖10可知，開挖至一個循環后，從掌子面前后圍巖拱頂沉降分析，臺階長度為2m、3m和4m時拱頂沉降值緩慢增加，而臺階長度為6m和8m時拱頂沉降值較大；由圖11所示，在開挖至28m時，隨著臺階長度的增加，拱腳的水平位移先是變大之后趨于平穩，臺階長度在2m、3m、4m時，拱腳水平收斂值分別為26.77mm、29.50mm、32.31mm，水平收斂值變化不大，而當臺階長度為6m時，拱腳水平收斂值為42.82mm，較臺階長度為4m時增大32.54%。

圖9 洞口處地表與拱頂沉降

4 數值計算與實測結果對比分析

選取某高速公路隧道進口端Ⅴ級圍巖段內的K30+720斷面，對該斷面拱頂沉降實測結果與相同斷面處模擬結果進行比較分析。其中數值計算的結果來自于模型中目標斷面上相應位置上的節點的位移，監測結果數據則是來自實際開挖過程中與模擬開挖的時步內容相一致的某一時間段的監測數據。右洞K30+ 720斷面的拱頂沉降以及周邊收斂的數值模擬結果與現場實測結果見圖12、圖13。

圖10 掌子面前后拱頂沉降

圖11 拱腳水平位移

圖12 K30+720斷面的拱頂沉降

圖13 K30+720斷面周邊收斂

由圖12可知，拱頂的沉降在隧道開挖后的0～8d增長迅速，在上臺階開挖完成時，拱頂沉降的模擬值為22.05mm，在開挖一個循環時，拱頂沉降模擬值為42.52mm，占總沉降的94.6%，30d后拱頂沉降值趨于穩定，最終拱頂沉降量的模擬值為44.95mm，實測值為53.28mm，相差8.3mm；由圖13可知，水平收斂的最終模擬值為 32.20mm，實測值為 36.80mm，相差4.60mm。由于實際開挖對周圍巖體的擾動和損傷等問題，而數值模擬又難以考慮，造成數值模擬的影響值小于實測值。從總體看來，實測值和數值模擬值結果比較相近，說明對隧道模型的模擬，基本上符合隧道現場的實際變化規律。

5 結論與建議

（1）對于三臺階七步工法穿越巖堆體隧道，應該采取短臺階，臺階長度建議取4m或以內，當臺階長度達到6m或更長時，圍巖的位移以及拱腳和墻腳的應力將會有顯著的變化。

（2）由于巖堆體松散軟弱，孔隙率大，透水性強，在隧道施工時應該避免雨季施工，必要時應該對臺階以及核心土進行噴射混凝土加固。

（3）設置鎖腳小導管，鎖腳小導管對圍巖的位移抑制作用明顯，針對具體施工情況，局部位置可以加強設置鎖腳小導管以改善圍巖的受力。

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U458.1

A

1004-5716(2015)10-0182-04

2015-05-17

2015-05-19

國家自然科學基金項目（51308270）、云南省交通運輸廳科技計劃項目（kkk0201406045）。

劉新峰（1989-），男（漢族），湖南郴州人，昆明理工大學建筑工程學院道路與鐵道工程專業在讀研究生，研究方向：隧道快速施工。