淺埋偏壓條件下三臺階七步法沉降規律分析

艾世勃

（中煤科工集團北京華宇工程有限公司，北京 100120）

淺埋偏壓條件下三臺階七步法沉降規律分析

艾世勃

（中煤科工集團北京華宇工程有限公司，北京 100120）

以典型的淺埋偏壓隧道工程為背景，采用數值模擬方法，研究了三臺階七步法施工過程中的拱頂沉降變化規律，分析了地層變形、圍巖塑性區分布等特點，為合理有效控制隧道拱頂沉降提供依據，明確工程控制重點。在三臺階七步法的施工過程中，應加強對上臺階開挖沉降控制，及時進行位移監測，動態指導施工。同時，臨時仰拱應及時施做，盡早封閉成環。

淺埋偏壓;三臺階七步開挖法;拱頂沉降;位移監測;數值模擬

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.06.015

1 引言

三臺階七步法是目前軟弱圍巖大斷面隧道施工常采用的一種工法，該工法具有操作簡便、工序轉換靈活、施工快捷、能充分發揮大型機械效能、加快施工進度、降低工程造價等優點[1]。近年來，三臺階七步法在淺埋偏壓隧道中的應用也逐漸增多[2]。

目前,對三臺階七步法穿越淺埋偏壓地層的研究主要集中在施工技術和作用機理研究[3，4]等方面，對施工過程中拱頂沉降的變化規律研究較少。在淺埋偏壓段進行隧道施工，極易引起隧道拱頂沉降，如果控制不當會造成變形超限，嚴重時引起隧道塌方冒頂[5～7]。因此，有必要對三臺階法在淺埋偏壓段施工過程中的拱頂沉降變化規律進行研究，以達到合理有效控制拱頂沉降的目的。

本文以典型淺埋偏壓隧道工程為例，對三臺階七步法各個施工步的沉降規律進行分析，明確工程控制重點。相關研究成果為隧道安全施工提供參考，同時對豐富同類工程案例、完善隧道設計理論具有重要意義。

2 數值模擬方案確定

2.1 典型工況介紹

某鐵路隧道設計為單洞雙線，時速250km/h，預留進一步提速條件。該地區地貌為剝蝕低山區，地形起伏較大，隧道進洞口單側或兩側多為沖溝，植被發育，埋深淺，屬于典型的淺埋偏壓隧道，隧道最大開挖斷面積為154.2m2。隧道所處的圍巖條件為V級，巖體破碎呈碎塊狀，斷面形式如圖1所示。

圖1 典型淺埋偏壓隧道

隧道擬采用開挖方法為三臺階七步法，初期支護全環設型鋼鋼架，間距0.6m，采用HW175型鋼鋼架；拱墻設網格為20cm伊20cm的6mm鋼筋網片；拱部圓心上140毅范圍設25mm中空注漿錨桿，間距1.5m伊1.5m，單根長4m，梅花形布置；邊墻設22mm砂漿錨桿，間距為1.2m伊1.2m，單根長4m；噴射混凝土拱部為C30，仰拱為C25，厚度均為28cm。在隧道開挖前，采用超前支護控制圍巖變形，超前支護為42mm的超前小導管。

2.2 模型的建立

FLAC3D采用動態運動方程進行求解非常適合模擬非線性問題和大變形問題[8]，因此本文選用此程序，對三臺階七步施工過程中的拱頂沉降規律進行分析。計算模型如圖2所示，模型上表面與圖1中的地表邊界相同，隧道底部、左部、右部至邊界的距離均為50m，長為120m。隧道的尺寸按照圖1中隧道外輪廓進行選取，高度為12240mm，跨度為14 380mm。模型單元為109 920個，節點為116 632個。

對工程實際進行相應簡化，將圍巖視為連續、均勻、各向同性介質，采用Mohr-Column本構模型進行模擬；隧道初期支護采用實體單元進行模擬，本構模型為彈性模型；隧道超前支護采用模型自帶的shell單元進行模擬，厚度均為0.3m，模型的計算參數見表1。采用等代層的方式模擬隧道錨桿注漿加固區，計算參數取原土層參數的1.5倍。模型兩側及底部均限制法向位移，地表為自由面。在模擬過程中，只考慮自重應力的影響，不考慮圍巖蠕變效應及地下水的影響。

圖2 模型網格劃分

表1 模型計算參數

2.3 開挖模擬過程

三臺階七步開挖法將斷面分為7部9塊分別開挖，開挖步序如圖3所示。具體數值模擬過程如下：第1步，開挖上部弧形導坑（①），拱部超前支護后，環向開挖，開挖后立即施做初期支護。第2～3步，開挖左、右側中臺階（②、③）：兩側臺階錯開開挖，開挖后同樣立即施做初期支護；第4～5步，開挖左、右側下臺階（④、⑤），模擬方法同第2～3步；第6步，開挖核心土（⑥-1、⑥-2、⑥-3）；第7步，開挖隧底（⑦），初期支護封閉成環。

圖3 三臺階七步法開挖步序圖

3 數值模擬結果分析

在模擬過程中，選取模型中部（Y=60m）為目標斷面（見圖2），記錄各個開挖步下拱部3個測點（見圖3）的沉降值見圖4。由圖可得：

1）上臺階開挖完成后，測點1、測點2、測點3的累積沉降量分別為-48.17mm、-44.56mm、-34.94mm；中臺階開挖完成后，測點1、測點2、測點3的累積沉降量分別為-73.86mm、-65.41mm、-54.78mm；下臺階開挖后，測點1、測點2、測點3的累積沉降量分別為-90.00mm、78.68mm、67.23mm；仰拱閉合完成后，測點1、測點2、測點3的累積沉降量分別為-94.23mm、82.03mm、70.79mm。測點2各個施工階段累積沉降量大于測點1和測點3，這是偏壓作用造成的。

2）測點1、測點2、測點3上臺階開挖引起隧道拱頂沉降占總變形的比例分別為51.12%、54.32%、49.36%；測點1、測點2、測點3中臺階開挖引起隧道拱頂沉降占總變形的比例分別為27.26%、25.42%、28.03%；測點1、測點2、測點3下臺階開挖引起隧道拱頂沉降占總變形的比例分別為 17.13%、16.18%、17.58%；測點1、測點2、測點3仰拱封閉引起隧道拱頂沉降占總變形的比例分別為4.49%、4.08%、5.03%。對于3個測點而言，上臺階開挖引起的沉降均較大，因此，上臺階支護對控制圍巖變形起關鍵作用，施工中應加強上臺階位移監測，及時反饋動態指導施工。

3）仰拱閉合完成以后，各個測點變形基本不再發展。及時支護，及早封閉成環對淺埋偏壓條件下隧道施工意義重大。

圖4 拱頂分步沉降值

分析三臺階七步法施工完成時目標斷面的地層沉降云圖（見圖5）可得，在偏壓作用下，地層沉降沿隧道輪廓顯不對稱分布。拱頂變形偏向于地表較高處，而拱頂變形與之相反，偏向地表較低處。因此，在不同的施工階段，工程控制重點有所不同。在施工過程中，應該增加對拱底的監測。

圖5 目標面地層沉降云圖

分析三臺階七步法施工完成時目標斷面的塑性區分布（圖6）可得，在淺埋的條件下，圍巖塑性區發展至地表，如果控制措施效果不明顯，圍巖會產生塑性滑移，嚴重時引起隧道塌方冒頂。偏壓作用加劇了塑性區的發展，增大塑性區的范圍，使塑性區向地表較高處發展。

圖6 目標面塑性區分布圖

由上述分析可知，在淺埋偏壓下進行隧道的開挖會引起較大的拱頂沉降，塑性區極易擴展到地表，應該在施工過程中加強加固方案。可以把原有的超前小道管的支護方案改為超前管棚，管棚的直徑可取為89mm；可以把鎖腳錨桿改為鎖腳鋼管注漿加固，鋼管直徑可選為50mm；可以在拱部分臺階處設置擴大拱腳；同時，也應該加強各個施工步銜接，盡量減少圍巖暴露時間，避免因長時間暴露引起圍巖失穩；施工中監理應對現場施工人員機械設備等進行監督檢查，保證循環施工進度及施工質量。

4 結語

本文以典型的淺埋偏壓隧道工程為背景，研究了三臺階七步法施工過程中的拱頂沉降變化規律，為合理有效控制隧道拱頂沉降提供依據，明確工程控制重點，得出以下結論：

1）在三臺階七步法的施工過程中，測點1、測點2、測點3上臺階開挖引起隧道拱頂沉降占總變形的比例分別為51.12%、54.32%、49.36%，上臺階開挖均引起較大沉降，應作為工程控制重點。同時，施工中應加強上臺階位移監測，及時反饋動態指導施工。

2）仰拱閉合完成以后，各個測點變形基本不再發展。及時支護，及早封閉成環對淺埋偏壓條件下隧道施工意義重大。

3）在淺埋偏壓條件下，隧道圍巖塑性區極易發展到地表。為了確保隧道施工安全，應適當加強原設計方案中支護措施。同時，應注意施工過程中的質量控制。

【1】王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論[M].合肥：安徽教育出版社，2004.

【2】田佳，劉軍，王改鵬.三臺階七步法在大斷面淺埋偏壓軟弱圍巖隧道中的應用[J].隧道建設，2012，32（增1）：85-89.

【3】周藝，何川，鄒育麟，汪波.破碎千枚巖隧道施工工法比選試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2013，32（3）：537-548.

【4】幸江濤，何德華，文建平.三臺階七步法在復雜地質段鐵路隧道施工中的安全效應[J].技術與市場，2011，16（6）：29-32.

【5】李錦平，黃武來.淺埋隧道通頂坍塌整治與思考[J].中國鐵路, 1996（7）49-51.

【6】馮秀國.采用地表注漿方法使隧道穿越坍塌區[J].鐵道建筑，1998（2）：28-30.

【7】DAYMJ.KarsticproblemsintheconstructionofMilwaukee'sDeep Tunnels[J].EnvironmentalGeology,2003,45（6）:859-863.

【8】臺啟民，張頂立，房倩，等.暗挖重疊地鐵隧道地表變形特性分析[J].巖石力學與工程學報，2014，33（12）：2472-2480.

Analysis on theSettlement of Three-benchSeven-step ExcavationMethod on the Condition of ShallowBuried TunnelUnderUnsymmetricalPressure

AI Shi-bo
（CCTEGBiejingHuayuEngineeringCo.Ltd.,Beijing 100120,China）

Based on the background of typical shallow bias tunnel engineering,this paper studied three-bench seven-step constructionprocessinthevaultsettlementchangesandanalyzedthestratumdeformationandrockplasticzonedistribution.It provided scientific basis of controlling tunnel vault settlement and made the key of engineering control clear.Using three-benchseven-stepexcavationmethod,weshouldstrengthenthecontroloftheexcavationsettlementofthestage.Wealso shouldcarryoutthedisplacementmonitoringintime,andguidetheconstructiondynamically.Atthesametime,thetemporary invertedarchshouldbedoneintime,tomakeitcloseassoonaspossible

shallow buried bias;three step seven step excavation method;crown settlement;displacement monitoring;numerical simulation

U455

A

1007-9467（2016）06-0069-03

艾世勃（1977～），男，福建松溪人，高級工程師，從事路橋設計與研究，（電子信箱）ASB303@126.com。