三臺階四步法開挖隧道圍巖變形特征分析

張旭輝

（中鐵二十局集團有限公司 陜西西安 710016）

1 引言

當前，山嶺隧道施工方法有TBM掘進機法和礦山法。采用TBM掘進機開挖時，對地質條件要求低，施工速度快、安全性高，但是設備運輸困難且成本極高［1］。因此，對一般大型山嶺隧道開挖，通常采用傳統的礦山法進行施工。根據開挖斷面形式和支護形式，又可分為全斷面法［2］、臺階法［3］、CD法［4］、CRD法［5］和側壁導坑法［6］等。其中臺階法最為常見，對于軟弱圍巖地層施工常采用三臺階四步法。本文將以巖鷹鞍隧道F4斷層施工為例，結合FLAC3D數值模擬，探討在不同參數條件下，使用三臺階四步法施工對隧道圍巖的影響。

2 工程概況

2.1 F4斷層性質與規模

F4斷層為碎屑巖陡傾逆斷層，產狀傾向大里程，傾角約78°，斷層帶與線路夾角為51°～64°。F4主斷層破碎帶隧道洞身里程在DK87＋900～DK87＋930段，破碎帶主要成分為全風化石英砂巖（巖芯呈砂土狀）夾強～弱風化石英砂巖（碎塊狀），為砂石混雜狀態。受F4主斷層影響，斷層上盤DK87＋930～DK87＋998段巖體破碎、富水；斷層下盤DK87＋650～DK87＋930段巖體較破碎、含水。根據物探結果，下盤工程地質條件略好于上盤。

綜合判定，隧道洞身DK87＋650～DK87＋998段是以F4主斷層為核心的斷層密集破碎帶及次級斷裂影響帶。

2.2 F4斷層開挖加固方案

F4斷層范圍每循環帷幕注漿加固長度25m，開挖長度20 m。采用φ108（壁厚6 mm）超前長管棚注漿預支護，管棚縱向長26 m，環向間距20 cm（沿拱頂開挖輪廓線外側布置，設置拱部180°范圍，每循環114根），外插角≥11°。為保證開挖支護安全，拱部120°范圍內管棚間輔以φ50（壁厚5 mm）超前小導管注漿加固，小導管長5 m，環向間距20 cm，縱向間距為3 m一環。

F4斷層范圍圍巖級別為Ⅵ級，采用三臺階四步法開挖。初期支護類型采用雙層支護，第一層初支為HW175型鋼，第二層初支為180格柵鋼架。相鄰鋼架間采用φ22鋼筋連接，間距1.0 m，斜向內側布置，并焊于鋼架內翼緣處。

2.3 F4斷層洞身開挖施工

F4斷層采用三臺階四步法開挖，開挖方式以弱爆破配合人工、機械開挖為主，局部地段輔以控制爆破開挖。三臺階四步法施工工序如圖1所示。

圖1 三臺階四步法施工工序示意

（1）先行開挖1步，完成后立即施作1步周邊的初期支護。成形后立即施作鎖腳錨管，設置豎向支撐，噴混凝土至設計厚度。

（2）開挖2步（2步滯后1步約4～6 m），完成后立即施作2步周邊的初期支護。2步成形后立即施作鎖腳錨管，噴混凝土至設計厚度。2步與1步初期支護鋼架連接成整體后根據圍巖監控量測結果擇機拆除豎向支撐。若下沉總量在設計范圍內且下沉趨勢穩定可拆除豎向支撐；若下沉量偏大且沉降趨勢不穩定則保留豎向支撐并增設臨時仰拱。

（3）1步、2步開挖支護20 m后，停止施工，施工第二循環帷幕注漿止漿墻及第二層支護（雙層支護的第二層），開展第二循環帷幕注漿工作。

（4）第二循環帷幕注漿完成后，1步、2步繼續向前施工，并同時開展3步、4步施工。3步開挖完成后立即施工二次支護。4步施工滯后3步約5～8 m。

（5）4步開挖完成后應立即施工二次支護，及時澆筑仰拱及仰拱填充。

（6）根據監控量測結果分析，待初期支護收斂后，拆除臨時支撐，鋪設防水板等防排水系統，利用襯砌模板臺車一次性澆筑襯砌（拱墻襯砌一次施作）。

3 模型建立及參數確定

3.1 模型建立

綜合考慮模型幾何條件與實際情況［7］，選取巖鷹鞍隧道F4斷層DK87＋900～DK87＋930段作為研究對象。該隧道洞身段處于F4斷層段中心位置，節理裂隙發育。隧道開挖后，拱頂圍巖穩定性差，易發生掉塊、坍塌現象。

通過對隧道內Ⅵ級圍巖在采用三臺階法施工時進行數值計算模擬，得到在不同的循環進尺和臺階參數下圍巖的位移變形和支護結構的力學特性。

考慮隧道開挖半徑的影響范圍，隧道模型在寬度方向左右各取4倍隧道洞徑，向上取4倍隧道洞徑，向下取3倍隧道洞徑，隧道埋深取平均值300 m。上部覆土重力通過換算后施加在上部邊界，在隧道縱向長度方向取30 m、橫向寬度132 m、高度116 m。計算模型采用位移邊界條件，底部邊界約束豎向位移，左右兩端邊界約束水平位移，上部邊界為自由邊界，并施加等效上部土層重度。對結構的監測內容為拱頂豎向位移、拱肩和拱墻水平位移。監測點布置如圖2所示。

圖2 監測點布置

3.2 力學參數確定

參考相關文獻［8］，模擬隧道段埋深H約260 m，洞身直徑B為14.66 m，H/B＝17.7＞1.7，屬深埋隧道，圍巖豎向均布壓力q可按式（1）計算：

式中，s為圍巖級別，本工程圍巖為Ⅵ級，取s＝6；γ為圍巖容重（kN/m3），根據地勘資料，取 γ＝20 kN/m3；ω為寬度影響系數，ω＝1＋i（B-5）。其中，i以 B＝5 m為基準，當B＜5 m時，取 i＝0.2；當 B＞5 m時，取i＝0.1。B為隧道寬度（m）。

將以上數據代入公式（1），可以得到上部覆土層等效荷載q＝29.23 MPa。

開挖過程中實施超前加固技術［9］，加固圈半徑5 m。模型創建時將隧道區域周邊單獨分組，在進行開挖前，對前方一定范圍內的該組單元提高其力學參數以模擬超前注漿對圍巖的影響［10］。

根據地質概況對支護材料進行選取，確定隧道圍巖力學參數如表1所示，支護結構參數如表2、表3所示。

表1 圍巖物理力學參數

表3 砂漿錨桿物理力學參數

4 數值模擬

4.1 工況劃分

現場施工原為三臺階法，后由于地質條件變差而改為三臺階四步法［11］。因此要著重確定上臺階劃分后兩部分土體開挖的錯距，選取開挖進尺與1步土體領先2步土體的長度為兩個變量。中臺階長度按照現場取值為4.0 m、下臺階長度取值為8.0 m。將工況劃分為兩類［12］。

第一類工況：僅改變循環進尺，進尺依次取1.0m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m以及4.0m，各級臺階長度為2.0 m、4.0 m和8.0 m。

第二類工況：僅改變第1步土體領先第2步土體的距離，取值為2.0 m、3.0 m、4.0 m以及5.0 m，循環進尺保持0.5 m。

4.2 計算結果及分析

通過數值模擬，分析開挖過程對圍巖的影響，監測內容為隧道中部斷面拱頂豎向位移、位移發展速度以及剪應力分布情況。僅改變第1步土體與第2步土體錯距對開挖過程中隧道拱頂、拱肩以及拱墻位移變化產生的影響，拱肩和拱墻處的位移均為向內收斂且最終變形量相差不多。由于僅改變上臺階第1步與第2步土體的錯距，因此該變量改變對較遠處的拱墻最終變形值基本無影響。對于拱頂，隨著錯距長度增加拱頂最終沉降量增加。對于拱肩和拱墻，其水平位移值隨錯距增長幾乎無改變。各工況下拱肩、拱墻變形曲線在開挖過程中均有一水平“平臺”，此“平臺”是第一臺階開挖支護完成后，拱肩處位移區域收斂穩定的現象，隨著仰拱部分土體開挖，拱肩位移開始快速增大，直到隧道整個斷面閉合后總體位移才趨于穩定。但是由于第一臺階開挖支護后的穩定時間不同，造成最終變形量有所不同，但是這種差異維持在4%左右。

僅改變循環進尺長度，對開挖過程中隧道拱頂、拱肩以及拱墻的位移變化影響：當循環進尺增加至2 m以上時，圍巖將產生較大的瞬時變形，且在支護后變形收斂過程也較長，雖然最終能使圍巖達到穩定，但開挖過程顯得極不穩定。這是由于“簡支梁效應”的存在，即較長的開挖進尺會導致開挖后暴露的圍巖中部產生較大的變形，在支護過程中應當格外注意；有效的措施是減小鋼拱架間距或增大鋼拱架剛度。

錯距與進尺改變對隧道拱頂、拱肩和拱墻最終位移的影響對比：隨著進尺（錯距）長度增大，拱頂位移增大，且與進尺（錯距）呈線性關系。進尺改變對隧道拱頂、拱肩和拱墻最終位移的影響對比：隨著進尺（錯距）長度增大，拱肩位移與拱墻位移逐漸增大，但進尺和錯距變化對圍巖變形影響程度有較大不同。

從分析可知，隧道圍巖變形對進尺長度值改變最為敏感，而對第1步與第2步錯距長度改變較不敏感。對于拱頂，單位進尺長度改變引起的沉降影響是單位錯距長度改變引起的沉降量的4.25倍，拱肩部位為3.55倍。由于拱墻部位的變化率較?。s萬分之四），可認為進尺（臺階）長度對拱墻影響不大。而對于不同的進尺（錯距）情況，變形最為敏感的部位是拱頂，其次是拱肩，最后是拱墻。由此可知，隧道圍巖變形大小的主要因素是循環進尺的選取，其對隧道拱頂沉降影響最為顯著。在施工過程中應當重點注意，當循環進尺取值較大時，應加強拱頂部位支護力度。

5 結束語

（1）采用三臺階四步法開挖隧道，隧道圍巖變形能夠得到較好控制，是一種在軟弱圍巖區段開挖安全性較高的工法。由模擬試驗結果可知，隨著循環進尺、錯距長度增大，隧道拱頂、拱肩、拱墻的位移均增大，且增大趨勢基本為線性關系。改變循環進尺引起的單位隧道圍巖變形量大于改變錯距引起的單位隧道圍巖變形量。因此，在施工中為確保開挖安全，應當首先考慮循環進尺取值，而錯距可以作為方便施工的主要考慮因素。

（2）隨著循環進尺增大，隧道拱頂部分出現“簡支梁效應”，即較長的開挖進尺會導致開挖后暴露的圍巖中部產生較大的變形，即使最終圍巖變形能夠趨于穩定，但整個過程顯得十分不穩定，開挖不穩定因素增多。在較差圍巖條件下開挖時，首先應當考慮較小循環進尺，其次考慮加強開挖段中部的鋼支撐強度以及把握支護時機，以抵抗暴露圍巖中部的“簡支梁效應”。