軟弱圍巖大跨度隧道三臺階七步法施工可行性分析

張君寶

(華北理工大學 礦業工程學院 唐山市 063210)

0 引言

單洞兩車道隧道已經不能解決現在的交通擁堵問題，人們對單洞三車道、四車道超大斷面隧道的需求在日益增加[1]。在隧道開挖過程中，開挖工法的選擇對隧道圍巖造成的擾動影響占有很大比重，目前用于研究圍巖穩定性的方法有理論分析、工程類比和數值模擬等，其中數值模擬分析法是最適合研究隧道圍巖穩定性的方法。

對國內大斷面軟弱圍巖隧道工程的開挖工法進行了一系列調查分析：沙鵬等[2]在蘭渝鐵路木寨嶺隧道段對上下臺階預留核心土法和三臺階七步法進行了對比研究，發現三臺階七步法更為適用；李鴻博等[3]根據數值模擬及現場檢測，認為在蘭新鐵路的大梁隧道部分宜使用三臺階七步法施工；張德華等[4]依托實地工程，利用FLAC3D建立隧道三維數值模型，對不同開挖工法在深埋超大斷面隧道的開挖過程中圍巖擾動的情況進行研究；管新邦[5]、孟陸波等[6]利用FLAC3D軟件對臺階法、CD法和CRD法3種施工工法進行對比分析，得出在相同的支護條件下，CD法施工相較于臺階法和CRD法，對圍巖的擾動影響較小。杜守繼等[7-8]也在Flac3D軟件中對隧道施工工法以及圍巖變形支護進行數值模擬研究，由此可以看出FLAC3D在模擬隧道施工及支護方面具有很強的適用性。

以往學者對軟弱圍巖超大斷面隧道圍巖施工工法進行有限元模擬研究時，隧道模型粗糙；同時也沒有考慮對周邊隧道的影響，使得模擬結果與現場監測數據有一定差距。因此為使數值模擬結果更接近實際工程，選擇建模軟件Rhino6與有限元軟件相結合的方法，通過實地勘察及測井資料劃分地層，建立極為細致的隧道模型，并通過對比分析僑城東路隧道及其相鄰隧道的位移、應力場分布特征，探究三臺階七步施工工法應用于僑城東路北延通道工程的可能性。

1 工程概況

僑城東路隧道北接龍瀾大道-福龍路立交，西南下穿羊臺山，與深圳寶鵬通道、沙河東路北延道路相銜接與北環大道銜接，穿安托山片區，并沿現狀僑城東路新建地下復合隧道，止于濱海大道，隧道長度約為13.845km，如圖1所示。

2 工程鉆探取樣與地層巖性分析

2.1 工程鉆探取樣

圖1 僑城東路-寶鵬通道立交處隧道工程概況

本次鉆探采用 XY-1 型鉆機，鉆孔所得樣品見圖2。重型動力觸探適用于粗粒土體及全風化、強風化巖層，劃分不同性質的土層及確定土的物理力學性質，見圖3。

圖2 隧道鉆孔及樣品整理

圖3 重型動力觸探試驗

2.2 地層巖性分析

依據原位鉆探以及重型動力觸探試驗所得結果揭露地層，從上到下以此為：素填土，塊狀強風化、全風化、中風化及微風化花崗巖五個帶。

2.3 室內物理力學試驗

通過現場原位鉆探取得了每個地層的巖石樣品，將其分組進行巖石物理力學試驗。在經過折減后的巖體物理參數見表1。

表1 巖體物理參數

3 計算模型

3.1 隧道及初支數值模型構建

模型根據僑城東路隧道標準段K3+355～K3+435段實際地質條件進行建模處理。為保證數值模擬結果精確，建立140×120×40的隧道模型，開挖跨度達20.97m，高約10m，隧道橫向方向左右各留60m(3倍洞涇，消除邊界影響)，底部留40m(2倍洞涇，消除邊界影響)，拱頂至地表，隧道縱向長度取40m，整體進行網格加密，總共計336000個單元。該隧道結構斷面圖及圍巖初支如圖4、圖5所示，隧道開挖順序如圖6所示。

①-素填土；②-塊狀強風化中粒花崗巖；③-全風化中粒花崗巖；④-中風化中粒花崗巖；⑤-中風化中粒花崗巖；⑥-東線隧道；⑦-西線隧道；⑧-寶鵬隧道支線(已運行)圖4 隧道結構模型

圖5 支護方案及數值計算模型 注：1.初支方案：初噴+鋼拱架+10m長錨索+5m短錨索+排距1m2.噴射C35混凝土參數：厚度150mm，彈性模量25GPa，泊松比0.2，粘聚2.5MPa，內摩擦角52°。

圖6 隧道開挖順序

3.2 數值模擬結果分析

首先對寶鵬開挖、支護模擬計算后，清空位移與應力。然后進行僑城東路東線標準段三臺階七步法施工模擬，結果見圖7。

圖7 隧道圍巖位移場云圖(單位： m)

由隧道圍巖垂直位移云圖及位移監測曲線可知，東線隧道頂部垂直位移大于底部垂直位移，在隧道頂部形成了冒落拱。頂部最大變形量達0.40m，隧道底部位移僅次于頂部，達0.36m。而寶鵬隧道在東線隧道施工時受到影響較小，變形多集中在隧道頂部，在0.05m到0.1m間。從隧道圍巖水平位移云圖來看，東線隧道左右兩側橫向變形大致呈對稱分布，右側變形略小于左側，而寶鵬隧道水平方向上基本沒有受到影響。

圖8 隧道圍巖垂直方向應力云圖(單位：MPa)

根據隧道圍巖垂直方向應力云圖(圖8)可知，在東線隧道的拱頂、拱底和拱腰處都出現了應力集中現象。可見即使在淺埋的情況下，隧道頂底部和拱腰位置也都出現了拉應力，其中最大拉應力都集中在隧道的拱腰處，頂底部的拉應力小于兩側，應力云圖整體沿隧道中線呈現對稱分布。寶鵬隧道受到影響很小，僅在隧道的拱頂和拱底出現到了應力集中現象。

4 結論

根據對僑城東路隧道標準段開挖過程中圍巖的位移、應力的分布規律進行分析得出：

(1)在施工時僑城東路東線隧道標準段圍巖位移表現為拱頂下沉,拱底隆起,兩側向隧道內擠入。隧道頂部﹑底部和兩側是應力集中的主要部位﹐需要采取加強支護，同時施工時也要注意下方寶鵬隧道支線的拱頂以及拱底變形情況。

(2)僑城東路東線隧道在三臺階七步法施工時，因為開挖距離短，高度低，且支護初期支護工序操作便捷，因此對圍巖的擾動較小；下方隧道在良好的支護措施下受到的影響較小。說明三臺階七步法在僑城東路北延通道工程中是可行的。