隧道臺階法開挖進尺及臺階長度優化分析

李 超

（中鐵十二局集團第七工程有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

臺階法是隧道工程常用的開挖方法之一，具有開挖效率高、經濟性強等特點，被廣泛應用于Ⅳ級及以上等級圍巖區域隧道修建。隨著工程機械及施工標準的不斷更新，采用臺階法施工時根據具體的工程特點，確定最合理的開挖進尺及臺階長度對工程施工具有重要的指導意義。

李釗等[1]采用三維有限元計算模型分析了開挖進尺和臺階長度對圍巖和支護結構的穩定影響；武建林等[2]利用數值計算軟件構建數值計算模型，研究對比了微臺階法和短臺階法隧道開挖引起的圍巖位移和應力變化情況；李建宇等[3]采用數值模擬的方法，研究了開挖錯距和臺階長度對拱頂沉降和拱腳水平收斂的影響；王海軍[4]通過數值模擬的方法，對比分析了不同臺階長度對于隧道的影響；袁金秀[5]利用FLAC3D 有限差分軟件對不同臺階長度和核心土長度進行分析。綜上所述，針對不同的隧道工程，確定合理的臺階長度和開挖進尺是有必要的。

本文以徐州市城市軌道交通2 號線中心醫院站-淮塔東路站區間為依托，針對臺階法開挖的Ⅳ級圍巖區域，采用大型有限差分軟件FLAC3D 構建數值計算模型，對比分析不同開挖進尺和臺階長度工況下的初期支護拱頂沉降曲線及水平收斂曲線，優選出合理的臺階法施工參數，為現場施工提供相應指導。

1 項目背景

1.1 工程概況

徐州市城市軌道交通2 號線一期工程線路全長約23.9 km，設站20 座，平均站間距1.30 km，全部為地下站，換乘站6 座。其中06 標段起止里程：右K10+194.386～右K11+522.582，全長約1 328 m，包括2 站1 區間，分別為：中心醫院站，淮塔東路站，中心醫院站-淮塔東路站區間。中心醫院站-淮塔東路站區間起止里程為右K10+431.587～右K11+354.059，區間全長約922 m。

1.2 工程地質與水文地質

據勘察報告顯示，本工程沿線除填土外，發育有第四系上更新統地層，自上而下可分為2 個工程地質單元層，下伏基巖為寒武系灰巖、泥灰巖，場地內各土層物理力學參數見表1。

表1 土層物理力學參數

據區域水文地質資料、現場調查及引用資料顯示，場地水文地質條件復雜。地下水類型分為填土中的潛水（局部為上層滯水）和巖溶裂隙水。潛水主要受大氣降水、居民生活用水排放及大氣降水補給，水位動態變化較大，水量較小。因此在數值模擬計算中可以忽略水力滲透的作用。

1.3 設計參數

全區間段采用臺階法施工，區間隧道埋深9.3 m～24.8 m，區間隧道主要穿越中風化灰巖層，局部地段穿越硬塑黏土層，正洞隧道斷面采用單洞單線標準斷面和單洞雙線大斷面馬蹄形復合式支護。

根據圍巖級別分類，本區間線隧道敷設區域地層圍巖以Ⅳ級圍巖為主，因此本研究主要分析Ⅳ級圍巖段開挖工法的優化方案。其中支護結構的設置為復合式組合支護結構，包括格柵鋼架（縱向間距為1.2 m），組合中空錨桿（拱部180°布置，環縱向間距1.2 m×2.4 m，長度2 m）,C25 強度噴射早強混凝土，防水層及C35 等級模筑鋼筋混凝土。

2 數值計算模型

根據現場的設計方案及地質情況，數值計算模型取值為：區間隧道埋深為15 m，上覆土層厚度分別為1.5 m（雜填土），6.5 m（黏土）。由于本工程為城市軌道工程，且區間線沿著城市主干道敷設，兩側建構筑物分布密集，因此擬定采用超短臺階法施工。超短臺階法施工時，上下臺階距離應小于隧道最大內徑。采用超短臺階法施工更有利于控制隧道初期支護收斂變形量及周邊變形。

2.1 模型尺寸及邊界

所研究隧道斷面最大尺寸為5.3 m×7.16 m，對于隧道工程及相關地下開挖工程，開挖影響的范圍一般為洞室寬度的3 倍～5 倍，因此在建立數值模型時水平方向的長度取36 m，沿隧道開挖方向取50 m，豎直方向取32 m。支護分為錨桿、格柵鋼架及初期支護，其中錨桿長度為2.5 m，間距為1.2 m×2.4 m（環向×縱向），格柵鋼架的縱向間距為1.2 m，上臺階高度為3.0 m，構建的數值計算模型如圖1 所示。

圖1 隧道模型圖

數值計算模型對應的邊界條件為：上表面為自由表面，模擬地表情況；左右邊界約束其法向位移，模型前后表面同樣為法向約束，底部邊界為固定約束，即不考慮模型尺寸范圍外土體對計算結果的影響。

2.2 材料參數

數值計算模型中共包括4 種材料，分別為土體、初期支護、中空錨桿及格柵鋼架。其中土體材料采用理想塑性材料，服從Mohr-coulomb 強度準則，初期支護采用線彈性體材料，中空錨桿采用軟件自帶的cable 單元，格柵鋼架采用軟件自帶的beam 單元，均符合線彈性本構。其中土層參數依據表1 中參數確定，其他材料參數見表2。

表2 模型材料參數

2.3 計算步序

研究針對開挖進尺和臺階長度2 個參數，根據設計施工要求，開挖采用超短臺階法，為了確定最優的開挖進尺和臺階長度，分別擬定了5 種開挖進尺和5 種臺階長度，共9 種計算工況，見表3。

表3 開挖計算工況

數值模擬計算步驟描述如下。

第一步：賦予對應深度位置土體相應參數，進行初始地應力平衡分析步。

第二步：將第一步中的位移長歸零，按照開挖進尺逐步移除上臺階土體及下臺階土體，同時激活相應位置的錨桿、格柵鋼拱架及初期支護單元，掌子面開挖至30 m 處停止開挖。

3 計算結果分析

3.1 拱頂最大沉降

不同工況下的拱頂變形曲線見圖2。由圖2 可得以下結論。

圖2 不同工況拱頂沉降曲線

1）拱頂沉降曲線呈“S”型，在掌子面位置拱頂的沉降量較小，而在掌子面后方0～10 m 范圍內拱頂沉降變形激增，這是由于開挖引起圍巖卸載后圍巖壓力作用在初期支護上所導致的，同時掌子面附近初期支護環尚未閉合，因此掌子面附近的初期支護環拱頂位置沉降值變化量劇增，超過1 倍洞徑后，拱頂沉降曲線趨于穩定,初期支護拱頂為沉降變形，拱底為隆起變形。

2）開挖進尺為0.4 m，0.6 m，0.8 m，1.0 m，1.2 m 時，拱頂最大沉降值分別為4.43 mm，4.48 mm，4.57 mm，4.80 mm，5.12 mm，拱頂的最大沉降值隨著開挖進尺的減小而減小，但開挖進尺的減小會造成開挖效率的降低，可以看到在開挖進尺＜0.8 m后，拱頂最大沉降量的增加速率逐漸減小，而開挖進尺＞0.8 m 后，拱頂最大沉降量的增加速率顯著提升。

3）臺階長度為2 m，4 m，6 m，8 m，10 m 時，拱頂的最大沉降值分別為4.11 mm，4.39 mm，4.57 mm，5.26 mm，5.72 mm，拱頂最大沉降值隨著臺階長度的增加而增加，特別是當臺階長度≥6 m 時，拱頂最大沉降值的增加量顯著提升。相比開挖進尺，拱頂最大沉降量受臺階長度的影響更大。

3.2 最大水平收斂

圖3 為不同工況下初期支護的最大水平收斂曲線，初期支護水平變形收斂曲線與拱頂沉降分布規律一致，呈“S”型曲線分布，在掌子面后方10 m～15 m 范圍內水平收斂值才顯著增加，下臺階土體未開挖是導致掌子面附近初期支護水平收斂值較小的原因。

圖3 不同工況下水平收斂曲線

初期支護收斂為水平對稱分布，與拱頂沉降不同的是初期支護水平收斂值在掌子面附近的變化較小，而在前序開挖部位的初期支護水平收斂值較大，在掌子面附近，由于下臺階位置附近的土體還未開挖，仍有抵抗圍巖水平收斂的作用，而在前序開挖位置，全部土體被開挖，初期支護承擔圍巖壓力，因此前序開挖位置的初期支護水平收斂明顯。初期支護水平收斂值隨著開挖進尺及臺階長度的增加而增加，對比不同工況曲線可以看到，開挖進尺及臺階長度分別為0.8 m 和6 m 時，襯砌水平的收斂值較小，開挖進尺≥0.8 m 或臺階長度≥6 m時，都將導致初期支護的水平收斂值顯著增加，而低于這個工況，開挖效率及工程機械的施工空間都將受到限制。

4 結論

本研究采用FLAC3D 模擬超短臺階法開挖施工，分析了不同開挖進尺和臺階長度對初期支護拱頂沉降、水平收斂、格柵鋼架軸力及地表沉降的影響，分析得出如下結果。

1）拱頂沉降最大沉降值、水平收斂值及地表沉降值均隨著開挖進尺及臺階長度的減小而減小。

2）拱頂沉降曲線及初期支護水平收斂曲線呈“S”型分布，拱頂沉降迅速變化區域位于掌子面后方1 倍洞徑范圍內，由于下臺階土體未被開挖，初期支護水平收斂曲線迅速變化位置位于掌子面后方10 m～15 m。

3）本工程背景下最合理的開挖進尺及臺階長度分別為0.8 m 和6 m，此狀態下控制效果最佳且滿足工程機械的施工空間要求。