隧道三臺(tái)階七步法施工力學(xué)行為數(shù)值研究

作者簡(jiǎn)介：王家麒（1988—），工程師，主要從事公路工程現(xiàn)場(chǎng)施工管理工作。

摘要：圍巖條件較差的礦山法隧道在施工過(guò)程中常采用三臺(tái)階開(kāi)挖等方法控制圍巖變形。文章依托某暗挖隧道，采用有限元軟件ABAQUS建立隧道三維有限元模型，模擬隧道采用三臺(tái)階七步法開(kāi)挖并施作支護(hù)的施工過(guò)程，分析隧道施工引起的圍巖變形及支護(hù)內(nèi)力的變化規(guī)律。結(jié)果表明：洞周變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形存在不對(duì)稱(chēng)性，拱頂軸線(xiàn)左右兩側(cè)存在沉降差，且非對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖步會(huì)增大沉降差，對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖步僅傳遞沉降差；隧道軸線(xiàn)右側(cè)地表沉降略大于左側(cè)；圍巖應(yīng)力分布的最大值位置始終在兩側(cè)的拱腳處，且應(yīng)力最大值先增大后減小；隧道右側(cè)鎖腳錨桿軸力略大于左側(cè)。研究結(jié)果可為采用相似工法的隧道施工提供參考。

關(guān)鍵詞：隧道；三臺(tái)階七步開(kāi)挖法；洞周位移；圍巖應(yīng)力；數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.4

0 引言

在圍巖性質(zhì)較差的地層中開(kāi)挖隧道，尤其是大斷面隧道的開(kāi)挖，常采用分步開(kāi)挖以控制圍巖變形^[1]。目前，常見(jiàn)的分步開(kāi)挖法有雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、交叉中隔壁法和三臺(tái)階開(kāi)挖法^[2-3]。其中雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、交叉中隔壁法均需設(shè)置臨時(shí)支護(hù)，不利于大型機(jī)械施工，因此會(huì)降低施工速度^[4]。三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工空間大，且可多斷面同時(shí)施工，提高了施工速度，并具有靈活轉(zhuǎn)換工序等優(yōu)點(diǎn)^[5]。三臺(tái)階七步開(kāi)挖法已在許多實(shí)際工程中應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)三臺(tái)階開(kāi)挖法進(jìn)行了多角度研究。裴巧玲等^[6]采用數(shù)值模擬分析了某隧道三臺(tái)階七步法施工過(guò)程，確定了該隧道施工重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域和加固區(qū)域。王常波^[7]依托實(shí)際隧道工程，通過(guò)數(shù)值模擬厘定了三臺(tái)階開(kāi)挖法中最佳臺(tái)階高度。付庭茂等^[8]通過(guò)數(shù)值模擬揭示了薄層狀片巖中三臺(tái)階開(kāi)挖隧道的圍巖變形特征。夏海等^[9]通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，厘定了三臺(tái)階七步開(kāi)挖和預(yù)制臨時(shí)仰拱的圍巖變形規(guī)律和塑性區(qū)范圍。

本文結(jié)合廣西某隧道中間段地質(zhì)條件，采用大型有限元軟件ABAQUS建立隧道三臺(tái)階七步法施工三維有限元模型，分析隧道施工引起的圍巖應(yīng)力、支護(hù)變形和內(nèi)力變化規(guī)律。分析結(jié)果可為采用相似工法的隧道提供參考。

1 三臺(tái)階七步開(kāi)挖工法

三臺(tái)階七步法作為常見(jiàn)的隧道開(kāi)挖工法，以預(yù)留核心土且分上中下三臺(tái)階開(kāi)挖作為基本模式，其開(kāi)挖步序如圖1所示，沿隧道縱向平行推進(jìn)。

在三臺(tái)階七步法中^[10]，首先開(kāi)挖上部弧形導(dǎo)坑，開(kāi)挖后施作噴錨支護(hù)，并架設(shè)鋼架、安裝錨桿，按設(shè)計(jì)要求噴射混凝土；隨后進(jìn)行左、右中臺(tái)階開(kāi)挖，施作支護(hù)；再開(kāi)挖左、右下臺(tái)階，并施作支護(hù)；上中下臺(tái)階預(yù)留核心土開(kāi)挖，重復(fù)前述開(kāi)挖步驟；仰拱開(kāi)挖，每次循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺為2～3 m，開(kāi)挖后及時(shí)施作仰拱，使支護(hù)封閉成環(huán)。

湖北省金崗山隧道全長(zhǎng)575 m，最大埋深為62.90 m。隧道有440 m位于中風(fēng)化泥灰?guī)r中，占隧道全長(zhǎng)的76.5%，該巖體遇水易崩解，圍巖自穩(wěn)能力較差，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ～Ⅴ級(jí)。地下水主要為巖層裂隙水，未能形成穩(wěn)定水位，受季節(jié)影響較大。隧道開(kāi)挖斷面尺寸為13.92 m×11.48 m，開(kāi)挖面積約為124 m²。根據(jù)隧道圍巖土體的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果以及工程地質(zhì)勘察報(bào)告，結(jié)合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》確定的模型材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。其中初期支護(hù)噴射混凝土采用C20混凝土，厚30 cm；二次襯砌模筑混凝土采用C30混凝土，厚50 cm；Ⅰ20b工字鋼拱架；?42 mm鎖腳鋼管，長(zhǎng)度3.5 m，鎖腳錨桿布設(shè)方式為在上臺(tái)階、中臺(tái)階以及下臺(tái)階開(kāi)挖后分別在左右兩側(cè)各打設(shè)2根，共6根。

2 三維模型計(jì)算

2.1 模型的建立

為減小邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果帶來(lái)的影響，模型中隧道斷面尺寸按金崗山隧道的實(shí)際大小取值，模型圍巖范圍取隧道5倍洞徑大小，如圖2所示。在A(yíng)BAQUS中模擬三臺(tái)階七步開(kāi)挖法時(shí)，需要根據(jù)開(kāi)挖步驟對(duì)不同的開(kāi)挖部分建立集合，再通過(guò)“生死單元”功能按開(kāi)挖步驟“殺死”土體單元、“激活”支護(hù)單元，并循環(huán)開(kāi)挖至隧道貫通。土體集合、支護(hù)集合如圖3所示。

2.2 材料本構(gòu)參數(shù)

本文采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模擬圍巖，采用CDP本構(gòu)模擬混凝土，采用彈性本構(gòu)模擬鎖腳鋼管。各材料參數(shù)如表1所示。

2.3 模型荷載及邊界條件

隧道開(kāi)挖過(guò)程中僅考慮重力作用，因此對(duì)模型整體施加重力荷載。由于模型尺寸所限，將未建模的隧道上覆土轉(zhuǎn)化為均布荷載施加于模型頂面，其荷載大小為585.6 kPa。模型底面采用綁定約束，模型側(cè)面采用軸向約束，模型頂面為自由面。

2.4 模型分析步

（1）僅考慮重力和上覆土荷載施加于圍巖上，采用地應(yīng)力分析步平衡地應(yīng)力；（2）按三臺(tái)階七步開(kāi)挖法，采用靜力學(xué)分析步進(jìn)行土體開(kāi)挖和施作支護(hù)。臺(tái)階寬度為3 m，開(kāi)挖步長(zhǎng)為2 m，除仰拱外每開(kāi)挖一步便及時(shí)施作支護(hù)，仰拱封閉距離為15 m。如圖4所示。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 拱頂沉降差異分析

在隧道實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中，隧道拱部的開(kāi)挖沉降量較大，常常是施工中的重點(diǎn)監(jiān)控部位，因此選取開(kāi)挖x=0 m處斷面時(shí)，一個(gè)循環(huán)開(kāi)挖過(guò)程中的拱頂沉降位移模擬結(jié)果進(jìn)行分析，隧道初支位移云圖俯視圖如圖5所示。

由圖5可知，掌子面的拱頂下沉量最大，但在左、右臺(tái)階開(kāi)挖后，拱頂軸線(xiàn)左右兩側(cè)沉降不對(duì)稱(chēng)，且沉降差隨著掘進(jìn)深度的增加持續(xù)累積。提取循環(huán)開(kāi)挖步中各臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)拱頂左右兩側(cè)最大沉降差，如圖6所示。

由圖5～6可以分析出，隧道拱部的初支變形分布是不均勻的，拱頂軸線(xiàn)左右兩側(cè)存在沉降差，在隧道的非對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖步，左中臺(tái)階開(kāi)挖、右中臺(tái)階開(kāi)挖、左下臺(tái)階開(kāi)挖、右下臺(tái)階開(kāi)挖都存在改變兩側(cè)沉降差的情況。在左側(cè)沉降大于右側(cè)的情況下，左中臺(tái)階和左下臺(tái)階的開(kāi)挖將兩側(cè)沉降差距不斷擴(kuò)大，由0.18 mm擴(kuò)大到1.52 mm。而右中臺(tái)階和右下臺(tái)階的開(kāi)挖雖然能減緩一定左右沉降差距，但效果有限，將變形值由1.52 mm減小到0.69 mm。在隧道的對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖步序下，主要是將之前產(chǎn)生的沉降差進(jìn)行傳遞，這些步序本身不會(huì)擴(kuò)大沉降差異程度。

3.2 地表沉降

提取x=30 m的隧道斷面地表沉降進(jìn)行分析，如圖7所示，地表沉降最大值為23.95 mm，地表沉降曲線(xiàn)于隧道中軸線(xiàn)兩側(cè)存在沉降差，中軸線(xiàn)右側(cè)沉降略大于左側(cè)沉降，最大沉降差為4.6 mm。本文所建有限元模型是從左側(cè)臺(tái)階先開(kāi)挖，對(duì)于隧道軸線(xiàn)右側(cè)的圍巖擾動(dòng)次數(shù)更多，右側(cè)圍巖應(yīng)力重分布并產(chǎn)生形變甚至松弛的次數(shù)也就更多，因此隧道軸線(xiàn)右側(cè)地表沉降略大于左側(cè)。

提取x=30 m處隧道斷面拱頂及地表的沉降值，如圖8所示，其最大值分別為25.70 mm、35.12 mm，并分析其與隧道開(kāi)挖距離的關(guān)系。在隧道開(kāi)挖后，拱頂沉降值始終大于地表沉降值，且兩者差值隨著開(kāi)挖距離的增大而增大；當(dāng)開(kāi)挖至監(jiān)測(cè)斷面前30 m處，該斷面的地表沉降與拱頂沉降呈收斂趨勢(shì)。

3.3 圍巖應(yīng)力分析

選取x=30 m處斷面進(jìn)行分析，提取該斷面開(kāi)挖時(shí)的應(yīng)力云圖如圖9所示，并選用Mises等效應(yīng)力分析土體屈服、破壞情況。提取各開(kāi)挖步序支護(hù)應(yīng)力最大值，如下頁(yè)表2所示。

隨著隧道開(kāi)挖的進(jìn)行，應(yīng)力分布的最大值位置始終在兩側(cè)的拱腳處，且應(yīng)力最大值先增大后減小，整個(gè)斷面開(kāi)挖過(guò)程中的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在右中臺(tái)階開(kāi)挖步序，為0.904 MPa，因此應(yīng)加強(qiáng)該支護(hù)步序的應(yīng)力監(jiān)測(cè)。當(dāng)開(kāi)挖左中臺(tái)階時(shí)，左側(cè)拱腳應(yīng)力為0.874 MPa，右側(cè)拱腳應(yīng)力為0.876 MPa，應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在右側(cè)，這與前述地表沉降的規(guī)律一致，即從左側(cè)臺(tái)階先開(kāi)挖，對(duì)于隧道軸線(xiàn)右側(cè)的圍巖擾動(dòng)次數(shù)更多。實(shí)際施工時(shí)應(yīng)根據(jù)應(yīng)力分布，調(diào)整支護(hù)措施，保證隧道結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

x=30 m處斷面的圍巖塑性區(qū)如圖10所示。塑性區(qū)大小隨著開(kāi)挖的進(jìn)行發(fā)生橫向拓寬以及縱向伸長(zhǎng)。在隧道的對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖步，如上臺(tái)階開(kāi)挖，土體的塑性區(qū)呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布；在隧道的非對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖步，如左中臺(tái)階的開(kāi)挖，土體塑性區(qū)的極值出現(xiàn)在相對(duì)一側(cè)，說(shuō)明土體的一側(cè)開(kāi)挖會(huì)加劇對(duì)側(cè)土體變形，開(kāi)挖導(dǎo)致了土體應(yīng)力的重新分布。

在上臺(tái)階開(kāi)挖步，拱頂范圍塑性區(qū)較小而上臺(tái)階拱腳處塑性區(qū)最大；在左右中臺(tái)階開(kāi)挖的步序下，中臺(tái)階邊墻位置的塑性區(qū)分布擴(kuò)大，中臺(tái)階拱腳處塑性區(qū)最大；在左右下臺(tái)階開(kāi)挖步序下，塑性區(qū)沿縱向進(jìn)一步拓展，中下臺(tái)階的邊墻處均有較大的塑性區(qū)，最大的塑性區(qū)依然在拱腳位置；核心土的開(kāi)挖對(duì)塑性區(qū)分布范圍變化影響很小。

3.4 鎖腳錨桿內(nèi)力

圖11為隧道左右兩側(cè)鎖腳錨桿軸力與開(kāi)挖距離的關(guān)系曲線(xiàn)圖。隨著隧道開(kāi)挖距離的增加，兩側(cè)鎖腳錨桿的軸力持續(xù)增大，當(dāng)開(kāi)挖至30 m后，錨桿軸力呈現(xiàn)收斂趨勢(shì)；當(dāng)開(kāi)挖至48 m左右，錨桿軸力完全收斂；右側(cè)鎖腳錨桿軸力最大值大于左側(cè)，其軸力最大值分別為7.3 kN、6.9 kN，這是由于隧道軸線(xiàn)兩側(cè)圍巖產(chǎn)生的位移不一致，且右側(cè)位移略大于左側(cè)，因此錨桿內(nèi)力變化趨勢(shì)相同，但右側(cè)錨桿軸力值略大于左側(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）隧道的非對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖步會(huì)引起初支不均勻變形，拱頂軸線(xiàn)左右兩側(cè)存在沉降差，且各非對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖步會(huì)不斷積累沉降差，而右中臺(tái)階和右下臺(tái)階的開(kāi)挖雖然能減緩一定左右沉降差距，但效果有限。在隧道的對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖步下，主要是將之前產(chǎn)生的沉降差進(jìn)行傳遞，而對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖步序不會(huì)使沉降差增大。

（2）隧道中軸線(xiàn)兩側(cè)地表沉降存在沉降差，中軸線(xiàn)右側(cè)沉降略大于左側(cè)沉降，最大沉降差為4.6 mm。拱頂沉降值始終大于地表沉降值，且兩者差值隨著開(kāi)挖距離的增大而增大；當(dāng)開(kāi)挖至監(jiān)測(cè)斷面前30 m處，該斷面的地表沉降與拱頂沉降呈收斂趨勢(shì)。

（3）圍巖應(yīng)力分布的最大值位置始終出現(xiàn)在兩側(cè)的拱腳處，且應(yīng)力最大值先增大后減小，整個(gè)斷面開(kāi)挖過(guò)程中的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在右中臺(tái)階開(kāi)挖步序，為0.904 MPa。當(dāng)開(kāi)挖左中臺(tái)階時(shí)，左側(cè)拱腳應(yīng)力0.874 MPa，右側(cè)拱腳應(yīng)力0.876 MPa，應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在右側(cè)，與地表沉降的規(guī)律一致。

（4）圍巖塑性區(qū)大小隨著開(kāi)挖的進(jìn)行發(fā)生橫向拓寬以及縱向伸長(zhǎng)。在隧道的非對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖步，土體塑性區(qū)的極值出現(xiàn)在相對(duì)一側(cè)，即該側(cè)土體開(kāi)挖會(huì)加劇對(duì)側(cè)土體的變形，導(dǎo)致土體應(yīng)力的重新分布。

（5）隨著隧道開(kāi)挖距離的增加，兩側(cè)鎖腳錨桿的軸力持續(xù)增大，當(dāng)開(kāi)挖至30 m后，錨桿軸力呈現(xiàn)收斂趨勢(shì)；當(dāng)開(kāi)挖至48 m左右，錨桿軸力完全收斂；右側(cè)鎖腳錨桿軸力最大值大于左側(cè)，其軸力最大值分別為7.3 kN、6.9 kN。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃 沛，王華峰，鄧祥輝.大斷面隧道三臺(tái)階七步開(kāi)挖法仿真分析[J].工程勘察，2018，46（1）：9-14.

[2]石 賡.高速公路大跨徑隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工技術(shù)研究[J].四川建材，2022，48（9）：126-127.

[3]徐偉然.交叉中隔壁法隧道施工技術(shù)探討[J].廣東科技，2014，23（12）：109-110.

[4]鄧祥輝.大斷面軟弱圍巖隧道洞口段施工工法比較分析[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33（12）：974-981.

[5]李國(guó)棟.三臺(tái)階開(kāi)挖法在軟弱圍巖隧道中的應(yīng)用[J].科學(xué)之友，2013（1）：33-34，36.

[6]裴巧玲，華 珊，嚴(yán)松宏.大阪山隧道三臺(tái)階七部開(kāi)挖法數(shù)值模擬與施工監(jiān)測(cè)[J].低溫建筑技術(shù)，2018，40（6）：102-106，111.

[7]王常波.三臺(tái)階開(kāi)挖輸水隧洞臺(tái)階高度設(shè)計(jì)方案優(yōu)化研究[J].水利科學(xué)與寒區(qū)工程，2022，5（7）：111-113.

[8]付庭茂，黃 河，鄭燁晨，等.薄層狀片巖大斷面隧道三臺(tái)階法數(shù)值分析[J].甘肅科技，2022，38（4）：73-75，104.

[9]夏 海，徐光陽(yáng)，傅金陽(yáng)，等.黃土隧道三臺(tái)階施工預(yù)制臨時(shí)仰拱技術(shù)及應(yīng)用研究[J].隧道建設(shè)（中英文），2021，41（S1）：431-439.

[10]侯 圓，王 波.公路隧道三臺(tái)階機(jī)械開(kāi)挖法施工技術(shù)研究[J].四川水利，2022，43（2）：114-116.