劉新峰，李 睿，丁祖德，吳培關(guān)

（昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南昆明650000）

三臺階七步法臺階長度對巖堆體隧道穩(wěn)定性的影響分析

劉新峰*，李 睿，丁祖德，吳培關(guān)

（昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南昆明650000）

基于某高速公路隧道穿越巖堆體的工程實踐，建立了巖堆體隧道采用三臺階七步留核心土法施工的三維數(shù)值計算模型，分析不同臺階長度下巖堆體隧道圍巖應(yīng)力、拱頂下沉、圍巖水平位移以及圍巖塑性區(qū)的變化規(guī)律，并與現(xiàn)場實測結(jié)果進行對比。結(jié)果表明：合理的臺階長度能明顯改善圍巖受力狀況，限制周邊圍巖位移。進行巖堆體隧道開挖時，建議采用短臺階，臺階長度控制在4m以內(nèi)。所得結(jié)論可為巖堆體隧道施工提供有益參考。

巖堆體隧道；三臺階七步法；臺階長度；數(shù)值模擬

我國西南地區(qū)廣泛分布著巖堆體，它由砂黏土夾碎石、砂黏土及塊石土構(gòu)成，為塌落巖體在坡腳的松散堆積體。由于巖堆體的物質(zhì)組成不均一，孔隙度大，結(jié)構(gòu)松散,透水性強，本身處于極限平衡狀態(tài)，屬于特殊的軟弱圍巖[1]，在穿越巖堆體隧道施工中，易出現(xiàn)洞內(nèi)坍方、襯砌開裂、地表變形及滑坡等病害。近年來，隨著西南地區(qū)交通建設(shè)中巖堆體病害的突出，對巖堆體的綜合治理和施工技術(shù)相關(guān)研究已逐漸增多[2-6]。

在隧道施工中，臺階法仍然是目前的主流方法，當圍巖較差時，施工中經(jīng)常采用三臺階七步工法。在三臺階七步工法中，臺階的長度是保障施工安全與進度的重要措施，其對拱頂?shù)某两狄约皣鷰r的水平位移的約束均有重要作用。皇甫明等[7]指出留設(shè)核心土能顯著地減小地層的水平位移，同時也有抑制工作面前方地層的垂直位移的作用；袁金秀[8]利用FLAC-3D有限差分軟件對不同臺階長度和核心土長度進行分析。然而，對于隧道穿越巖堆體這種特殊地質(zhì)條件，三臺階七步工法臺階長度的合理選取尚無明確依據(jù)，從已有成果來看，不同地質(zhì)下臺階長度的一般范圍在2～10m之間。臺階長度過長會影響初支封閉成環(huán)，存在安全風(fēng)險，臺階長度過短，則會影響施工的空間?；诖?，本文研究巖堆體隧道采用三臺階七步工法的合理臺階長度，以為類似工程提供有益參考。

1 工程概況

云南省麻昭高速公路某隧道長約1530m，凈寬12m，凈高10.33m。該隧道進出口均為大型巖堆體，巖塊由泥質(zhì)灰?guī)r、砂質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、泥灰?guī)r組成，質(zhì)地較疏松，含土量較多，孔隙率大，透水性強。巖堆體邊坡平均坡度25°～40°，覆蓋層為碎石粉質(zhì)粘土以及碎石、塊石等。隧道施工從昭通端洞口單頭掘進，由于進出口圍巖較差，且淺埋偏壓，麻柳灣端口采用25m長?108mm長管棚，昭通端洞口采用30m長?108mm長管棚，環(huán)向間距為40cm，設(shè)置在襯砌拱部120°范圍內(nèi)。洞口采用三臺階七步法，按照Ⅴ級圍巖支護參數(shù)施工，初期支護以網(wǎng)噴混凝土+錨桿+型鋼鋼架組成，錨桿采用自進式?25mm中空注漿錨桿，長3.5m，間距1.0m×0.5m，呈梅花狀布置；超前小導(dǎo)管為?42mm×4mm的熱軋無縫鋼管，長4.5m，環(huán)向間距30～50cm，設(shè)置于襯砌拱部約120°范圍內(nèi)，外插角5°～15°；仰拱基底采用?42mm注漿小導(dǎo)管加固，長3.5m，間距1.2m×0.5m；型鋼采用I22a；噴射C25混凝土，厚度為29cm。

2 計算模型的建立

2.1 計算模型

考慮模型邊界效應(yīng)和計算效率，計算模型的橫向取寬92m，隧道最大埋深32m，隧道底部向下取30m，縱向取為50m。計算采用的地層和支護材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖與支護材料的物理力學(xué)參數(shù)

計算中，土體采用M-C模型，實體單元模擬，其余支護參數(shù)采用彈性模型，鋼拱架采用梁單元模擬,超前導(dǎo)管和錨桿采用桿單元模擬，噴射混凝土采用殼單元模擬。模型邊界為左右施加水平方向約束，底部施加豎直方向的約束，整體計算模型與施工步驟示意圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 計算模型

圖2 施工步驟示意圖

2.2 施工過程模擬和計算工況

計算時，按照三臺階七步開挖法進行開挖模擬。開挖進尺均采用1m，上臺階高度為3.5m，上臺階核心土高度為1.7m，中臺階3m，下核心土高度為2.6m，左右臺階錯開2m，仰拱高度1.23m，仰拱距離掌子面的距離均保持15～20m，如圖3所示。

圖3 臺階與核心土尺寸尺寸（單位：cm）

在保持核心土長度為6m的情況下，分別模擬臺階長度為2m、3m、4m、6m和8m共5種計算工況，并提取相應(yīng)的位移分析點進行分析，如圖4所示。

圖4 模型位移分析點布置圖

3 計算結(jié)果及分析

3.1 對圍巖應(yīng)力的影響

分析點A處（拱頂處）圍巖應(yīng)力隨臺階長度的變化曲線見圖5、圖6，分析點B處（左拱腰處）圍巖應(yīng)力隨臺階長度的變化曲線見圖7、圖8。

由圖5、6可知，5種工況下的分析點A的最大主應(yīng)力隨著開挖的過程先減小后增大，再減小至趨于穩(wěn)定。隨著臺階長度的增加，分析點A處的主應(yīng)力波動范圍也隨著增大，收斂速度也隨著變緩慢。從應(yīng)力釋放的快慢考慮，臺階長度越短，拱頂應(yīng)力釋放得越快。在開挖深度為27m時，臺階長度3m與臺階長度4拱頂應(yīng)力的曲線相差不大，應(yīng)力收斂較快。

由圖7、8可知，5種工況下分析點B的最大主應(yīng)力隨著臺階長度的增加而增大，臺階長度超過4m后最大主應(yīng)力的曲線變化不大。但是水平應(yīng)力釋放的時間隨著臺階長度的增大而變長。當臺階長度為2m、3m時，最大主應(yīng)力在開挖至7m后趨于穩(wěn)定；當臺階長度為4m時，最大主應(yīng)力在開挖至9m后趨于穩(wěn)定；當臺階長度為6m時，最大主應(yīng)力在開挖至13m后趨于穩(wěn)定；當臺階長度為8m時，最大主應(yīng)力應(yīng)力在17m后趨于穩(wěn)定。而分析點B的最小主應(yīng)力隨著臺階長度的增加而減小。

圖5 分析點A最大主應(yīng)力

圖6 分析點A最小主應(yīng)力

圖7 分析點B最大主應(yīng)力

3.2 對圍巖變形的影響

（1）圍巖塑性區(qū)。圍巖塑性區(qū)主要集中在掌子面前后以及拱腳和墻腳處，隨著臺階長度的增長，圍巖塑性區(qū)的范圍隨之減小。臺階長度為2m時，塑性區(qū)的范圍最為明顯，對掌子面的影響深度為1.8m，臺階長度為4m時，塑性區(qū)范圍明顯減小，對掌子面的影響深度為1.2m，臺階長度6m和8m時的塑性區(qū)范圍變化不大，對掌子面的影響深度約為1m。

圖8 分析點B最小主應(yīng)力

（2）圍巖豎向、水平位移。5種臺階長度下，洞口處地表與拱頂沉降值以及掌子面附近拱頂?shù)某两抵狄妶D9、圖10，拱腳處的水平位移見圖11。由圖9可知，隨著臺階長度的增加，洞口處拱頂?shù)某两狄搽S著增加，當臺階長度為2m時，洞口拱頂沉降值最小，為39.01mm，臺階長度為3m時，拱頂沉降值增加9.9%，臺階長度為4m時，較臺階長度為3m時的拱沉降增加4.4%，臺階長度超過4m后，拱頂沉降變化不大，但明顯大于臺階長度為2m和3m時拱頂?shù)某两抵?，地表沉降表現(xiàn)與拱頂一致；由圖10可知，開挖至一個循環(huán)后，從掌子面前后圍巖拱頂沉降分析，臺階長度為2m、3m和4m時拱頂沉降值緩慢增加，而臺階長度為6m和8m時拱頂沉降值較大；由圖11所示，在開挖至28m時，隨著臺階長度的增加，拱腳的水平位移先是變大之后趨于平穩(wěn)，臺階長度在2m、3m、4m時，拱腳水平收斂值分別為26.77mm、29.50mm、32.31mm，水平收斂值變化不大，而當臺階長度為6m時，拱腳水平收斂值為42.82mm，較臺階長度為4m時增大32.54%。

圖9 洞口處地表與拱頂沉降

4 數(shù)值計算與實測結(jié)果對比分析

選取某高速公路隧道進口端Ⅴ級圍巖段內(nèi)的K30+720斷面，對該斷面拱頂沉降實測結(jié)果與相同斷面處模擬結(jié)果進行比較分析。其中數(shù)值計算的結(jié)果來自于模型中目標斷面上相應(yīng)位置上的節(jié)點的位移，監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)則是來自實際開挖過程中與模擬開挖的時步內(nèi)容相一致的某一時間段的監(jiān)測數(shù)據(jù)。右洞K30+ 720斷面的拱頂沉降以及周邊收斂的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果見圖12、圖13。

圖10 掌子面前后拱頂沉降

圖11 拱腳水平位移

圖12 K30+720斷面的拱頂沉降

圖13 K30+720斷面周邊收斂

由圖12可知，拱頂?shù)某两翟谒淼篱_挖后的0～8d增長迅速，在上臺階開挖完成時，拱頂沉降的模擬值為22.05mm，在開挖一個循環(huán)時，拱頂沉降模擬值為42.52mm，占總沉降的94.6%，30d后拱頂沉降值趨于穩(wěn)定，最終拱頂沉降量的模擬值為44.95mm，實測值為53.28mm，相差8.3mm；由圖13可知，水平收斂的最終模擬值為 32.20mm，實測值為 36.80mm，相差4.60mm。由于實際開挖對周圍巖體的擾動和損傷等問題，而數(shù)值模擬又難以考慮，造成數(shù)值模擬的影響值小于實測值。從總體看來，實測值和數(shù)值模擬值結(jié)果比較相近，說明對隧道模型的模擬，基本上符合隧道現(xiàn)場的實際變化規(guī)律。

5 結(jié)論與建議

（1）對于三臺階七步工法穿越巖堆體隧道，應(yīng)該采取短臺階，臺階長度建議取4m或以內(nèi)，當臺階長度達到6m或更長時，圍巖的位移以及拱腳和墻腳的應(yīng)力將會有顯著的變化。

（2）由于巖堆體松散軟弱，孔隙率大，透水性強，在隧道施工時應(yīng)該避免雨季施工，必要時應(yīng)該對臺階以及核心土進行噴射混凝土加固。

（3）設(shè)置鎖腳小導(dǎo)管，鎖腳小導(dǎo)管對圍巖的位移抑制作用明顯，針對具體施工情況，局部位置可以加強設(shè)置鎖腳小導(dǎo)管以改善圍巖的受力。

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U458.1

A

1004-5716(2015)10-0182-04

2015-05-17

2015-05-19

國家自然科學(xué)基金項目（51308270）、云南省交通運輸廳科技計劃項目（kkk0201406045）。

劉新峰（1989-），男（漢族），湖南郴州人，昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院道路與鐵道工程專業(yè)在讀研究生，研究方向：隧道快速施工。