艾世勃

（中煤科工集團北京華宇工程有限公司，北京 100120）

淺埋偏壓條件下三臺階七步法沉降規(guī)律分析

艾世勃

（中煤科工集團北京華宇工程有限公司，北京 100120）

以典型的淺埋偏壓隧道工程為背景，采用數(shù)值模擬方法，研究了三臺階七步法施工過程中的拱頂沉降變化規(guī)律，分析了地層變形、圍巖塑性區(qū)分布等特點，為合理有效控制隧道拱頂沉降提供依據(jù)，明確工程控制重點。在三臺階七步法的施工過程中，應(yīng)加強對上臺階開挖沉降控制，及時進行位移監(jiān)測，動態(tài)指導(dǎo)施工。同時，臨時仰拱應(yīng)及時施做，盡早封閉成環(huán)。

淺埋偏壓;三臺階七步開挖法;拱頂沉降;位移監(jiān)測;數(shù)值模擬

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.06.015

1 引言

三臺階七步法是目前軟弱圍巖大斷面隧道施工常采用的一種工法，該工法具有操作簡便、工序轉(zhuǎn)換靈活、施工快捷、能充分發(fā)揮大型機械效能、加快施工進度、降低工程造價等優(yōu)點[1]。近年來，三臺階七步法在淺埋偏壓隧道中的應(yīng)用也逐漸增多[2]。

目前,對三臺階七步法穿越淺埋偏壓地層的研究主要集中在施工技術(shù)和作用機理研究[3，4]等方面，對施工過程中拱頂沉降的變化規(guī)律研究較少。在淺埋偏壓段進行隧道施工，極易引起隧道拱頂沉降，如果控制不當(dāng)會造成變形超限，嚴重時引起隧道塌方冒頂[5～7]。因此，有必要對三臺階法在淺埋偏壓段施工過程中的拱頂沉降變化規(guī)律進行研究，以達到合理有效控制拱頂沉降的目的。

本文以典型淺埋偏壓隧道工程為例，對三臺階七步法各個施工步的沉降規(guī)律進行分析，明確工程控制重點。相關(guān)研究成果為隧道安全施工提供參考，同時對豐富同類工程案例、完善隧道設(shè)計理論具有重要意義。

2 數(shù)值模擬方案確定

2.1 典型工況介紹

某鐵路隧道設(shè)計為單洞雙線，時速250km/h，預(yù)留進一步提速條件。該地區(qū)地貌為剝蝕低山區(qū)，地形起伏較大，隧道進洞口單側(cè)或兩側(cè)多為沖溝，植被發(fā)育，埋深淺，屬于典型的淺埋偏壓隧道，隧道最大開挖斷面積為154.2m2。隧道所處的圍巖條件為V級，巖體破碎呈碎塊狀，斷面形式如圖1所示。

圖1 典型淺埋偏壓隧道

隧道擬采用開挖方法為三臺階七步法，初期支護全環(huán)設(shè)型鋼鋼架，間距0.6m，采用HW175型鋼鋼架；拱墻設(shè)網(wǎng)格為20cm伊20cm的6mm鋼筋網(wǎng)片；拱部圓心上140毅范圍設(shè)25mm中空注漿錨桿，間距1.5m伊1.5m，單根長4m，梅花形布置；邊墻設(shè)22mm砂漿錨桿，間距為1.2m伊1.2m，單根長4m；噴射混凝土拱部為C30，仰拱為C25，厚度均為28cm。在隧道開挖前，采用超前支護控制圍巖變形，超前支護為42mm的超前小導(dǎo)管。

2.2 模型的建立

FLAC3D采用動態(tài)運動方程進行求解非常適合模擬非線性問題和大變形問題[8]，因此本文選用此程序，對三臺階七步施工過程中的拱頂沉降規(guī)律進行分析。計算模型如圖2所示，模型上表面與圖1中的地表邊界相同，隧道底部、左部、右部至邊界的距離均為50m，長為120m。隧道的尺寸按照圖1中隧道外輪廓進行選取，高度為12240mm，跨度為14 380mm。模型單元為109 920個，節(jié)點為116 632個。

對工程實際進行相應(yīng)簡化，將圍巖視為連續(xù)、均勻、各向同性介質(zhì)，采用Mohr-Column本構(gòu)模型進行模擬；隧道初期支護采用實體單元進行模擬，本構(gòu)模型為彈性模型；隧道超前支護采用模型自帶的shell單元進行模擬，厚度均為0.3m，模型的計算參數(shù)見表1。采用等代層的方式模擬隧道錨桿注漿加固區(qū)，計算參數(shù)取原土層參數(shù)的1.5倍。模型兩側(cè)及底部均限制法向位移，地表為自由面。在模擬過程中，只考慮自重應(yīng)力的影響，不考慮圍巖蠕變效應(yīng)及地下水的影響。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

表1 模型計算參數(shù)

2.3 開挖模擬過程

三臺階七步開挖法將斷面分為7部9塊分別開挖，開挖步序如圖3所示。具體數(shù)值模擬過程如下：第1步，開挖上部弧形導(dǎo)坑（①），拱部超前支護后，環(huán)向開挖，開挖后立即施做初期支護。第2～3步，開挖左、右側(cè)中臺階（②、③）：兩側(cè)臺階錯開開挖，開挖后同樣立即施做初期支護；第4～5步，開挖左、右側(cè)下臺階（④、⑤），模擬方法同第2～3步；第6步，開挖核心土（⑥-1、⑥-2、⑥-3）；第7步，開挖隧底（⑦），初期支護封閉成環(huán)。

圖3 三臺階七步法開挖步序圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在模擬過程中，選取模型中部（Y=60m）為目標斷面（見圖2），記錄各個開挖步下拱部3個測點（見圖3）的沉降值見圖4。由圖可得：

1）上臺階開挖完成后，測點1、測點2、測點3的累積沉降量分別為-48.17mm、-44.56mm、-34.94mm；中臺階開挖完成后，測點1、測點2、測點3的累積沉降量分別為-73.86mm、-65.41mm、-54.78mm；下臺階開挖后，測點1、測點2、測點3的累積沉降量分別為-90.00mm、78.68mm、67.23mm；仰拱閉合完成后，測點1、測點2、測點3的累積沉降量分別為-94.23mm、82.03mm、70.79mm。測點2各個施工階段累積沉降量大于測點1和測點3，這是偏壓作用造成的。

2）測點1、測點2、測點3上臺階開挖引起隧道拱頂沉降占總變形的比例分別為51.12%、54.32%、49.36%；測點1、測點2、測點3中臺階開挖引起隧道拱頂沉降占總變形的比例分別為27.26%、25.42%、28.03%；測點1、測點2、測點3下臺階開挖引起隧道拱頂沉降占總變形的比例分別為 17.13%、16.18%、17.58%；測點1、測點2、測點3仰拱封閉引起隧道拱頂沉降占總變形的比例分別為4.49%、4.08%、5.03%。對于3個測點而言，上臺階開挖引起的沉降均較大，因此，上臺階支護對控制圍巖變形起關(guān)鍵作用，施工中應(yīng)加強上臺階位移監(jiān)測，及時反饋動態(tài)指導(dǎo)施工。

3）仰拱閉合完成以后，各個測點變形基本不再發(fā)展。及時支護，及早封閉成環(huán)對淺埋偏壓條件下隧道施工意義重大。

圖4 拱頂分步沉降值

分析三臺階七步法施工完成時目標斷面的地層沉降云圖（見圖5）可得，在偏壓作用下，地層沉降沿隧道輪廓顯不對稱分布。拱頂變形偏向于地表較高處，而拱頂變形與之相反，偏向地表較低處。因此，在不同的施工階段，工程控制重點有所不同。在施工過程中，應(yīng)該增加對拱底的監(jiān)測。

圖5 目標面地層沉降云圖

分析三臺階七步法施工完成時目標斷面的塑性區(qū)分布（圖6）可得，在淺埋的條件下，圍巖塑性區(qū)發(fā)展至地表，如果控制措施效果不明顯，圍巖會產(chǎn)生塑性滑移，嚴重時引起隧道塌方冒頂。偏壓作用加劇了塑性區(qū)的發(fā)展，增大塑性區(qū)的范圍，使塑性區(qū)向地表較高處發(fā)展。

圖6 目標面塑性區(qū)分布圖

由上述分析可知，在淺埋偏壓下進行隧道的開挖會引起較大的拱頂沉降，塑性區(qū)極易擴展到地表，應(yīng)該在施工過程中加強加固方案。可以把原有的超前小道管的支護方案改為超前管棚，管棚的直徑可取為89mm；可以把鎖腳錨桿改為鎖腳鋼管注漿加固，鋼管直徑可選為50mm；可以在拱部分臺階處設(shè)置擴大拱腳；同時，也應(yīng)該加強各個施工步銜接，盡量減少圍巖暴露時間，避免因長時間暴露引起圍巖失穩(wěn)；施工中監(jiān)理應(yīng)對現(xiàn)場施工人員機械設(shè)備等進行監(jiān)督檢查，保證循環(huán)施工進度及施工質(zhì)量。

4 結(jié)語

本文以典型的淺埋偏壓隧道工程為背景，研究了三臺階七步法施工過程中的拱頂沉降變化規(guī)律，為合理有效控制隧道拱頂沉降提供依據(jù)，明確工程控制重點，得出以下結(jié)論：

1）在三臺階七步法的施工過程中，測點1、測點2、測點3上臺階開挖引起隧道拱頂沉降占總變形的比例分別為51.12%、54.32%、49.36%，上臺階開挖均引起較大沉降，應(yīng)作為工程控制重點。同時，施工中應(yīng)加強上臺階位移監(jiān)測，及時反饋動態(tài)指導(dǎo)施工。

2）仰拱閉合完成以后，各個測點變形基本不再發(fā)展。及時支護，及早封閉成環(huán)對淺埋偏壓條件下隧道施工意義重大。

3）在淺埋偏壓條件下，隧道圍巖塑性區(qū)極易發(fā)展到地表。為了確保隧道施工安全，應(yīng)適當(dāng)加強原設(shè)計方案中支護措施。同時，應(yīng)注意施工過程中的質(zhì)量控制。

【1】王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論[M].合肥：安徽教育出版社，2004.

【2】田佳，劉軍，王改鵬.三臺階七步法在大斷面淺埋偏壓軟弱圍巖隧道中的應(yīng)用[J].隧道建設(shè)，2012，32（增1）：85-89.

【3】周藝，何川，鄒育麟，汪波.破碎千枚巖隧道施工工法比選試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013，32（3）：537-548.

【4】幸江濤，何德華，文建平.三臺階七步法在復(fù)雜地質(zhì)段鐵路隧道施工中的安全效應(yīng)[J].技術(shù)與市場，2011，16（6）：29-32.

【5】李錦平，黃武來.淺埋隧道通頂坍塌整治與思考[J].中國鐵路, 1996（7）49-51.

【6】馮秀國.采用地表注漿方法使隧道穿越坍塌區(qū)[J].鐵道建筑，1998（2）：28-30.

【7】DAYMJ.KarsticproblemsintheconstructionofMilwaukee'sDeep Tunnels[J].EnvironmentalGeology,2003,45（6）:859-863.

【8】臺啟民，張頂立，房倩，等.暗挖重疊地鐵隧道地表變形特性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014，33（12）：2472-2480.

Analysis on theSettlement of Three-benchSeven-step ExcavationMethod on the Condition of ShallowBuried TunnelUnderUnsymmetricalPressure

AI Shi-bo
（CCTEGBiejingHuayuEngineeringCo.Ltd.,Beijing 100120,China）

Based on the background of typical shallow bias tunnel engineering,this paper studied three-bench seven-step constructionprocessinthevaultsettlementchangesandanalyzedthestratumdeformationandrockplasticzonedistribution.It provided scientific basis of controlling tunnel vault settlement and made the key of engineering control clear.Using three-benchseven-stepexcavationmethod,weshouldstrengthenthecontroloftheexcavationsettlementofthestage.Wealso shouldcarryoutthedisplacementmonitoringintime,andguidetheconstructiondynamically.Atthesametime,thetemporary invertedarchshouldbedoneintime,tomakeitcloseassoonaspossible

shallow buried bias;three step seven step excavation method;crown settlement;displacement monitoring;numerical simulation

U455

A

1007-9467（2016）06-0069-03

艾世勃（1977～），男，福建松溪人，高級工程師，從事路橋設(shè)計與研究，（電子信箱）ASB303@126.com。