高悅琛，趙凱巖，王生光

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州　730070；2.蘇州高新有軌電車有限公司，江蘇 蘇州　215000)

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臺階高度對三臺階七步開挖法變形的影響

高悅琛1，趙凱巖2，王生光1

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2.蘇州高新有軌電車有限公司，江蘇 蘇州215000)

摘要：采用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對比分析不同臺階高度對于變形控制的影響。通過對比三種工法，分析發(fā)現(xiàn)三臺階七步開挖法增加上臺階開挖高度雖然在一定程度上增大了上臺階的凈空，這樣有利于施工的操作，但是會增加圍巖的變形和增大支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力。綜合分析結(jié)果認(rèn)為上臺階的開挖高度不宜太大。

關(guān)鍵詞：FLAC3D; 軟巖隧道; 三臺階七步開挖; 臺階高度

1工程概況

牡綏線雙豐隧道位于黑龍江省東寧縣，全長7 237 m，共有2座斜井，為全線最長雙線隧道。雙豐隧道處于低山丘陵區(qū)。山勢起伏，植被茂密，頂部為第三系玄武巖蓋層，地形較為平坦，多被辟為耕地。海拔最高為625.98 m，最低440.22 m，最大高差185.76 m，最大埋深140.2 m。

進(jìn)口和出口第三系砂泥巖地層局部段落拱頂下沉和周邊收斂變形值偏大，初期支護(hù)混凝土開裂、鋼架扭曲變形，造成局部段落支護(hù)侵限，施工進(jìn)度緩慢。這種圍巖成巖性差，受地下水作用，開挖擾動后基本呈糊狀，基底有涌水現(xiàn)象發(fā)生，工程性質(zhì)迅速惡化，多次出現(xiàn)涌水涌泥、變形過大、施工進(jìn)度緩慢等問題。

2計算工況、有限元模型及計算參數(shù)

2.1計算工況

本論文依托牡丹江雙豐隧道實際工程，在雙豐隧道Ⅵ級圍巖模擬試驗段，采用三臺階七部預(yù)留核心土方法進(jìn)行開挖，必要時增設(shè)臨時仰拱。上臺階高度分別為3 m、3.5 m、4 m的情況下，設(shè)定三種工況進(jìn)行比選，隧道形狀近似馬蹄形，地應(yīng)力場按自重應(yīng)力場考慮，每個工況側(cè)壓力系數(shù)為1。

2.2有限元模型及計算參數(shù)

本文數(shù)值模擬采用FLAC3D有限差分軟件，利用實體單元模擬圍巖和二次襯砌，梁單元模擬鋼拱架，采用錨索單元模擬鎖腳錨管，殼單元模擬初期支護(hù)，收斂準(zhǔn)則為摩爾-庫倫準(zhǔn)則(Mohr-Coulomb)。

模型根據(jù)分析范圍的選取原則確定水平方向為100 m，豎直方向為100 m，拱頂距模型頂面50 m，模型縱向延伸長度為1 m來模擬二維受力特性，采用結(jié)點施加反力發(fā)來模擬掌子面的影響。模型上部巖體的作用折算為均布荷載施加在模型頂面，對模型四周施加水平約束，底面施加豎直方向約束，頂面為自由面，且荷載隨著頂面的移動而移動。

本文以雙豐隧道DYK465+145斷面為對象進(jìn)行數(shù)值模擬，Ⅴ級圍巖。根據(jù)現(xiàn)場獲取的現(xiàn)場圍巖情況，再參考同類炭質(zhì)泥巖頁巖圍巖參數(shù)，綜合分析得出圍巖力學(xué)參數(shù)。計算過程中圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　現(xiàn)場試驗參數(shù)

3計算結(jié)果及分析

3.1圍巖變形對比分析

圖1　臺階高度3 m豎向位移云圖

圖2　臺階高度3 m水平位移云圖

圖3　臺階高度3.5 m豎向位移云圖

圖4　臺階高度3.5 m水平位移云圖

圖5　臺階高度4 m豎向位移云圖

圖6　臺階高度4 m水平位移云圖

圖7　拱頂豎向位移時程曲線

圖8　拱腰豎向位移時程曲線

圖9　拱腰水平位移時程曲線

圖10　最大跨水平位移時程曲線

提取三種工況關(guān)鍵節(jié)點位移數(shù)據(jù)并統(tǒng)計如表2所示：

表2　位移對比分析表　cm

從圍巖豎向位移云圖可知，拱頂、拱腰圍巖下沉最大，仰拱有一定程度的隆起，拱腰及邊墻部位主要表現(xiàn)出水平收斂變形。而從水平位移云圖可看出，3個臺階的分界處水平收斂比各臺階的水平收斂較小，使得水平位移云圖在3個臺階處略微呈現(xiàn)波浪形，分析其原因，主要是由于在鎖腳錨管的鎖定作用下，圍巖變形得到了一定的控制，限制其向臨空面的變形。

從位移時程曲線圖可知，三種工況圍巖變形規(guī)律基本保持一致，只是變形的數(shù)值不同，最大跨處水平位移隨中臺階的開挖保持一定速度的增大；各個斷面拱部沉降的規(guī)律基本相同，上臺階開挖過程中，拱部沉降保持一定速度增大，最后隨著初期支護(hù)作用及二次襯砌施作逐漸趨于穩(wěn)定。臺階高度為3 m時變形情況與其他兩種工況稍有不同，究其原因是上臺階高度過小，過于扁平化反而會加劇變形。

對比分析可以很明顯的看出，三種工況中表明相同條件下，臺階高度3.5 m相對于3 m、4 m的進(jìn)尺更有利于控制圍巖的整體變形。

3.2噴射混凝土主應(yīng)力對比分析

圖11　臺階高度3 m噴混第一主應(yīng)力云圖

圖12　臺階高度3 m噴混第三主應(yīng)力云圖

圖13　臺階高度3.5 m噴混第一主應(yīng)力云圖

圖14　臺階高度3.5 m噴混第三主應(yīng)力云圖

圖15　臺階高度4 m噴混第一主應(yīng)力云圖

圖16　臺階高度4 m噴混第三主應(yīng)力云圖

三種工況噴射混凝土應(yīng)力云圖分布規(guī)律基本一致。噴射混凝土較大的拉應(yīng)力主要分布在最大跨與邊墻處位置，主要原因是受隧道跨度較大的影響，水平收斂較大。噴射混凝土較大的壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰位置，主要原因是該位置首先施做了鎖腳錨管，對支護(hù)結(jié)構(gòu)起到了及時有效的支撐，對圍巖上部傳來的壓力起到了約束作用。由于圍巖的彈性模量、內(nèi)摩擦角等較小造成了噴射混凝土裂縫的出現(xiàn)，致使第一主應(yīng)力較大。

3.3鎖腳錨管應(yīng)力對比分析

圖17　上臺階鎖腳錨管固定端應(yīng)力時程曲線

圖18　上臺階鎖腳錨管自由端應(yīng)力時程曲線

圖19　中臺階鎖腳錨管固定端應(yīng)力時程曲線

圖20　中臺階鎖腳錨管自由端應(yīng)力時程曲線

圖21　下臺階鎖腳錨管固定端應(yīng)力時程曲線

圖22　下臺階鎖腳錨管自由端應(yīng)力時程曲線

在三種臺階高度分別為3 m、3.5 m、4 m時鎖腳錨桿的最終受力分布情況是相似的。上、中臺階鎖腳錨管固定端應(yīng)力表現(xiàn)為受壓控制，下臺階鎖腳錨管固定端應(yīng)力前期表現(xiàn)為受拉控制，后期表現(xiàn)為受壓控制；上、中、下臺階鎖腳錨管自由端受力情況與固定端基本一致。鎖腳錨管應(yīng)力時程曲線顯示鎖腳錨管應(yīng)力總體上隨時間推移而增大，說明錨管在施工過程中起到了一定的控制作用，最終隨著二襯的施做逐漸穩(wěn)定。

很明顯，臺階高度為3.5 m時上錨管的自由端和錨固段、中錨管的自由端和錨固段以及下錨管的自由端和錨固段都是在整個監(jiān)測過程中峰值最低，相對其他兩種工況來說是最穩(wěn)定，最適宜施工的。然而相比較臺階高度3 m和臺階高度4 m兩種工況來說，又清晰地可以看出3m的臺階高度錨管應(yīng)力峰值較高，波動較大，這就說明太小的上臺階高度對于施工是不利的。

3.4塑性區(qū)對比分析

提取三種工況塑性區(qū)面積并統(tǒng)計如表3所示。

表3　三種工況塑性區(qū)面積對比

圖23　3 m臺階高度圍巖塑性區(qū)分布

通過對比圖中切片塑性區(qū)的分布，觀察塑性區(qū)的單元數(shù)，不難發(fā)現(xiàn)：上臺階高度為3.5 m時塑性區(qū)最小，其次是上臺階高度為4 m時的塑性區(qū)，最大的是上臺階高度為3 m時的塑性區(qū)分布。由于塑性區(qū)面積越小對圍巖變形控制效果越好，因此對比后得出結(jié)論：上臺階高度為3.5 m對于塑性區(qū)的控制要優(yōu)于上臺階高度為3 m和上臺階高度為4 m。因此，上臺階高度為3.5 m對于圍巖的變形控制效果要更加明顯，對于隧道的施工應(yīng)更加可靠。

4結(jié)論

(1)通過三種上臺階高度圍巖位移結(jié)果的對比分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)臺階高度越大，其水平位移越大，不利于拱腰及邊墻部位的圍巖穩(wěn)定；當(dāng)臺階高度越小，使得上臺階空間過于扁平化，反而加劇了變形的發(fā)生。

(2)通過三種上臺階高度噴射混凝土主應(yīng)力結(jié)果的對比分析發(fā)現(xiàn)，噴射混凝土較大的拉應(yīng)力主要分布在最大跨與邊墻處位置，噴射混凝土較大的壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰位置。

(3)通過三種上臺階高度鎖腳錨管應(yīng)力結(jié)果的對比分析發(fā)現(xiàn)，鎖腳錨管應(yīng)力總體上隨時間推移而增大，說明錨管在施工過程中起到了一定的控制作用，最終隨著二襯的施做逐漸穩(wěn)定；3 m臺階高度鎖腳錨管應(yīng)力峰值較高，波動較大，這就說明太小的上臺階高度對于施工是不利的，而3.5 m時相對穩(wěn)定，適宜施工。

(4)通過三種上臺階高度塑性區(qū)面積的對比分析發(fā)現(xiàn)，臺階高度過大或過小都會使得塑性區(qū)面積過大，而對于塑性區(qū)面積來說面積越小越易控制圍巖變形，因此臺階高度3.5 m時較易于施工。

參考文獻(xiàn)：

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[3]黃南清.淺埋軟巖大跨度鐵路隧道施工技術(shù)研究[J].施工技術(shù),2006,35(11):75-77.

The influence of step height to the three-bench and seven-step excavation method

GAO Yue-chen1, ZHAO Kai-yan2, WANG Sheng-guang1

(1. Institute of Civil Engineering, Lanzhou Traffic University, Lanzhou, Gansu 730070, China;2. Suzhou high-tech tram Co., Ltd., Suzhou, Jiangsu 215000, China)

Abstract:This article has numerical simulation analysis by using finite difference software: the FLAC3D, compares and analyzes the influence of different steps height for deformation control. By comparing three kinds of method, the article found the three-bench and seven-step excavation method although increased to some extent on the steps of clearance, this is advantageous to the construction of the operation, but would increase the deformation of surrounding rock and increase the stress of the supporting structure. As the results, the excavation height should not be too wide.

Keywords:the FLAC3D; soft rock tunnel; three-bench and seven-step excavation method; step height

收稿日期：2015-12-11

作者簡介：高悅琛(1989-)，男，碩士在讀。

中圖分類號：U442

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C

文章編號：1008-3383(2016)04-0123-04