陳文宇，廖建東，高鵬興，青松勇，陳 行，劉 陽

(1.西南交通大學土木工程學院，四川成都，610031；2.中鐵隆工程集團有限公司，四川成都，610045；3.四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司，四川成都，610041；4.廣安市交通運輸局，四川廣安，638000)

隨著我國交通建設的不斷發(fā)展，隧道也在向更復雜地層方向發(fā)展，其工法也逐漸多種多樣。而臺階法是隧道施工中最常見的施工方法之一，但由于臺階法本身容易引起隧道工程出現(xiàn)大面積的塌方，所以說施工期間對隧道圍巖變形進行監(jiān)測是必不可少的[1]。

在近些年間，國內(nèi)外學者針對各種復雜地層和特殊情況下，采用臺階法對隧道變形和穩(wěn)定性進行了大量的研究[2-4]。王明勝等[5]是采用有限元數(shù)值模擬分析對高地應力大變形隧道采用臺階法開挖過程中的圍巖變形規(guī)律進行數(shù)值模擬分析，并針對其開挖過程中的預留核心土長度對變形的影響進行了探討；江阿蘭等[6]利用有限元軟件，建立隧道彈塑性數(shù)值模型，研究短臺階法施工過程中地表沉降、拱頂沉降和水平收斂的發(fā)展規(guī)律，通過和施工實測數(shù)據(jù)對比，調(diào)整施工措施和方法，以確保施工安全性；楊波等[7]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測對隧道臺階法施工過程進行了分析，獲得了隧道圍巖變形的規(guī)律，為隧道支護與加固提供依據(jù)；

針對以上較少考慮施工中臺階高度變化對小凈距隧道圍巖力學特性和穩(wěn)定性的影響，以順河高架南延二期工程地下道路小凈距隧道臺階法施工為背景，分別建立不同上臺階高度的模型，對比不同上臺階高度下小凈距隧道的塑性區(qū)大小、拱頂沉降、變形、豎向和水平位移、掌子面變形等變化規(guī)律，得到臺階法施工中合理的開挖臺階高度，并為有關工程施工提供了參考依據(jù)。

1 工程概況

順河高架南延二期工程地下道路位于濟南市玉函路，范圍從現(xiàn)狀玉函立交落地點至七里山路路口以南，全長3.12km，其中地下段2.84km，北端敞口段95m，南端敞口段190m，屬長距離地下道路。該地區(qū)處于第四系地貌單元屬于山前坡洪積群，第四系地層主要為人工填土、坡洪積成因的黃土、黏性土及碎石土。圍巖等級為V級，較軟巖巖體破碎，圍巖自穩(wěn)定能力差，較硬巖巖體破碎，局部較完整，節(jié)理、裂隙發(fā)育。選取此地下隧道為研究對象，該隧道為雙線隧道，斷面為馬蹄形，高度7.2m，寬9.15m。隧道四周采用系統(tǒng)錨桿進行加固，交錯分布，長為3m，間距為1.5m。隧道距地面為6.81m。

2 計算模型

2.1 模型的建立

采用有限元軟件Midas-GTS-NX軟件建立了在V級圍巖下的小凈距隧道的數(shù)值模型，該模型長、高、寬分別為57.7m、50m、100m，埋深為50m，兩隧道間距12.6m。約束模型左右邊界的水平位移以及下邊界的豎向位移，上部為自由邊界(圖1)。

圖1 計算網(wǎng)格模型

2.2 計算參數(shù)選取

該模型的圍巖主要為V級，采用Mohr-Coulomb準則，相關圍巖以及初期支護力學參數(shù)，根據(jù)實際工程中提供的參數(shù)如表1所示。初期支護采用C25的鋼纖維混凝土，厚25cm;錨桿采用D25注漿錨桿，長3m。

關于初期支護混凝土的計算參數(shù)，采用劉陽[8]運用的V級圍巖初期支護在考慮鋼筋網(wǎng)的條件下，按照提高混凝土一級強度的近似處理方法。在提高一級的混凝土強度達到C25，通過等效法，將鋼架的彈性模量折算給噴射混凝土。

表1 相關材料參數(shù)

2.3 方案工況設計

為了更好地研究小凈距隧道優(yōu)化臺階高度在施工進程中圍巖力學特性和穩(wěn)定性的變化規(guī)律，結(jié)合實際的工程以及有關地質(zhì)水文情況資料，先行開挖左隧道，后開挖右隧道，兩隧道掌子面距離為20m，臺階高度的優(yōu)化方案采用三種工況，分別對應上臺階高度為1.5m，2.5m，3.5m。相關的計算工況如表2所示。

表2 不同上臺階高度工況 m

3 計算結(jié)果與分析

3.1 地表沉降分析

圖2為兩隧道中軸線監(jiān)測點時程曲線圖，從圖2中可以看出，不同上臺階高度工況下，監(jiān)測點的沉降曲線具有相似的規(guī)律。隨著左隧道的先行開挖，不同上臺階高度下的監(jiān)測點均出現(xiàn)緩慢的沉降，當左隧道開挖至監(jiān)測點下部時(20m附近)，沉降較為明顯，1.5m工況下，沉降(16m處)從-0.352mm增加到了-0.985mm，增大了180 %，同理，工況2.5m和3.5m下，沉降增加了183 %和270 %。隨著隧道的開挖，右隧道到達監(jiān)測點下部時(40m附近)，沉降進一步增加，工況1.5m、2.5m和3.5m下沉降分別增大了70.7 %、86.9 %和92.1 %。由此可知，隨著小凈距隧道的開挖，上臺階高度越大，造成的沉降越大，且后行隧道通過時造成的沉降比先行隧道大。

圖2 兩隧道中軸線監(jiān)測點時程曲線

3.2 Mises應力分析

圖3為隧道圍巖Mises應力分布云圖，由圖3可知，Mises應力主要分布于兩隧道圍巖四周，應力主要集中出現(xiàn)在兩隧道之間的中隔墻的拱腰和拱腳處。從數(shù)值大小可知，隨著上臺階高度的增大，Mises應力也趨向于增大，但增加幅度不大，從1.5m工況下的362kPa增加到385kPa(2.5m工況下),增加了6.35 %；同理，從2.5m工況下的385kPa增加到388kPa(3.5m工況下)，僅增加0.7 %。說明隨著上臺階高度的增大，在一定程度上對隧道圍巖的應力分布有一定的影響，因結(jié)合具有施工進行考慮選取。

(a)1.5 m

3.3 塑性區(qū)

圖4為隧道圍巖塑性區(qū)的分布圖，由圖4可知，塑性區(qū)分布于兩隧道四周，且在中隔墻后行隧道(右隧道)拱腰處有最大值。從數(shù)值可知，從工況1.5m下的0.026 1增加到0.026 4(工況2.5m)，增加了1.15 %，但從2.5m工況下的0.026 4減小到了0.025 3，減小了4.17 %。塑性區(qū)最大值隨著臺階高度的增加出現(xiàn)了先增大后減小的趨勢，說明選取合理的上臺階高度能有效地減小隧道圍巖的塑性區(qū)大小，這對實際施工具有一定的參考價值。

4 結(jié)論

以順河高架南延二期工程地下道路施工為研究背景，分析了在不同上臺階高度下隧道圍巖的力學特性和穩(wěn)定性，得出以下結(jié)論：

(1)隨著小凈距隧道的開挖，上臺階高度越大，造成的沉降越大，且后行隧道通過時造成的沉降比先行隧道大。

(2)隨著上臺階高度的增大，Mises應力也趨向于增大，但增加幅度不大，說明隨著上臺階高度的增大，在一定程度上對隧道圍巖的應力分布有一定的影響，應結(jié)合具體施工進行考慮選取。

(3)塑性區(qū)最大值隨著臺階高度的增加出現(xiàn)了先增大后減小的趨勢，說明選取合理的上臺階高度能有效的減小隧 道圍巖的塑性區(qū)大小。

(a)1.5 m