大断面隧道中三台阶五步法的数值模拟分析与监控量测研究

杨志强

(北京建工集团有限公司，北京市 100000)

目前国内外超大断面隧道较安全的施工方案是双侧壁导坑法、CD法、三台阶七步法等。CD法适用于掌子面不太稳定，埋深较浅及围岩较差时，可适用于Ⅳ级围岩浅埋的大跨隧道，工法安全性高；三台阶七步法适用于特大断面隧道Ⅴ级围岩深埋、浅埋和Ⅳ级围岩浅埋、偏压地段的正洞开挖施工，其施工技术难度较低，施工工序简单，工期较快，而且造价相对较低；双侧壁导坑法主要适用于地层较差、断面很大、其他工法无法满足的多线特大断面铁路隧道及地铁工程，是大跨度隧道在软弱围岩段施工的主要工法。在围岩软弱段的大断面隧道施工中使用这些工法固然安全，但由于工法较为保守，将不可避免地带来施工方法繁琐、机械化程度低、劳动强度大、对围岩扰动大、工期滞后、经济效益低等问题。该文结合贵阳南垭路隧道，验证使用三台阶五步法在软弱围岩中开挖大断面隧道的可行性。

1 工程概况

贵阳市南垭路三号隧道为分离式双向八车道隧道，全长1 171.1 m，隧道开挖宽度21.8 m，高度14.3 m，其左右两隧道净距21.8 m，隧道开挖断面大。隧道处于喀斯特地貌地区，地下岩溶较发育，围岩属Ⅳ、Ⅴ级，岩体破碎，节理发育，其强度与稳定性均较差。南垭路隧道工期要求于2016年5月之前完工，但由于隧道北端附近坟墓密集，征地拆迁滞后，施工时进口不具备施工条件，所以隧道仅能从出洞口一端进行施工，使施工工期大大延长。为优先保证隧道能够顺利安全地开挖，该隧道原设计全段采用双侧壁导坑法进行施工，但该工法施工速度较慢，无法满足工期要求，需对施工方案进行优化。

2 三台阶五步法施工

台阶法施工是先开挖上半断面，待开挖至一定长度后同时开挖下半断面，上、下半断面同时并进的施工方法。近年来，在大断面隧道中使用的台阶法包括：三台阶七步法、三台阶预留核心土法、三台阶临时仰拱法，多台阶法等。三台阶五步法与上述工法相比：未留核心土，从而减少了施工工序，节省工期，同时减少各部开挖的扰动影响；每一台阶净空较大，便于人员和大型机械作业，可以多作业面同时施工，地质条件变化时，可灵活、及时地转换施工工序，调整施工方法；其初期支护工序操作简单，平行施做初期支护，各部分初期支护衔接紧密，采用合理的台阶长度，可确保初期支护尽早成环。在保证隧道稳定性的前提下，在隧道Ⅳ级围岩段改用三台阶五步法施工可以大大加快施工进度。三台阶五步法的施工工序如图1所示。

(1) 上台阶①开挖，爆破开挖完成后及时施作上台阶初支⑨，并监控掌子面变形。

(2) 当支护⑨达到一定强度时，左侧中台阶②开挖，及时施作初支⑩，并监控掌子面变形。

(3) 当支护⑩达到一定强度时，右侧中台阶③开挖，及时施做初支，并监控掌子面变形。

图1 三台阶五步法开挖步序图(单位：mm)

(6) 待初期支护闭合并达到一定强度时，浇筑左侧仰拱⑥。

(7) 仰拱⑥达到一定强度时，浇筑右侧仰拱⑦。

(8) 浇筑二次衬砌⑧，使二次衬砌闭合，为充分发挥围岩自承能力，容许初期支护与围岩有一定的变形，结合实际埋置深度、施工方法和支护情况，初支与二衬间预留120 mm变形量，防止二衬发生侵限情况。

在Ⅳ级围岩段将原设计方案改为三台阶五步法后，势必可以大大加快施工进度，但是其安全性及隧道稳定性尚待考量。

3 施工过程模拟

相对于原设计方案的双侧壁导坑法，三台阶五步法无疑是较为“冒进的”，由于围岩软弱破碎、隧道跨度较大，其可能无法胜任Ⅳ级围岩段的施工要求。为验证三台阶五步法在Ⅳ级围岩段施工的可行性，采用FLAC3D有限差分软件进行隧道开挖的模拟，分别从洞周位移、围岩压力、初期支护应力及塑性区等方面来分析隧道的稳定性。

3.1 模型建立及计算过程

计算中选取一段典型里程进行模拟。根据工程实际情况，隧道断面净高14.321 m，最大跨度21.878 m。隧道仰拱距模型底部约3倍跨度(42 m)，模型左右两边宽度各取4倍跨度，沿隧道掘进方向取80 m，计算模型中隧道的沿线埋深按地勘资料取值，范围为7～19.5 m，模型尺寸为X×Y=243 m×80 m。模型除顶部外，各边界均约束其法向位移。隧道模型如图2所示。

图2 三台阶五步法开挖隧道模型

现场选取部分岩块进行物理力学参数试验，得到围岩的物理力学参数如表1所示。初期支护中的喷射混凝土物理力学参数参考JTG D70-2004《公路隧道设计规范》取值。

隧道施工的开挖模拟过程为：① 对掌子面拱顶180°范围内进行注浆预加固；② 台阶进尺滞后，及时架立钢支撑并喷射混凝土，进行初期支护；③ 保证各掌子面(导坑)纵向相距的长度，各掌子面(导坑)同时掘进；④ 右洞开挖至一定距离时，开始左洞开挖，右洞和左洞开挖方法一致，直至最后双洞均开挖并支护完毕。开挖循环进尺为1 m。

此次数值计算，循环进尺为1 m，即循环开挖过程中，每一计算步各掌子面掘进1 m。每一计算步中，考虑应力释放，即开挖后进行100步迭代计算，再施做初支及临时支撑。每一步支护施做完毕后，计算到收敛为止。

表1 计算参数取值

3.2 计算结果分析

(1) 洞周位移

分别对隧道40 m断面处拱顶、拱腰及仰拱处的位移进行监测，其位移随开挖步数的变化曲线如图3～5所示。

图3 三台阶五步法模拟拱顶沉降曲线图

图4 三台阶五步法模拟拱腰收敛曲线图

图5 三台阶五步法模拟拱底隆起曲线图

从图3可看出：由于右线先于左线开挖，因此，左线变形具有一定的滞后，但最终趋于稳定后的沉降值差别不大。同时，隧道开挖至考察断面前，施工对拱顶考察点的影响较小，沉降值几乎为零；开挖至考察断面附近上台阶时对拱顶沉降的影响最大，其沉降值急剧增大。当一个断面完整的循环开挖通过后，沉降值趋于稳定。

由图4可知：40 m断面之前的开挖步拱腰收敛变化速率变化较慢。同样在施工至考察点附近时拱腰收敛变化速率有较大突变，但是最大收敛值仍较小，开挖过程几乎对拱腰收敛无影响。

由图5可知：拱底隆起变化规律与拱顶沉降相似，掌子面离考察断面较远时，拱底位移值缓慢变化；施工至考察断面时，位移变化速率有所突变，当一个完整的循环通过考察断面时，拱底隆起值趋于稳定。

经过统计得到洞周40 m断面处位移稳定值如表2所示。

表2 三台阶五步法施工考察点位移 mm

由以上数值模拟计算可看出，各监测点的位移最大变化值为5.12 mm，变形值在JTG F60-2009《公路隧道施工技术规范》允许的范围内。

(2) 围岩压力分析

分别对拱顶、拱腰及仰拱处的最大、最小主应力进行监测，隧道贯通后取40 m断面分析其洞周应力，计算云图见图6。

图6 三台阶五步法模拟主应力云图(单位：Pa)

从图6可看出：开挖后应力主要集中在隧道的拱顶、拱腰、边墙和拱底，且在拱底附近一定范围内出现拉应力区域，同时，隧道拱顶和拱底的应力变化较大。考察点的最大主应力、最小主应力如表3所示。

表3 三台阶五步法施工围岩压力 MPa

由表3可看出：围岩总体受压，且远小于围岩的单轴抗压强度。

(3) 初期支护内力分析

隧道贯通后取40 m左线断面分析其初支各点的受力情况，其弯矩和轴力如图7所示。

图7 隧道左线初支内力图

由图7(a)可知：拱顶、拱腰、仰拱和拱底等关键点的弯矩较大，其原因可能是隧道在该处的曲率发生变化，易产生应力集中现象。从图7(b)可看出：拱腰位置因为隧道断面扁平，其轴力明显大于其他部位。初支的弯矩及轴力均在强度范围内。

(4) 塑性区分布

隧道塑性区分布情况如图8所示。

由图8可看出：围岩塑性区仅少量分布在隧道周围，不会对隧道稳定性造成较大影响。

以上数值计算结果分析表明：在南垭路三号隧道Ⅳ级围岩段改用三台阶五步法施工是合理的，隧道开挖支护后，具有较好的稳定性。

图8 塑性区分布图

4 监测数据验证

基于前文分析计算，将Ⅳ级围岩段改为三台阶五步法施工，并及时对隧道进行位移、应力等的监测工作。

以Ⅳ级围岩段LK3+224断面为例，对监测结果进行分析。

4.1 围岩内部位移(图9)

图9 位移时程曲线图

由图9可知：LK3+224断面不同位置的围岩位移初始值均在1.25 mm左右，在最初的10 d时间内，位移变化较快，15 d后位移增长较慢，曲线基本趋于稳定。位移最大值发生在右拱肩1 m处，其值为6.28 mm，则围岩最大位移变化值约为5.03 mm。

4.2 围岩压力(图10)

图10 围岩压力时程曲线

由图10可知:LK3+224断面围岩压力较小，由于左仰拱的开挖施作，右拱肩测点压力值在35 d后出现较大突变，达到了0.082 MPa。检测结果表明围岩虽然破碎，但岩体强度仍然较高，具有较好的自承能力。

4.3 喷射混凝土应力(图11)

由图11可知：各断面喷射混凝土的应力均较小，监测初期，喷射混凝土应力以一定的变化率变化，后达到稳定状态；由于两线隧道间相互影响，左线右侧拱腰和仰拱位置应力变化较大，且其应力值较其他监测部位也较大。LK3+224断面最大压应力发生在右仰拱下方测点，约为13.081 MPa，小于喷射混凝土的极限承载能力。由此可知：初支结构处于安全状态，隧道围岩-支护体系稳定。

图11 喷射混凝土应力时程图

5 结论

(1) 为了加快南垭路三号隧道的施工进度，引入了三台阶五步法的施工方案，通过数值模拟的方法，初步证明了三台阶五步法在南垭路三号隧道Ⅳ级围岩段施工的可行性。

(2) 对施工过程进行实时监测表明：使用三台阶五步法施工后，各监测数据均在允许范围内，隧道稳定性有较好的保证，从而验证了该工法在Ⅳ级围岩段的可行性。

(3) 使用三台阶五步法施工后，加快了施工进度，大大提前了工期，将完工时间从最初全隧道双侧壁施工方案的2016年11月中旬完工提前到2016年2月，整整节省了8个多月。