大斷面淺埋黃土隧道施工參數研究

竇世學，王科元，張伍星，李志清

（1.中鐵二十五局集團第五工程有限公司，山東 青島266000；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

大斷面隧道施工方法，國內外從20世紀80年代后主要采用臺階分步法、中壁法以及雙側壁法開挖，對于大斷面黃土隧道施工，國內也有成功采用三臺階七步開挖法的先例。正在修建的大西鐵路客運專線上的隧道中，黃土隧道大部分在淺埋段，隧道開挖面積達161.64 m2，全長3 083 m。隧道全部為黃土V 級圍巖，隧道處于低山丘陵區，黃土溝壑較發育，表覆新黃土，黃褐色，堅硬～硬塑，顆粒均勻，具大孔隙，含薄層細圓礫土和鈣質結核層，夾多層淺棕紅色古土壤層；下伏老黃土，淺棕紅色，堅硬～硬塑，土體緊密，含鈣質結核層和洪積碎石類土和砂土，覆土較薄。但是目前關于黃土的工程特性、黃土隧道的施工參數大多數是基于較小斷面黃土隧道，由于大西客專黃土隧道埋深淺、斷面大，加之其地質條件復雜、修建技術還不成熟等，大量的巖土工程問題呈現在我們的眼前，因此研究大斷面黃土隧道的施工參數，從而為施工單位提供一種經濟合理的施工參數迫在眉睫。因為不僅能為優化大西鐵路客運專線大斷面淺埋黃土隧道的施工提供參考，同時也為今后類似工程的實施和深入的理論研究提供參考和借鑒，因此具有十分重要的意義。

本文基于Plasix-3D有限元模型，采用庫倫—摩爾模型對隧道開挖中的三臺階七步開挖法進行了施工參數的研究，研究分析了隧道施工開挖循環進尺、臺階長大、分塊大小對隧道受力變形的影響。

1 計算理論

源于1900 年的摩爾（Mohr）準側，是基于最大剪應力為屈服決定性因素的假設。摩爾包絡線如圖1所示，其稱為庫倫（Coulomb）方程，其表達式為：

式中：c為粘聚力；φ為內摩擦角。

由式（1），當σ1≥σ2≥σ3時，摩爾-庫倫準則可寫為：

圖1 摩爾-庫倫準則Fig.1 Mohr-Coulumb′s criterion

式（2）未反應中主應力σ2的影響。在三維主應力空間中，當σ1≥σ2≥σ3時，其破壞面可表示為：

式中：I1和J2為應力張量的第一、二不變量；θ為洛德角，即主應力空間第一主應力和偏應力分量夾角。

2 有限元計算方法

2.1 計算模型與范圍

為減小有限元模型中邊界約束條件對計算結果產生的不利影響，計算模型的邊界范圍在各個方向上均大于二倍的洞跨。具體計算時，計算域在水平方向寬度取80 m，在豎直方向上取60 m，向上洞口淺埋地段取至地表，模型的左面、右面和底面均為固支約束，頂面為自由面。隧道埋深取10 m，隧道為三心拱曲墻，寬取1 520 mm，高1 298 mm，錨桿長3.5 m，間距1.2 m，隧道采用三臺階七步開挖法施工。計算模型如圖2，開挖施工工序如圖3。

圖2 三維有限元計算模型網格圖Fig.2 Mesh of three-dimensional finite element model

圖3 三臺階七步開挖法施工工序橫斷面Fig.3 Excavation process of three bench seven step method

2.2 計算參數

支護結構參數見表1，計算時圍巖和支護結構的各物理力學參數取值如表2所示。初支采用噴射混凝土加錨桿。噴射混凝土厚度為28 cm，錨桿長度均采用3 m，直徑分別為25 mm，模型中未單獨考慮鋼筋網和鋼支架的作用，將鋼支架和鋼筋網的支護強度等效換算給初噴混凝土。

2.3 模擬步驟

有限元模擬過程分7個荷載步：① 上臺階開挖；② 左中臺階開挖；③ 右中臺階開挖；④ 左下臺階開挖；⑤ 右下臺階開挖；⑥ 核心土開挖；⑦ 仰拱封閉。模擬過程中凍結相應區域巖體單元模擬開挖，激活加固區域材料模擬錨桿加固，激活相應板單元模擬噴射混凝土和仰拱，殺死相應板單元模擬臨時支撐的拆除。

表1 支護結構參數表Tab.1 Parameters of supports

表2 圍巖物理指標參數表Tab.2 Physico-mechanical parameters of surrounding rock mass

3 隧道開挖施工參數影響分析

3.1 不同開挖循環進尺計算結果分析

針對三臺階七步開挖法，計算隧道埋深10 m，按1 m，1.5 m，2 m 三種進尺長度進行三維分析，其余施工參數不變（中臺階高度4 m）。對各變形云圖最大變形值進行整理，得到隧道埋深10 m開挖進尺為1 m，1.5 m，2 m的各開挖步的最大豎向變形值，如表3所示。

表3 不同開挖進尺圍巖豎向變形Tab.3 Deformation of tunnel surrounding rock of different excavation footages

表3顯示的是各開挖步最終沉降量，也就是累計沉降量，所以每一開挖步計算得到的變形值都是比較大的，每一步最大變形增量值也是比較大的，其中在開挖第一步（拱頂部分環形開挖）最大變形增量最大，根據隧道開挖變形時間效應，認為隧道某一開挖步在開挖完畢的變形值最大可達到這一開挖步引起最終變形值的70%。根據大斷面黃土隧道相關規范要求，認為在一次開挖步之后隧道最大變形增量超過30 mm，那部分土體就會因變形過大而破壞，換算成最終沉降量也就是接近43 mm就會破壞。為加快現場施工進度，一般隧道開挖進尺越大越好，根據計算結果，可以看到：開挖進尺為1 m時，開挖步最大累積變形為30 mm；開挖步進尺為1.5 m時，開挖步最大累積變形為42 mm；開挖進尺為2 m時，開挖步最大累積變形為60 mm。因此說開挖循環進尺小于1 m隧道變形滿足規范，隨著循環進尺的增加隧道變形增大，易導致破壞。

3.2 不同臺階長度計算結果分析

黃土隧道的臺階長度不宜過長，否則封閉距離必然拉長，變形增大。同樣以上述隧道斷面為例，選擇3，5，7 m等3種臺階長度進行三維分析，其余施工參數不變（循環開挖進尺l m，封閉距離3.5 m），計算結果如表4所示。

表4 不同臺階長度位移及應力對比表Tab.4 Deformation and stress of tunnel surrounding rock of different step length

由計算結果可知：臺階長度由3 m增加至5 m，沉降減少1～8 mm，減幅21%以上；中臺階相對水平位移減少15 mm，下臺階相對水平位移減少12 mm，臺階長度由5 m增至7 m，沉降增加5～9 mm，增幅5.8%；相對水平位移增加-20.4～4 mm，增幅小于10%。臺階長度為3 m時，相對水平位移上臺階最大，中臺階次之，下臺階最小；臺階長度為5 m時，相對水平位移中臺階最大，上臺階次之，下臺階最小；臺階長度為7 m時，相對水平位移中臺階最大，上臺階次之，下臺階最小。同一封閉距離下，臺階長度短則仰拱開挖距離變長。因此，建議淺埋大斷面黃土隧道各臺階長度控制在5 m以內。

3.3 不同臺階高度計算結果分析

隧道埋深為10 m，按1 m進尺長度，上臺階高度分別為3 m和4 m兩種工況進行三維分析，其余施工參數不變。不同臺階高度隧道位移計算結果對比如表5所示。

由表5可見，臺階高度由3 m增加到4 m豎向位移相對收斂又76 mm增加到了98 mm，增加了25%；相對水平位移由76 mm增加到了89 mm，增加了17.1%。由此可以推斷，增大上臺階高度施工中，豎向及水平位移都增大，這是對施工不利的。

表5 不同臺階高度位移對比表Tab.5 Surrounding rock convergence deformation of different gate heights

4 結論

本文通過Plaxis-3D有限元軟件對大西客專某淺埋黃土隧道進行數值模擬分析，研究了淺埋大斷面黃土隧道采用三臺階七步開挖法不同循環進尺、不同臺階長度、不同分塊大小開挖對隧道受力變形的影響，可得到以下幾點結論：

1）淺埋大斷面黃土隧道采用三臺階七步法施工，不同循環進尺隧道豎向變形規律一致，隨著開挖的推進，隧道的豎向變形增大，最大豎向變形出現在隧道開挖的第7步。但是不同的循環進尺開挖，隧道的豎向變形不相等，即隨著開挖循環進尺的增大，隧道的豎向變形增大，1 m循環進尺最大沉降量30 mm，1.5 m循環進尺增大到42 mm，2 m循環進尺則增大到60 mm，增幅較明顯。

2）淺埋大斷面黃土隧道三臺階七步開挖工法，不同臺階長度隧道沉降規律一致，拱腳的沉降量大于拱頂的沉降量。上、中、下臺階水平位移規律存在差異；臺階長度最大鋼架拉力消除，壓力最大。

3）淺埋大斷面黃土隧道三臺階七步開挖工法，臺階高度由3 m增加到4 m豎向位移相對增加了25%；相對水平位移增加了17.1%。因此，建議上臺階高度采用3 m。

[1]丁春林.支護與加固期間復線隧道圍巖穩定性因素分析[J].巖土工程學報,1998,20(4):62-66.

[2]張漢高.三臺階七步法在黃土隧道開挖[J].民營科技,2014(3):156-159.

[3]扈世民,張頂立,王夢恕.鐵路大斷面黃土隧道初期支護作用效果[J].北京交通大學學報,2012(2):19-23.

[4]李鳳剛.黃土連拱隧道施工過程的數值模擬和方案優化[J].安徽建筑.2004(3):87-89.

[5]PLAXIS b.v.Plaxis Version 8:Material Models Manual[P].Plaxis Manual,2006.

[6]王江宏,王春波,盧廣寧.PLAXIS在深基坑開挖與支護數值模擬中的應用[J].山西建筑,2007,33(35):94-95.

[7]劉長祥,呂常新.三車道大斷面高速公路隧道穩定性數值模擬[J].地下空間與工程學報,2007(04):688-693.

[8]龔成術.淺談大斷面黃土隧道三臺階七步開挖法[J].鐵道建筑技術,2009(6):71-74.

[9]劉偉.大斷面黃土隧道三臺階七步開挖法施工技術[J].中國鐵路,2010(5):66-69.

[10]李創軍,柯以茂. 大斷面黃土隧道弧形導坑三臺階七步開挖施工技術研究[J]. 公路交通科技:應用技術版, 2013(11):126-129.

[11]丁維利.大斷面黃土隧道二臺階四步開挖施工技術[J].鐵道標準設計,2007(S1):109-112.