淺埋偏壓條件下三臺(tái)階七步法沉降規(guī)律分析

艾世勃

（中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京 100120）

淺埋偏壓條件下三臺(tái)階七步法沉降規(guī)律分析

艾世勃

（中煤科工集團(tuán)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(tái)階七步法施工過(guò)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(diǎn)，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(diǎn)。在三臺(tái)階七步法的施工過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)上臺(tái)階開(kāi)挖沉降控制，及時(shí)進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)指導(dǎo)施工。同時(shí)，臨時(shí)仰拱應(yīng)及時(shí)施做，盡早封閉成環(huán)。

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

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

1 引言

三臺(tái)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(jiǎn)便、工序轉(zhuǎn)換靈活、施工快捷、能充分發(fā)揮大型機(jī)械效能、加快施工進(jìn)度、降低工程造價(jià)等優(yōu)點(diǎn)[1]。近年來(lái)，三臺(tái)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(duì)三臺(tái)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(jī)理研究[3，4]等方面，對(duì)施工過(guò)程中拱頂沉降的變化規(guī)律研究較少。在淺埋偏壓段進(jìn)行隧道施工，極易引起隧道拱頂沉降，如果控制不當(dāng)會(huì)造成變形超限，嚴(yán)重時(shí)引起隧道塌方冒頂[5～7]。因此，有必要對(duì)三臺(tái)階法在淺埋偏壓段施工過(guò)程中的拱頂沉降變化規(guī)律進(jìn)行研究，以達(dá)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(duì)三臺(tái)階七步法各個(gè)施工步的沉降規(guī)律進(jìn)行分析，明確工程控制重點(diǎn)。相關(guān)研究成果為隧道安全施工提供參考，同時(shí)對(duì)豐富同類工程案例、完善隧道設(shè)計(jì)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(jì)為單洞雙線，時(shí)速250km/h，預(yù)留進(jìn)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(jìn)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(kāi)挖斷面積為154.2m2。隧道所處的圍巖條件為V級(jí)，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(kāi)挖方法為三臺(tái)階七步法，初期支護(hù)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(zhǎng)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(zhǎng)4m；噴射混凝土拱部為C30，仰拱為C25，厚度均為28cm。在隧道開(kāi)挖前，采用超前支護(hù)控制圍巖變形，超前支護(hù)為42mm的超前小導(dǎo)管。

2.2 模型的建立

FLAC3D采用動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行求解非常適合模擬非線性問(wèn)題和大變形問(wèn)題[8]，因此本文選用此程序，對(duì)三臺(tái)階七步施工過(guò)程中的拱頂沉降規(guī)律進(jìn)行分析。計(jì)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(zhǎng)為120m。隧道的尺寸按照?qǐng)D1中隧道外輪廓進(jìn)行選取，高度為12240mm，跨度為14 380mm。模型單元為109 920個(gè)，節(jié)點(diǎn)為116 632個(gè)。

對(duì)工程實(shí)際進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)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(jìn)行模擬；隧道初期支護(hù)采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，本構(gòu)模型為彈性模型；隧道超前支護(hù)采用模型自帶的shell單元進(jìn)行模擬，厚度均為0.3m，模型的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。采用等代層的方式模擬隧道錨桿注漿加固區(qū)，計(jì)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(guò)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(jì)算參數(shù)

2.3 開(kāi)挖模擬過(guò)程

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

圖3 三臺(tái)階七步法開(kāi)挖步序圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在模擬過(guò)程中，選取模型中部（Y=60m）為目標(biāo)斷面（見(jiàn)圖2），記錄各個(gè)開(kāi)挖步下拱部3個(gè)測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖3）的沉降值見(jiàn)圖4。由圖可得：

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

2）測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3上臺(tái)階開(kāi)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(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3中臺(tái)階開(kāi)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(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3下臺(tái)階開(kāi)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(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)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(duì)于3個(gè)測(cè)點(diǎn)而言，上臺(tái)階開(kāi)挖引起的沉降均較大，因此，上臺(tái)階支護(hù)對(duì)控制圍巖變形起關(guān)鍵作用，施工中應(yīng)加強(qiáng)上臺(tái)階位移監(jiān)測(cè)，及時(shí)反饋動(dòng)態(tài)指導(dǎo)施工。

3）仰拱閉合完成以后，各個(gè)測(cè)點(diǎn)變形基本不再發(fā)展。及時(shí)支護(hù)，及早封閉成環(huán)對(duì)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(tái)階七步法施工完成時(shí)目標(biāo)斷面的地層沉降云圖（見(jiàn)圖5）可得，在偏壓作用下，地層沉降沿隧道輪廓顯不對(duì)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(diǎn)有所不同。在施工過(guò)程中，應(yīng)該增加對(duì)拱底的監(jiān)測(cè)。

圖5 目標(biāo)面地層沉降云圖

分析三臺(tái)階七步法施工完成時(shí)目標(biāo)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(huì)產(chǎn)生塑性滑移，嚴(yán)重時(shí)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(biāo)面塑性區(qū)分布圖

由上述分析可知，在淺埋偏壓下進(jìn)行隧道的開(kāi)挖會(huì)引起較大的拱頂沉降，塑性區(qū)極易擴(kuò)展到地表，應(yīng)該在施工過(guò)程中加強(qiáng)加固方案。可以把原有的超前小道管的支護(hù)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(tái)階處設(shè)置擴(kuò)大拱腳；同時(shí)，也應(yīng)該加強(qiáng)各個(gè)施工步銜接，盡量減少圍巖暴露時(shí)間，避免因長(zhǎng)時(shí)間暴露引起圍巖失穩(wěn)；施工中監(jiān)理應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員機(jī)械設(shè)備等進(jìn)行監(jiān)督檢查，保證循環(huán)施工進(jìn)度及施工質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以典型的淺埋偏壓隧道工程為背景，研究了三臺(tái)階七步法施工過(guò)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(diǎn)，得出以下結(jié)論：

1）在三臺(tái)階七步法的施工過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3上臺(tái)階開(kāi)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(tái)階開(kāi)挖均引起較大沉降，應(yīng)作為工程控制重點(diǎn)。同時(shí)，施工中應(yīng)加強(qiáng)上臺(tái)階位移監(jiān)測(cè)，及時(shí)反饋動(dòng)態(tài)指導(dǎo)施工。

2）仰拱閉合完成以后，各個(gè)測(cè)點(diǎn)變形基本不再發(fā)展。及時(shí)支護(hù)，及早封閉成環(huán)對(duì)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(qiáng)原設(shè)計(jì)方案中支護(hù)措施。同時(shí)，應(yīng)注意施工過(guò)程中的質(zhì)量控制。

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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(jí)工程師，從事路橋設(shè)計(jì)與研究，（電子信箱）ASB303@126.com。