臺階高度對三臺階七步開挖法變形的影響

高悅琛，趙凱巖，王生光

(1.蘭州交通大學土木工程學院，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.蘭州交通大學土木工程學院，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進行數值模擬分析，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，分析發現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結構的受力。綜合分析結果認為上臺階的開挖高度不宜太大。

關鍵詞：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。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，初期支護混凝土開裂、鋼架扭曲變形，造成局部段落支護侵限，施工進度緩慢。這種圍巖成巖性差，受地下水作用，開挖擾動后基本呈糊狀，基底有涌水現象發生，工程性質迅速惡化，多次出現涌水涌泥、變形過大、施工進度緩慢等問題。

2計算工況、有限元模型及計算參數

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，采用三臺階七部預留核心土方法進行開挖，必要時增設臨時仰拱。上臺階高度分別為3 m、3.5 m、4 m的情況下，設定三種工況進行比選，隧道形狀近似馬蹄形，地應力場按自重應力場考慮，每個工況側壓力系數為1。

2.2有限元模型及計算參數

本文數值模擬采用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，收斂準則為摩爾-庫倫準則(Mohr-Coulomb)。

模型根據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，采用結點施加反力發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斷面為對象進行數值模擬，Ⅴ級圍巖。根據現場獲取的現場圍巖情況，再參考同類炭質泥巖頁巖圍巖參數，綜合分析得出圍巖力學參數。計算過程中圍巖及支護結構物理力學參數見表1。

表1　現場試驗參數

3計算結果及分析

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

提取三種工況關鍵節點位移數據并統計如表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律基本保持一致，只是變形的數值不同，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，最后隨著初期支護作用及二次襯砌施作逐漸趨于穩定。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的進尺更有利于控制圍巖的整體變形。

3.2噴射混凝土主應力對比分析

圖11　臺階高度3 m噴混第一主應力云圖

圖12　臺階高度3 m噴混第三主應力云圖

圖13　臺階高度3.5 m噴混第一主應力云圖

圖14　臺階高度3.5 m噴混第三主應力云圖

圖15　臺階高度4 m噴混第一主應力云圖

圖16　臺階高度4 m噴混第三主應力云圖

三種工況噴射混凝土應力云圖分布規律基本一致。噴射混凝土較大的拉應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力出現在拱腰位置，主要原因是該位置首先施做了鎖腳錨管，對支護結構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、內摩擦角等較小造成了噴射混凝土裂縫的出現，致使第一主應力較大。

3.3鎖腳錨管應力對比分析

圖17　上臺階鎖腳錨管固定端應力時程曲線

圖18　上臺階鎖腳錨管自由端應力時程曲線

圖19　中臺階鎖腳錨管固定端應力時程曲線

圖20　中臺階鎖腳錨管自由端應力時程曲線

圖21　下臺階鎖腳錨管固定端應力時程曲線

圖22　下臺階鎖腳錨管自由端應力時程曲線

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力表現為受壓控制，下臺階鎖腳錨管固定端應力前期表現為受拉控制，后期表現為受壓控制；上、中、下臺階鎖腳錨管自由端受力情況與固定端基本一致。鎖腳錨管應力時程曲線顯示鎖腳錨管應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測過程中峰值最低，相對其他兩種工況來說是最穩定，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塑性區對比分析

提取三種工況塑性區面積并統計如表3所示。

表3　三種工況塑性區面積對比

圖23　3 m臺階高度圍巖塑性區分布

通過對比圖中切片塑性區的分布，觀察塑性區的單元數，不難發現：上臺階高度為3.5 m時塑性區最小，其次是上臺階高度為4 m時的塑性區，最大的是上臺階高度為3 m時的塑性區分布。由于塑性區面積越小對圍巖變形控制效果越好，因此對比后得出結論：上臺階高度為3.5 m對于塑性區的控制要優于上臺階高度為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，對于隧道的施工應更加可靠。

4結論

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

(2)通過三種上臺階高度噴射混凝土主應力結果的對比分析發現，噴射混凝土較大的拉應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力出現在拱腰位置。

(3)通過三種上臺階高度鎖腳錨管應力結果的對比分析發現，鎖腳錨管應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定；3 m臺階高度鎖腳錨管應力峰值較高，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時相對穩定，適宜施工。

(4)通過三種上臺階高度塑性區面積的對比分析發現，臺階高度過大或過小都會使得塑性區面積過大，而對于塑性區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：

[1]鄭穎人，等.地下工程錨噴支護設計指南[M].中國鐵道出版社,1998.

[2]何滿朝.軟巖巷道工程概論[M].中國礦業大學出版社,1993.

[3]黃南清.淺埋軟巖大跨度鐵路隧道施工技術研究[J].施工技術,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

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2016)04-0123-04