三臺階七步法不同施工步距淺析

陳云平

(四川路橋建設股份有限公司公路隧道分公司， 四川成都 610041)

近年來，隨著我國機械化水平的提高，隧道施工方法也多樣化發展。三臺階七步法是一種施工空間大、方便施工、同時安全性較高的方法[1-2]。聞慶權總結離石隧道施工的經驗，提出了施工方法、施工組織等重要事項[3]。黃大成基于力學角度和數值模擬對開挖后支護內力、塑性區范圍等進行分析，并對其穩定性進行了評價。崔小鵬等在現有三臺階七步法的基礎上，對該工法進行了改進[5]。馬德林等通過數值模擬，研究了高地應力條件下軟巖隧道用三臺階施工時的沉降等參數[6]。李志清等通過數值模擬和現場測試研究了三臺階七步法仰拱變形和開挖后洞周輪廓的變化[7]。

本文在前人的基礎上，對三臺階七步法不同的施工安全步距進行對比分析，研究了不同施工步距下開挖后圍巖參數變化。

1 工程概況

該隧道是韶新高速靠近廣東一側的某隧道，是大斷面雙向六車道隧道，洞徑為17.65 m，左、右洞間距28 m。洞口為IV級軟弱破碎灰巖。

2 數值模型及參數選取

2.1 數值模型的建立

建立數值模型時，根據圣維南原理，開挖時離隧道區域較遠部分的影響可以忽略不計。因此，模型寬度為131.86 m，高度為75.818 m，因為本次計算的是洞口淺埋段，縱向長度取25 m，埋深取22 m，模型均用實體單元進行模擬(圖1、圖2)。

圖1 隧道模型三維視圖

圖2 模型正視圖及局部放大

2.2 模型參數的選取

圍巖參數見表1，支結構參數見表2。

表1 圍巖參數

三臺階七步法每次循環進尺1榀鋼拱架，即0.5 m。查閱相關資料，三臺階七步法安全施工步距為左、右側臺階錯開2～3 m，為了明確施工步驟的合理步距，分別取進尺的整數倍步距，即2 m、2.5 m進行模擬。

表2 支護結構參數

2.3 監測斷面及監測點的選取

為了消除邊界效應的影響，監測斷面定在隧道縱向長度的中部，即Y=12 m處的位置，選取拱頂、左拱腰、右拱腰、拱頂等4個點作為監測對象。具體分布如圖3所示。

圖3 監測點布置

3 計算結果分析

由于左右兩洞對稱，本數值模擬僅對開挖左洞進行分析。

3.1 施工步距為2 m時

由圖4可知，洞周豎向位移大致關于隧道中線對稱，最大下沉量為12.48 mm，從拱頂到拱肩、拱腰的過程中，豎向位移逐漸減小，到拱腰處幾乎為零。開挖后未上襯砌前拱底隆起較大，隨著初支和二襯的施作，拱底應力調整，拱底隆起減小到1.8 mm，幾乎可以忽略不計。

圖4 2m步距初期支護完成后的豎向位移

洞周X方向(水平方向)的位移云圖如圖5所示。拱腰處的的水平位移最大，左拱腰處最大水平位移為1.43 mm，右拱腰處最大水平位移為1.54 mm，由拱腰向上以及向下，水平位移逐漸減小，至拱頂和拱底處幾乎為零。

圖5 2m步距初期支護完成后的水平位移

由于本次監測的斷面在y=12 m處，距離洞口段較近，因此隧道一開挖，馬上就會對y=12 m處的圍巖產生擾動，拱頂下沉量如“墜落式”增加，下沉達到5 mm。隨著隧道的開挖及初期支護的施作，拱頂下沉先呈下凸的拋物線形增加，然后又呈上凸的拋物線型增加，最后緩慢增加到大約12 mm。待到施作二襯時，拱頂下沉幾乎已經完成，二襯完工后，下沉量大約只增加了0.25 mm。由此可見拱頂下沉基本在初期支護時期(圖6)。

圖6 2m步距拱頂下沉隨時間的變化關系

3.2 施工步距為2.5m時

該步距下規律如前，拱頂下沉量為12.51 mm，拱底隆起減小到1.8 mm，幾乎可以忽略不計(圖7)。

圖7 2.5m步距初期支護完成后的豎向位移

該步距下規律如前，拱頂下沉量為12.51 mm，拱底隆起減小到1.8 mm，幾乎可以忽略不計(圖8)。

圖8 2.5m步距初期支護完成后的水平位移

當步距為2.5 m時，拱頂下沉隨施工變化的曲線與步距為2 m時規律基本相同，只是最終的下沉量有所差別，比步距為2 m時略有增大(圖9)。

圖9 2.5m步距拱頂下沉隨時間的變化關系

4 結論和建議

(1)通過數值模擬，對三臺階七步法步距2 m和2.5 m進行研究，步距為2 m時，拱頂最大下沉為12.48 mm，洞周最大水平位移為1.5 mm，而步距為2.5 m時，拱頂最大下沉為12.51 mm，洞周最大水平位移為1.55 mm，在此工程中，建議步距選擇2 m。

(2)通過數值模擬，對2～3 m安全步距范圍內的步距進行模擬，證明了安全步距設置范圍的合理性。

(3)在實際施工中，步距建議可以在安全步距范圍內進行選取，通過本次數值模擬可以發現，在安全步距范圍內，不同的布距對隧道開挖造成的影響相差不大，實際中可結合現場實際進行選取。

(4)在實際施工中，隨著開挖要進行及時監控量測，以便對施工參數進行實時調整。