三台阶七步法台阶长度对岩堆体隧道稳定性的影响分析

刘新峰，李 睿，丁祖德，吴培关

（昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明650000）

三台阶七步法台阶长度对岩堆体隧道稳定性的影响分析

刘新峰*，李 睿，丁祖德，吴培关

（昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明650000）

基于某高速公路隧道穿越岩堆体的工程实践，建立了岩堆体隧道采用三台阶七步留核心土法施工的三维数值计算模型，分析不同台阶长度下岩堆体隧道围岩应力、拱顶下沉、围岩水平位移以及围岩塑性区的变化规律，并与现场实测结果进行对比。结果表明：合理的台阶长度能明显改善围岩受力状况，限制周边围岩位移。进行岩堆体隧道开挖时，建议采用短台阶，台阶长度控制在4m以内。所得结论可为岩堆体隧道施工提供有益参考。

岩堆体隧道；三台阶七步法；台阶长度；数值模拟

我国西南地区广泛分布着岩堆体，它由砂黏土夹碎石、砂黏土及块石土构成，为塌落岩体在坡脚的松散堆积体。由于岩堆体的物质组成不均一，孔隙度大，结构松散,透水性强，本身处于极限平衡状态，属于特殊的软弱围岩[1]，在穿越岩堆体隧道施工中，易出现洞内坍方、衬砌开裂、地表变形及滑坡等病害。近年来，随着西南地区交通建设中岩堆体病害的突出，对岩堆体的综合治理和施工技术相关研究已逐渐增多[2-6]。

在隧道施工中，台阶法仍然是目前的主流方法，当围岩较差时，施工中经常采用三台阶七步工法。在三台阶七步工法中，台阶的长度是保障施工安全与进度的重要措施，其对拱顶的沉降以及围岩的水平位移的约束均有重要作用。皇甫明等[7]指出留设核心土能显著地减小地层的水平位移，同时也有抑制工作面前方地层的垂直位移的作用；袁金秀[8]利用FLAC-3D有限差分软件对不同台阶长度和核心土长度进行分析。然而，对于隧道穿越岩堆体这种特殊地质条件，三台阶七步工法台阶长度的合理选取尚无明确依据，从已有成果来看，不同地质下台阶长度的一般范围在2～10m之间。台阶长度过长会影响初支封闭成环，存在安全风险，台阶长度过短，则会影响施工的空间。基于此，本文研究岩堆体隧道采用三台阶七步工法的合理台阶长度，以为类似工程提供有益参考。

1 工程概况

云南省麻昭高速公路某隧道长约1530m，净宽12m，净高10.33m。该隧道进出口均为大型岩堆体，岩块由泥质灰岩、砂质灰岩、灰岩、泥灰岩组成，质地较疏松，含土量较多，孔隙率大，透水性强。岩堆体边坡平均坡度25°～40°，覆盖层为碎石粉质粘土以及碎石、块石等。隧道施工从昭通端洞口单头掘进，由于进出口围岩较差，且浅埋偏压，麻柳湾端口采用25m长Ø108mm长管棚，昭通端洞口采用30m长Ø108mm长管棚，环向间距为40cm，设置在衬砌拱部120°范围内。洞口采用三台阶七步法，按照Ⅴ级围岩支护参数施工，初期支护以网喷混凝土+锚杆+型钢钢架组成，锚杆采用自进式Ø25mm中空注浆锚杆，长3.5m，间距1.0m×0.5m，呈梅花状布置；超前小导管为Ø42mm×4mm的热轧无缝钢管，长4.5m，环向间距30～50cm，设置于衬砌拱部约120°范围内，外插角5°～15°；仰拱基底采用Ø42mm注浆小导管加固，长3.5m，间距1.2m×0.5m；型钢采用I22a；喷射C25混凝土，厚度为29cm。

2 计算模型的建立

2.1 计算模型

考虑模型边界效应和计算效率，计算模型的横向取宽92m，隧道最大埋深32m，隧道底部向下取30m，纵向取为50m。计算采用的地层和支护材料物理力学参数见表1。

表1 围岩与支护材料的物理力学参数

计算中，土体采用M-C模型，实体单元模拟，其余支护参数采用弹性模型，钢拱架采用梁单元模拟,超前导管和锚杆采用杆单元模拟，喷射混凝土采用壳单元模拟。模型边界为左右施加水平方向约束，底部施加竖直方向的约束，整体计算模型与施工步骤示意图分别如图1和图2所示。

图1 计算模型

图2 施工步骤示意图

2.2 施工过程模拟和计算工况

计算时，按照三台阶七步开挖法进行开挖模拟。开挖进尺均采用1m，上台阶高度为3.5m，上台阶核心土高度为1.7m，中台阶3m，下核心土高度为2.6m，左右台阶错开2m，仰拱高度1.23m，仰拱距离掌子面的距离均保持15～20m，如图3所示。

图3 台阶与核心土尺寸尺寸（单位：cm）

在保持核心土长度为6m的情况下，分别模拟台阶长度为2m、3m、4m、6m和8m共5种计算工况，并提取相应的位移分析点进行分析，如图4所示。

图4 模型位移分析点布置图

3 计算结果及分析

3.1 对围岩应力的影响

分析点A处（拱顶处）围岩应力随台阶长度的变化曲线见图5、图6，分析点B处（左拱腰处）围岩应力随台阶长度的变化曲线见图7、图8。

由图5、6可知，5种工况下的分析点A的最大主应力随着开挖的过程先减小后增大，再减小至趋于稳定。随着台阶长度的增加，分析点A处的主应力波动范围也随着增大，收敛速度也随着变缓慢。从应力释放的快慢考虑，台阶长度越短，拱顶应力释放得越快。在开挖深度为27m时，台阶长度3m与台阶长度4拱顶应力的曲线相差不大，应力收敛较快。

由图7、8可知，5种工况下分析点B的最大主应力随着台阶长度的增加而增大，台阶长度超过4m后最大主应力的曲线变化不大。但是水平应力释放的时间随着台阶长度的增大而变长。当台阶长度为2m、3m时，最大主应力在开挖至7m后趋于稳定；当台阶长度为4m时，最大主应力在开挖至9m后趋于稳定；当台阶长度为6m时，最大主应力在开挖至13m后趋于稳定；当台阶长度为8m时，最大主应力应力在17m后趋于稳定。而分析点B的最小主应力随着台阶长度的增加而减小。

图5 分析点A最大主应力

图6 分析点A最小主应力

图7 分析点B最大主应力

3.2 对围岩变形的影响

（1）围岩塑性区。围岩塑性区主要集中在掌子面前后以及拱脚和墙脚处，随着台阶长度的增长，围岩塑性区的范围随之减小。台阶长度为2m时，塑性区的范围最为明显，对掌子面的影响深度为1.8m，台阶长度为4m时，塑性区范围明显减小，对掌子面的影响深度为1.2m，台阶长度6m和8m时的塑性区范围变化不大，对掌子面的影响深度约为1m。

图8 分析点B最小主应力

（2）围岩竖向、水平位移。5种台阶长度下，洞口处地表与拱顶沉降值以及掌子面附近拱顶的沉降值见图9、图10，拱脚处的水平位移见图11。由图9可知，随着台阶长度的增加，洞口处拱顶的沉降也随着增加，当台阶长度为2m时，洞口拱顶沉降值最小，为39.01mm，台阶长度为3m时，拱顶沉降值增加9.9%，台阶长度为4m时，较台阶长度为3m时的拱沉降增加4.4%，台阶长度超过4m后，拱顶沉降变化不大，但明显大于台阶长度为2m和3m时拱顶的沉降值，地表沉降表现与拱顶一致；由图10可知，开挖至一个循环后，从掌子面前后围岩拱顶沉降分析，台阶长度为2m、3m和4m时拱顶沉降值缓慢增加，而台阶长度为6m和8m时拱顶沉降值较大；由图11所示，在开挖至28m时，随着台阶长度的增加，拱脚的水平位移先是变大之后趋于平稳，台阶长度在2m、3m、4m时，拱脚水平收敛值分别为26.77mm、29.50mm、32.31mm，水平收敛值变化不大，而当台阶长度为6m时，拱脚水平收敛值为42.82mm，较台阶长度为4m时增大32.54%。

图9 洞口处地表与拱顶沉降

4 数值计算与实测结果对比分析

选取某高速公路隧道进口端Ⅴ级围岩段内的K30+720断面，对该断面拱顶沉降实测结果与相同断面处模拟结果进行比较分析。其中数值计算的结果来自于模型中目标断面上相应位置上的节点的位移，监测结果数据则是来自实际开挖过程中与模拟开挖的时步内容相一致的某一时间段的监测数据。右洞K30+ 720断面的拱顶沉降以及周边收敛的数值模拟结果与现场实测结果见图12、图13。

图10 掌子面前后拱顶沉降

图11 拱脚水平位移

图12 K30+720断面的拱顶沉降

图13 K30+720断面周边收敛

由图12可知，拱顶的沉降在隧道开挖后的0～8d增长迅速，在上台阶开挖完成时，拱顶沉降的模拟值为22.05mm，在开挖一个循环时，拱顶沉降模拟值为42.52mm，占总沉降的94.6%，30d后拱顶沉降值趋于稳定，最终拱顶沉降量的模拟值为44.95mm，实测值为53.28mm，相差8.3mm；由图13可知，水平收敛的最终模拟值为 32.20mm，实测值为 36.80mm，相差4.60mm。由于实际开挖对周围岩体的扰动和损伤等问题，而数值模拟又难以考虑，造成数值模拟的影响值小于实测值。从总体看来，实测值和数值模拟值结果比较相近，说明对隧道模型的模拟，基本上符合隧道现场的实际变化规律。

5 结论与建议

（1）对于三台阶七步工法穿越岩堆体隧道，应该采取短台阶，台阶长度建议取4m或以内，当台阶长度达到6m或更长时，围岩的位移以及拱脚和墙脚的应力将会有显著的变化。

（2）由于岩堆体松散软弱，孔隙率大，透水性强，在隧道施工时应该避免雨季施工，必要时应该对台阶以及核心土进行喷射混凝土加固。

（3）设置锁脚小导管，锁脚小导管对围岩的位移抑制作用明显，针对具体施工情况，局部位置可以加强设置锁脚小导管以改善围岩的受力。

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U458.1

A

1004-5716(2015)10-0182-04

2015-05-17

2015-05-19

国家自然科学基金项目（51308270）、云南省交通运输厅科技计划项目（kkk0201406045）。

刘新峰（1989-），男（汉族），湖南郴州人，昆明理工大学建筑工程学院道路与铁道工程专业在读研究生，研究方向：隧道快速施工。