浅埋偏压条件下三台阶七步法沉降规律分析

艾世勃

（中煤科工集团北京华宇工程有限公司，北京 100120）

浅埋偏压条件下三台阶七步法沉降规律分析

艾世勃

（中煤科工集团北京华宇工程有限公司，北京 100120）

以典型的浅埋偏压隧道工程为背景，采用数值模拟方法，研究了三台阶七步法施工过程中的拱顶沉降变化规律，分析了地层变形、围岩塑性区分布等特点，为合理有效控制隧道拱顶沉降提供依据，明确工程控制重点。在三台阶七步法的施工过程中，应加强对上台阶开挖沉降控制，及时进行位移监测，动态指导施工。同时，临时仰拱应及时施做，尽早封闭成环。

浅埋偏压;三台阶七步开挖法;拱顶沉降;位移监测;数值模拟

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

1 引言

三台阶七步法是目前软弱围岩大断面隧道施工常采用的一种工法，该工法具有操作简便、工序转换灵活、施工快捷、能充分发挥大型机械效能、加快施工进度、降低工程造价等优点[1]。近年来，三台阶七步法在浅埋偏压隧道中的应用也逐渐增多[2]。

目前,对三台阶七步法穿越浅埋偏压地层的研究主要集中在施工技术和作用机理研究[3，4]等方面，对施工过程中拱顶沉降的变化规律研究较少。在浅埋偏压段进行隧道施工，极易引起隧道拱顶沉降，如果控制不当会造成变形超限，严重时引起隧道塌方冒顶[5～7]。因此，有必要对三台阶法在浅埋偏压段施工过程中的拱顶沉降变化规律进行研究，以达到合理有效控制拱顶沉降的目的。

本文以典型浅埋偏压隧道工程为例，对三台阶七步法各个施工步的沉降规律进行分析，明确工程控制重点。相关研究成果为隧道安全施工提供参考，同时对丰富同类工程案例、完善隧道设计理论具有重要意义。

2 数值模拟方案确定

2.1 典型工况介绍

某铁路隧道设计为单洞双线，时速250km/h，预留进一步提速条件。该地区地貌为剥蚀低山区，地形起伏较大，隧道进洞口单侧或两侧多为冲沟，植被发育，埋深浅，属于典型的浅埋偏压隧道，隧道最大开挖断面积为154.2m2。隧道所处的围岩条件为V级，岩体破碎呈碎块状，断面形式如图1所示。

图1 典型浅埋偏压隧道

隧道拟采用开挖方法为三台阶七步法，初期支护全环设型钢钢架，间距0.6m，采用HW175型钢钢架；拱墙设网格为20cm伊20cm的6mm钢筋网片；拱部圆心上140毅范围设25mm中空注浆锚杆，间距1.5m伊1.5m，单根长4m，梅花形布置；边墙设22mm砂浆锚杆，间距为1.2m伊1.2m，单根长4m；喷射混凝土拱部为C30，仰拱为C25，厚度均为28cm。在隧道开挖前，采用超前支护控制围岩变形，超前支护为42mm的超前小导管。

2.2 模型的建立

FLAC3D采用动态运动方程进行求解非常适合模拟非线性问题和大变形问题[8]，因此本文选用此程序，对三台阶七步施工过程中的拱顶沉降规律进行分析。计算模型如图2所示，模型上表面与图1中的地表边界相同，隧道底部、左部、右部至边界的距离均为50m，长为120m。隧道的尺寸按照图1中隧道外轮廓进行选取，高度为12240mm，跨度为14 380mm。模型单元为109 920个，节点为116 632个。

对工程实际进行相应简化，将围岩视为连续、均匀、各向同性介质，采用Mohr-Column本构模型进行模拟；隧道初期支护采用实体单元进行模拟，本构模型为弹性模型；隧道超前支护采用模型自带的shell单元进行模拟，厚度均为0.3m，模型的计算参数见表1。采用等代层的方式模拟隧道锚杆注浆加固区，计算参数取原土层参数的1.5倍。模型两侧及底部均限制法向位移，地表为自由面。在模拟过程中，只考虑自重应力的影响，不考虑围岩蠕变效应及地下水的影响。

图2 模型网格划分

表1 模型计算参数

2.3 开挖模拟过程

三台阶七步开挖法将断面分为7部9块分别开挖，开挖步序如图3所示。具体数值模拟过程如下：第1步，开挖上部弧形导坑（①），拱部超前支护后，环向开挖，开挖后立即施做初期支护。第2～3步，开挖左、右侧中台阶（②、③）：两侧台阶错开开挖，开挖后同样立即施做初期支护；第4～5步，开挖左、右侧下台阶（④、⑤），模拟方法同第2～3步；第6步，开挖核心土（⑥-1、⑥-2、⑥-3）；第7步，开挖隧底（⑦），初期支护封闭成环。

图3 三台阶七步法开挖步序图

3 数值模拟结果分析

在模拟过程中，选取模型中部（Y=60m）为目标断面（见图2），记录各个开挖步下拱部3个测点（见图3）的沉降值见图4。由图可得：

1）上台阶开挖完成后，测点1、测点2、测点3的累积沉降量分别为-48.17mm、-44.56mm、-34.94mm；中台阶开挖完成后，测点1、测点2、测点3的累积沉降量分别为-73.86mm、-65.41mm、-54.78mm；下台阶开挖后，测点1、测点2、测点3的累积沉降量分别为-90.00mm、78.68mm、67.23mm；仰拱闭合完成后，测点1、测点2、测点3的累积沉降量分别为-94.23mm、82.03mm、70.79mm。测点2各个施工阶段累积沉降量大于测点1和测点3，这是偏压作用造成的。

2）测点1、测点2、测点3上台阶开挖引起隧道拱顶沉降占总变形的比例分别为51.12%、54.32%、49.36%；测点1、测点2、测点3中台阶开挖引起隧道拱顶沉降占总变形的比例分别为27.26%、25.42%、28.03%；测点1、测点2、测点3下台阶开挖引起隧道拱顶沉降占总变形的比例分别为 17.13%、16.18%、17.58%；测点1、测点2、测点3仰拱封闭引起隧道拱顶沉降占总变形的比例分别为4.49%、4.08%、5.03%。对于3个测点而言，上台阶开挖引起的沉降均较大，因此，上台阶支护对控制围岩变形起关键作用，施工中应加强上台阶位移监测，及时反馈动态指导施工。

3）仰拱闭合完成以后，各个测点变形基本不再发展。及时支护，及早封闭成环对浅埋偏压条件下隧道施工意义重大。

图4 拱顶分步沉降值

分析三台阶七步法施工完成时目标断面的地层沉降云图（见图5）可得，在偏压作用下，地层沉降沿隧道轮廓显不对称分布。拱顶变形偏向于地表较高处，而拱顶变形与之相反，偏向地表较低处。因此，在不同的施工阶段，工程控制重点有所不同。在施工过程中，应该增加对拱底的监测。

图5 目标面地层沉降云图

分析三台阶七步法施工完成时目标断面的塑性区分布（图6）可得，在浅埋的条件下，围岩塑性区发展至地表，如果控制措施效果不明显，围岩会产生塑性滑移，严重时引起隧道塌方冒顶。偏压作用加剧了塑性区的发展，增大塑性区的范围，使塑性区向地表较高处发展。

图6 目标面塑性区分布图

由上述分析可知，在浅埋偏压下进行隧道的开挖会引起较大的拱顶沉降，塑性区极易扩展到地表，应该在施工过程中加强加固方案。可以把原有的超前小道管的支护方案改为超前管棚，管棚的直径可取为89mm；可以把锁脚锚杆改为锁脚钢管注浆加固，钢管直径可选为50mm；可以在拱部分台阶处设置扩大拱脚；同时，也应该加强各个施工步衔接，尽量减少围岩暴露时间，避免因长时间暴露引起围岩失稳；施工中监理应对现场施工人员机械设备等进行监督检查，保证循环施工进度及施工质量。

4 结语

本文以典型的浅埋偏压隧道工程为背景，研究了三台阶七步法施工过程中的拱顶沉降变化规律，为合理有效控制隧道拱顶沉降提供依据，明确工程控制重点，得出以下结论：

1）在三台阶七步法的施工过程中，测点1、测点2、测点3上台阶开挖引起隧道拱顶沉降占总变形的比例分别为51.12%、54.32%、49.36%，上台阶开挖均引起较大沉降，应作为工程控制重点。同时，施工中应加强上台阶位移监测，及时反馈动态指导施工。

2）仰拱闭合完成以后，各个测点变形基本不再发展。及时支护，及早封闭成环对浅埋偏压条件下隧道施工意义重大。

3）在浅埋偏压条件下，隧道围岩塑性区极易发展到地表。为了确保隧道施工安全，应适当加强原设计方案中支护措施。同时，应注意施工过程中的质量控制。

【1】王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥：安徽教育出版社，2004.

【2】田佳，刘军，王改鹏.三台阶七步法在大断面浅埋偏压软弱围岩隧道中的应用[J].隧道建设，2012，32（增1）：85-89.

【3】周艺，何川，邹育麟，汪波.破碎千枚岩隧道施工工法比选试验研究[J].岩石力学与工程学报，2013，32（3）：537-548.

【4】幸江涛，何德华，文建平.三台阶七步法在复杂地质段铁路隧道施工中的安全效应[J].技术与市场，2011，16（6）：29-32.

【5】李锦平，黄武来.浅埋隧道通顶坍塌整治与思考[J].中国铁路, 1996（7）49-51.

【6】冯秀国.采用地表注浆方法使隧道穿越坍塌区[J].铁道建筑，1998（2）：28-30.

【7】DAYMJ.KarsticproblemsintheconstructionofMilwaukee'sDeep Tunnels[J].EnvironmentalGeology,2003,45（6）:859-863.

【8】台启民，张顶立，房倩，等.暗挖重叠地铁隧道地表变形特性分析[J].岩石力学与工程学报，2014，33（12）：2472-2480.

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，高级工程师，从事路桥设计与研究，（电子信箱）ASB303@126.com。