台阶高度对三台阶七步开挖法变形的影响

高悦琛，赵凯岩，王生光

(1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州　730070；2.苏州高新有轨电车有限公司，江苏 苏州　215000)



台阶高度对三台阶七步开挖法变形的影响

高悦琛1，赵凯岩2，王生光1

(1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州730070；2.苏州高新有轨电车有限公司，江苏 苏州215000)

摘要：采用有限差分软件FLAC3D进行数值模拟分析，对比分析不同台阶高度对于变形控制的影响。通过对比三种工法，分析发现三台阶七步开挖法增加上台阶开挖高度虽然在一定程度上增大了上台阶的净空，这样有利于施工的操作，但是会增加围岩的变形和增大支护结构的受力。综合分析结果认为上台阶的开挖高度不宜太大。

关键词：FLAC3D; 软岩隧道; 三台阶七步开挖; 台阶高度

1工程概况

牡绥线双丰隧道位于黑龙江省东宁县，全长7 237 m，共有2座斜井，为全线最长双线隧道。双丰隧道处于低山丘陵区。山势起伏，植被茂密，顶部为第三系玄武岩盖层，地形较为平坦，多被辟为耕地。海拔最高为625.98 m，最低440.22 m，最大高差185.76 m，最大埋深140.2 m。

进口和出口第三系砂泥岩地层局部段落拱顶下沉和周边收敛变形值偏大，初期支护混凝土开裂、钢架扭曲变形，造成局部段落支护侵限，施工进度缓慢。这种围岩成岩性差，受地下水作用，开挖扰动后基本呈糊状，基底有涌水现象发生，工程性质迅速恶化，多次出现涌水涌泥、变形过大、施工进度缓慢等问题。

2计算工况、有限元模型及计算参数

2.1计算工况

本论文依托牡丹江双丰隧道实际工程，在双丰隧道Ⅵ级围岩模拟试验段，采用三台阶七部预留核心土方法进行开挖，必要时增设临时仰拱。上台阶高度分别为3 m、3.5 m、4 m的情况下，设定三种工况进行比选，隧道形状近似马蹄形，地应力场按自重应力场考虑，每个工况侧压力系数为1。

2.2有限元模型及计算参数

本文数值模拟采用FLAC3D有限差分软件，利用实体单元模拟围岩和二次衬砌，梁单元模拟钢拱架，采用锚索单元模拟锁脚锚管，壳单元模拟初期支护，收敛准则为摩尔-库伦准则(Mohr-Coulomb)。

模型根据分析范围的选取原则确定水平方向为100 m，竖直方向为100 m，拱顶距模型顶面50 m，模型纵向延伸长度为1 m来模拟二维受力特性，采用结点施加反力发来模拟掌子面的影响。模型上部岩体的作用折算为均布荷载施加在模型顶面，对模型四周施加水平约束，底面施加竖直方向约束，顶面为自由面，且荷载随着顶面的移动而移动。

本文以双丰隧道DYK465+145断面为对象进行数值模拟，Ⅴ级围岩。根据现场获取的现场围岩情况，再参考同类炭质泥岩页岩围岩参数，综合分析得出围岩力学参数。计算过程中围岩及支护结构物理力学参数见表1。

表1　现场试验参数

3计算结果及分析

3.1围岩变形对比分析

图1　台阶高度3 m竖向位移云图

图2　台阶高度3 m水平位移云图

图3　台阶高度3.5 m竖向位移云图

图4　台阶高度3.5 m水平位移云图

图5　台阶高度4 m竖向位移云图

图6　台阶高度4 m水平位移云图

图7　拱顶竖向位移时程曲线

图8　拱腰竖向位移时程曲线

图9　拱腰水平位移时程曲线

图10　最大跨水平位移时程曲线

提取三种工况关键节点位移数据并统计如表2所示：

表2　位移对比分析表　cm

从围岩竖向位移云图可知，拱顶、拱腰围岩下沉最大，仰拱有一定程度的隆起，拱腰及边墙部位主要表现出水平收敛变形。而从水平位移云图可看出，3个台阶的分界处水平收敛比各台阶的水平收敛较小，使得水平位移云图在3个台阶处略微呈现波浪形，分析其原因，主要是由于在锁脚锚管的锁定作用下，围岩变形得到了一定的控制，限制其向临空面的变形。

从位移时程曲线图可知，三种工况围岩变形规律基本保持一致，只是变形的数值不同，最大跨处水平位移随中台阶的开挖保持一定速度的增大；各个断面拱部沉降的规律基本相同，上台阶开挖过程中，拱部沉降保持一定速度增大，最后随着初期支护作用及二次衬砌施作逐渐趋于稳定。台阶高度为3 m时变形情况与其他两种工况稍有不同，究其原因是上台阶高度过小，过于扁平化反而会加剧变形。

对比分析可以很明显的看出，三种工况中表明相同条件下，台阶高度3.5 m相对于3 m、4 m的进尺更有利于控制围岩的整体变形。

3.2喷射混凝土主应力对比分析

图11　台阶高度3 m喷混第一主应力云图

图12　台阶高度3 m喷混第三主应力云图

图13　台阶高度3.5 m喷混第一主应力云图

图14　台阶高度3.5 m喷混第三主应力云图

图15　台阶高度4 m喷混第一主应力云图

图16　台阶高度4 m喷混第三主应力云图

三种工况喷射混凝土应力云图分布规律基本一致。喷射混凝土较大的拉应力主要分布在最大跨与边墙处位置，主要原因是受隧道跨度较大的影响，水平收敛较大。喷射混凝土较大的压应力出现在拱腰位置，主要原因是该位置首先施做了锁脚锚管，对支护结构起到了及时有效的支撑，对围岩上部传来的压力起到了约束作用。由于围岩的弹性模量、内摩擦角等较小造成了喷射混凝土裂缝的出现，致使第一主应力较大。

3.3锁脚锚管应力对比分析

图17　上台阶锁脚锚管固定端应力时程曲线

图18　上台阶锁脚锚管自由端应力时程曲线

图19　中台阶锁脚锚管固定端应力时程曲线

图20　中台阶锁脚锚管自由端应力时程曲线

图21　下台阶锁脚锚管固定端应力时程曲线

图22　下台阶锁脚锚管自由端应力时程曲线

在三种台阶高度分别为3 m、3.5 m、4 m时锁脚锚杆的最终受力分布情况是相似的。上、中台阶锁脚锚管固定端应力表现为受压控制，下台阶锁脚锚管固定端应力前期表现为受拉控制，后期表现为受压控制；上、中、下台阶锁脚锚管自由端受力情况与固定端基本一致。锁脚锚管应力时程曲线显示锁脚锚管应力总体上随时间推移而增大，说明锚管在施工过程中起到了一定的控制作用，最终随着二衬的施做逐渐稳定。

很明显，台阶高度为3.5 m时上锚管的自由端和锚固段、中锚管的自由端和锚固段以及下锚管的自由端和锚固段都是在整个监测过程中峰值最低，相对其他两种工况来说是最稳定，最适宜施工的。然而相比较台阶高度3 m和台阶高度4 m两种工况来说，又清晰地可以看出3m的台阶高度锚管应力峰值较高，波动较大，这就说明太小的上台阶高度对于施工是不利的。

3.4塑性区对比分析

提取三种工况塑性区面积并统计如表3所示。

表3　三种工况塑性区面积对比

图23　3 m台阶高度围岩塑性区分布

通过对比图中切片塑性区的分布，观察塑性区的单元数，不难发现：上台阶高度为3.5 m时塑性区最小，其次是上台阶高度为4 m时的塑性区，最大的是上台阶高度为3 m时的塑性区分布。由于塑性区面积越小对围岩变形控制效果越好，因此对比后得出结论：上台阶高度为3.5 m对于塑性区的控制要优于上台阶高度为3 m和上台阶高度为4 m。因此，上台阶高度为3.5 m对于围岩的变形控制效果要更加明显，对于隧道的施工应更加可靠。

4结论

(1)通过三种上台阶高度围岩位移结果的对比分析发现，当台阶高度越大，其水平位移越大，不利于拱腰及边墙部位的围岩稳定；当台阶高度越小，使得上台阶空间过于扁平化，反而加剧了变形的发生。

(2)通过三种上台阶高度喷射混凝土主应力结果的对比分析发现，喷射混凝土较大的拉应力主要分布在最大跨与边墙处位置，喷射混凝土较大的压应力出现在拱腰位置。

(3)通过三种上台阶高度锁脚锚管应力结果的对比分析发现，锁脚锚管应力总体上随时间推移而增大，说明锚管在施工过程中起到了一定的控制作用，最终随着二衬的施做逐渐稳定；3 m台阶高度锁脚锚管应力峰值较高，波动较大，这就说明太小的上台阶高度对于施工是不利的，而3.5 m时相对稳定，适宜施工。

(4)通过三种上台阶高度塑性区面积的对比分析发现，台阶高度过大或过小都会使得塑性区面积过大，而对于塑性区面积来说面积越小越易控制围岩变形，因此台阶高度3.5 m时较易于施工。

参考文献：

[1]郑颖人，等.地下工程锚喷支护设计指南[M].中国铁道出版社,1998.

[2]何满朝.软岩巷道工程概论[M].中国矿业大学出版社,1993.

[3]黄南清.浅埋软岩大跨度铁路隧道施工技术研究[J].施工技术,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

作者简介：高悦琛(1989-)，男，硕士在读。

中图分类号：U442

文献标识码：C

文章编号：1008-3383(2016)04-0123-04