三台阶四步法开挖隧道围岩变形特征分析

张旭辉

（中铁二十局集团有限公司 陕西西安 710016）

1 引言

当前，山岭隧道施工方法有TBM掘进机法和矿山法。采用TBM掘进机开挖时，对地质条件要求低，施工速度快、安全性高，但是设备运输困难且成本极高［1］。因此，对一般大型山岭隧道开挖，通常采用传统的矿山法进行施工。根据开挖断面形式和支护形式，又可分为全断面法［2］、台阶法［3］、CD法［4］、CRD法［5］和侧壁导坑法［6］等。其中台阶法最为常见，对于软弱围岩地层施工常采用三台阶四步法。本文将以岩鹰鞍隧道F4断层施工为例，结合FLAC3D数值模拟，探讨在不同参数条件下，使用三台阶四步法施工对隧道围岩的影响。

2 工程概况

2.1 F4断层性质与规模

F4断层为碎屑岩陡倾逆断层，产状倾向大里程，倾角约78°，断层带与线路夹角为51°～64°。F4主断层破碎带隧道洞身里程在DK87＋900～DK87＋930段，破碎带主要成分为全风化石英砂岩（岩芯呈砂土状）夹强～弱风化石英砂岩（碎块状），为砂石混杂状态。受F4主断层影响，断层上盘DK87＋930～DK87＋998段岩体破碎、富水；断层下盘DK87＋650～DK87＋930段岩体较破碎、含水。根据物探结果，下盘工程地质条件略好于上盘。

综合判定，隧道洞身DK87＋650～DK87＋998段是以F4主断层为核心的断层密集破碎带及次级断裂影响带。

2.2 F4断层开挖加固方案

F4断层范围每循环帷幕注浆加固长度25m，开挖长度20 m。采用φ108（壁厚6 mm）超前长管棚注浆预支护，管棚纵向长26 m，环向间距20 cm（沿拱顶开挖轮廓线外侧布置，设置拱部180°范围，每循环114根），外插角≥11°。为保证开挖支护安全，拱部120°范围内管棚间辅以φ50（壁厚5 mm）超前小导管注浆加固，小导管长5 m，环向间距20 cm，纵向间距为3 m一环。

F4断层范围围岩级别为Ⅵ级，采用三台阶四步法开挖。初期支护类型采用双层支护，第一层初支为HW175型钢，第二层初支为180格栅钢架。相邻钢架间采用φ22钢筋连接，间距1.0 m，斜向内侧布置，并焊于钢架内翼缘处。

2.3 F4断层洞身开挖施工

F4断层采用三台阶四步法开挖，开挖方式以弱爆破配合人工、机械开挖为主，局部地段辅以控制爆破开挖。三台阶四步法施工工序如图1所示。

图1 三台阶四步法施工工序示意

（1）先行开挖1步，完成后立即施作1步周边的初期支护。成形后立即施作锁脚锚管，设置竖向支撑，喷混凝土至设计厚度。

（2）开挖2步（2步滞后1步约4～6 m），完成后立即施作2步周边的初期支护。2步成形后立即施作锁脚锚管，喷混凝土至设计厚度。2步与1步初期支护钢架连接成整体后根据围岩监控量测结果择机拆除竖向支撑。若下沉总量在设计范围内且下沉趋势稳定可拆除竖向支撑；若下沉量偏大且沉降趋势不稳定则保留竖向支撑并增设临时仰拱。

（3）1步、2步开挖支护20 m后，停止施工，施工第二循环帷幕注浆止浆墙及第二层支护（双层支护的第二层），开展第二循环帷幕注浆工作。

（4）第二循环帷幕注浆完成后，1步、2步继续向前施工，并同时开展3步、4步施工。3步开挖完成后立即施工二次支护。4步施工滞后3步约5～8 m。

（5）4步开挖完成后应立即施工二次支护，及时浇筑仰拱及仰拱填充。

（6）根据监控量测结果分析，待初期支护收敛后，拆除临时支撑，铺设防水板等防排水系统，利用衬砌模板台车一次性浇筑衬砌（拱墙衬砌一次施作）。

3 模型建立及参数确定

3.1 模型建立

综合考虑模型几何条件与实际情况［7］，选取岩鹰鞍隧道F4断层DK87＋900～DK87＋930段作为研究对象。该隧道洞身段处于F4断层段中心位置，节理裂隙发育。隧道开挖后，拱顶围岩稳定性差，易发生掉块、坍塌现象。

通过对隧道内Ⅵ级围岩在采用三台阶法施工时进行数值计算模拟，得到在不同的循环进尺和台阶参数下围岩的位移变形和支护结构的力学特性。

考虑隧道开挖半径的影响范围，隧道模型在宽度方向左右各取4倍隧道洞径，向上取4倍隧道洞径，向下取3倍隧道洞径，隧道埋深取平均值300 m。上部覆土重力通过换算后施加在上部边界，在隧道纵向长度方向取30 m、横向宽度132 m、高度116 m。计算模型采用位移边界条件，底部边界约束竖向位移，左右两端边界约束水平位移，上部边界为自由边界，并施加等效上部土层重度。对结构的监测内容为拱顶竖向位移、拱肩和拱墙水平位移。监测点布置如图2所示。

图2 监测点布置

3.2 力学参数确定

参考相关文献［8］，模拟隧道段埋深H约260 m，洞身直径B为14.66 m，H/B＝17.7＞1.7，属深埋隧道，围岩竖向均布压力q可按式（1）计算：

式中，s为围岩级别，本工程围岩为Ⅵ级，取s＝6；γ为围岩容重（kN/m3），根据地勘资料，取 γ＝20 kN/m3；ω为宽度影响系数，ω＝1＋i（B-5）。其中，i以 B＝5 m为基准，当B＜5 m时，取 i＝0.2；当 B＞5 m时，取i＝0.1。B为隧道宽度（m）。

将以上数据代入公式（1），可以得到上部覆土层等效荷载q＝29.23 MPa。

开挖过程中实施超前加固技术［9］，加固圈半径5 m。模型创建时将隧道区域周边单独分组，在进行开挖前，对前方一定范围内的该组单元提高其力学参数以模拟超前注浆对围岩的影响［10］。

根据地质概况对支护材料进行选取，确定隧道围岩力学参数如表1所示，支护结构参数如表2、表3所示。

表1 围岩物理力学参数

表3 砂浆锚杆物理力学参数

4 数值模拟

4.1 工况划分

现场施工原为三台阶法，后由于地质条件变差而改为三台阶四步法［11］。因此要着重确定上台阶划分后两部分土体开挖的错距，选取开挖进尺与1步土体领先2步土体的长度为两个变量。中台阶长度按照现场取值为4.0 m、下台阶长度取值为8.0 m。将工况划分为两类［12］。

第一类工况：仅改变循环进尺，进尺依次取1.0m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m以及4.0m，各级台阶长度为2.0 m、4.0 m和8.0 m。

第二类工况：仅改变第1步土体领先第2步土体的距离，取值为2.0 m、3.0 m、4.0 m以及5.0 m，循环进尺保持0.5 m。

4.2 计算结果及分析

通过数值模拟，分析开挖过程对围岩的影响，监测内容为隧道中部断面拱顶竖向位移、位移发展速度以及剪应力分布情况。仅改变第1步土体与第2步土体错距对开挖过程中隧道拱顶、拱肩以及拱墙位移变化产生的影响，拱肩和拱墙处的位移均为向内收敛且最终变形量相差不多。由于仅改变上台阶第1步与第2步土体的错距，因此该变量改变对较远处的拱墙最终变形值基本无影响。对于拱顶，随着错距长度增加拱顶最终沉降量增加。对于拱肩和拱墙，其水平位移值随错距增长几乎无改变。各工况下拱肩、拱墙变形曲线在开挖过程中均有一水平“平台”，此“平台”是第一台阶开挖支护完成后，拱肩处位移区域收敛稳定的现象，随着仰拱部分土体开挖，拱肩位移开始快速增大，直到隧道整个断面闭合后总体位移才趋于稳定。但是由于第一台阶开挖支护后的稳定时间不同，造成最终变形量有所不同，但是这种差异维持在4%左右。

仅改变循环进尺长度，对开挖过程中隧道拱顶、拱肩以及拱墙的位移变化影响：当循环进尺增加至2 m以上时，围岩将产生较大的瞬时变形，且在支护后变形收敛过程也较长，虽然最终能使围岩达到稳定，但开挖过程显得极不稳定。这是由于“简支梁效应”的存在，即较长的开挖进尺会导致开挖后暴露的围岩中部产生较大的变形，在支护过程中应当格外注意；有效的措施是减小钢拱架间距或增大钢拱架刚度。

错距与进尺改变对隧道拱顶、拱肩和拱墙最终位移的影响对比：随着进尺（错距）长度增大，拱顶位移增大，且与进尺（错距）呈线性关系。进尺改变对隧道拱顶、拱肩和拱墙最终位移的影响对比：随着进尺（错距）长度增大，拱肩位移与拱墙位移逐渐增大，但进尺和错距变化对围岩变形影响程度有较大不同。

从分析可知，隧道围岩变形对进尺长度值改变最为敏感，而对第1步与第2步错距长度改变较不敏感。对于拱顶，单位进尺长度改变引起的沉降影响是单位错距长度改变引起的沉降量的4.25倍，拱肩部位为3.55倍。由于拱墙部位的变化率较小（约万分之四），可认为进尺（台阶）长度对拱墙影响不大。而对于不同的进尺（错距）情况，变形最为敏感的部位是拱顶，其次是拱肩，最后是拱墙。由此可知，隧道围岩变形大小的主要因素是循环进尺的选取，其对隧道拱顶沉降影响最为显著。在施工过程中应当重点注意，当循环进尺取值较大时，应加强拱顶部位支护力度。

5 结束语

（1）采用三台阶四步法开挖隧道，隧道围岩变形能够得到较好控制，是一种在软弱围岩区段开挖安全性较高的工法。由模拟试验结果可知，随着循环进尺、错距长度增大，隧道拱顶、拱肩、拱墙的位移均增大，且增大趋势基本为线性关系。改变循环进尺引起的单位隧道围岩变形量大于改变错距引起的单位隧道围岩变形量。因此，在施工中为确保开挖安全，应当首先考虑循环进尺取值，而错距可以作为方便施工的主要考虑因素。

（2）随着循环进尺增大，隧道拱顶部分出现“简支梁效应”，即较长的开挖进尺会导致开挖后暴露的围岩中部产生较大的变形，即使最终围岩变形能够趋于稳定，但整个过程显得十分不稳定，开挖不稳定因素增多。在较差围岩条件下开挖时，首先应当考虑较小循环进尺，其次考虑加强开挖段中部的钢支撑强度以及把握支护时机，以抵抗暴露围岩中部的“简支梁效应”。