台阶法开挖高度对小净距隧道围岩力学特性及稳定性的影响分析

陈文宇，廖建东，高鹏兴，青松勇，陈 行，刘 阳

(1.西南交通大学土木工程学院，四川成都，610031；2.中铁隆工程集团有限公司，四川成都，610045；3.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川成都，610041；4.广安市交通运输局，四川广安，638000)

随着我国交通建设的不断发展，隧道也在向更复杂地层方向发展，其工法也逐渐多种多样。而台阶法是隧道施工中最常见的施工方法之一，但由于台阶法本身容易引起隧道工程出现大面积的塌方，所以说施工期间对隧道围岩变形进行监测是必不可少的[1]。

在近些年间，国内外学者针对各种复杂地层和特殊情况下，采用台阶法对隧道变形和稳定性进行了大量的研究[2-4]。王明胜等[5]是采用有限元数值模拟分析对高地应力大变形隧道采用台阶法开挖过程中的围岩变形规律进行数值模拟分析，并针对其开挖过程中的预留核心土长度对变形的影响进行了探讨；江阿兰等[6]利用有限元软件，建立隧道弹塑性数值模型，研究短台阶法施工过程中地表沉降、拱顶沉降和水平收敛的发展规律，通过和施工实测数据对比，调整施工措施和方法，以确保施工安全性；杨波等[7]采用数值模拟和现场实测对隧道台阶法施工过程进行了分析，获得了隧道围岩变形的规律，为隧道支护与加固提供依据；

针对以上较少考虑施工中台阶高度变化对小净距隧道围岩力学特性和稳定性的影响，以顺河高架南延二期工程地下道路小净距隧道台阶法施工为背景，分别建立不同上台阶高度的模型，对比不同上台阶高度下小净距隧道的塑性区大小、拱顶沉降、变形、竖向和水平位移、掌子面变形等变化规律，得到台阶法施工中合理的开挖台阶高度，并为有关工程施工提供了参考依据。

1 工程概况

顺河高架南延二期工程地下道路位于济南市玉函路，范围从现状玉函立交落地点至七里山路路口以南，全长3.12km，其中地下段2.84km，北端敞口段95m，南端敞口段190m，属长距离地下道路。该地区处于第四系地貌单元属于山前坡洪积群，第四系地层主要为人工填土、坡洪积成因的黄土、黏性土及碎石土。围岩等级为V级，较软岩岩体破碎，围岩自稳定能力差，较硬岩岩体破碎，局部较完整，节理、裂隙发育。选取此地下隧道为研究对象，该隧道为双线隧道，断面为马蹄形，高度7.2m，宽9.15m。隧道四周采用系统锚杆进行加固，交错分布，长为3m，间距为1.5m。隧道距地面为6.81m。

2 计算模型

2.1 模型的建立

采用有限元软件Midas-GTS-NX软件建立了在V级围岩下的小净距隧道的数值模型，该模型长、高、宽分别为57.7m、50m、100m，埋深为50m，两隧道间距12.6m。约束模型左右边界的水平位移以及下边界的竖向位移，上部为自由边界(图1)。

图1 计算网格模型

2.2 计算参数选取

该模型的围岩主要为V级，采用Mohr-Coulomb准则，相关围岩以及初期支护力学参数，根据实际工程中提供的参数如表1所示。初期支护采用C25的钢纤维混凝土，厚25cm;锚杆采用D25注浆锚杆，长3m。

关于初期支护混凝土的计算参数，采用刘阳[8]运用的V级围岩初期支护在考虑钢筋网的条件下，按照提高混凝土一级强度的近似处理方法。在提高一级的混凝土强度达到C25，通过等效法，将钢架的弹性模量折算给喷射混凝土。

表1 相关材料参数

2.3 方案工况设计

为了更好地研究小净距隧道优化台阶高度在施工进程中围岩力学特性和稳定性的变化规律，结合实际的工程以及有关地质水文情况资料，先行开挖左隧道，后开挖右隧道，两隧道掌子面距离为20m，台阶高度的优化方案采用三种工况，分别对应上台阶高度为1.5m，2.5m，3.5m。相关的计算工况如表2所示。

表2 不同上台阶高度工况 m

3 计算结果与分析

3.1 地表沉降分析

图2为两隧道中轴线监测点时程曲线图，从图2中可以看出，不同上台阶高度工况下，监测点的沉降曲线具有相似的规律。随着左隧道的先行开挖，不同上台阶高度下的监测点均出现缓慢的沉降，当左隧道开挖至监测点下部时(20m附近)，沉降较为明显，1.5m工况下，沉降(16m处)从-0.352mm增加到了-0.985mm，增大了180 %，同理，工况2.5m和3.5m下，沉降增加了183 %和270 %。随着隧道的开挖，右隧道到达监测点下部时(40m附近)，沉降进一步增加，工况1.5m、2.5m和3.5m下沉降分别增大了70.7 %、86.9 %和92.1 %。由此可知，随着小净距隧道的开挖，上台阶高度越大，造成的沉降越大，且后行隧道通过时造成的沉降比先行隧道大。

图2 两隧道中轴线监测点时程曲线

3.2 Mises应力分析

图3为隧道围岩Mises应力分布云图，由图3可知，Mises应力主要分布于两隧道围岩四周，应力主要集中出现在两隧道之间的中隔墙的拱腰和拱脚处。从数值大小可知，随着上台阶高度的增大，Mises应力也趋向于增大，但增加幅度不大，从1.5m工况下的362kPa增加到385kPa(2.5m工况下),增加了6.35 %；同理，从2.5m工况下的385kPa增加到388kPa(3.5m工况下)，仅增加0.7 %。说明随着上台阶高度的增大，在一定程度上对隧道围岩的应力分布有一定的影响，因结合具有施工进行考虑选取。

(a)1.5 m

3.3 塑性区

图4为隧道围岩塑性区的分布图，由图4可知，塑性区分布于两隧道四周，且在中隔墙后行隧道(右隧道)拱腰处有最大值。从数值可知，从工况1.5m下的0.026 1增加到0.026 4(工况2.5m)，增加了1.15 %，但从2.5m工况下的0.026 4减小到了0.025 3，减小了4.17 %。塑性区最大值随着台阶高度的增加出现了先增大后减小的趋势，说明选取合理的上台阶高度能有效地减小隧道围岩的塑性区大小，这对实际施工具有一定的参考价值。

4 结论

以顺河高架南延二期工程地下道路施工为研究背景，分析了在不同上台阶高度下隧道围岩的力学特性和稳定性，得出以下结论：

(1)随着小净距隧道的开挖，上台阶高度越大，造成的沉降越大，且后行隧道通过时造成的沉降比先行隧道大。

(2)随着上台阶高度的增大，Mises应力也趋向于增大，但增加幅度不大，说明随着上台阶高度的增大，在一定程度上对隧道围岩的应力分布有一定的影响，应结合具体施工进行考虑选取。

(3)塑性区最大值随着台阶高度的增加出现了先增大后减小的趋势，说明选取合理的上台阶高度能有效的减小隧 道围岩的塑性区大小。

(a)1.5 m