软弱围岩大跨度隧道三台阶七步法施工可行性分析

张君宝

(华北理工大学 矿业工程学院 唐山市 063210)

0 引言

单洞两车道隧道已经不能解决现在的交通拥堵问题，人们对单洞三车道、四车道超大断面隧道的需求在日益增加[1]。在隧道开挖过程中，开挖工法的选择对隧道围岩造成的扰动影响占有很大比重，目前用于研究围岩稳定性的方法有理论分析、工程类比和数值模拟等，其中数值模拟分析法是最适合研究隧道围岩稳定性的方法。

对国内大断面软弱围岩隧道工程的开挖工法进行了一系列调查分析：沙鹏等[2]在兰渝铁路木寨岭隧道段对上下台阶预留核心土法和三台阶七步法进行了对比研究，发现三台阶七步法更为适用；李鸿博等[3]根据数值模拟及现场检测，认为在兰新铁路的大梁隧道部分宜使用三台阶七步法施工；张德华等[4]依托实地工程，利用FLAC3D建立隧道三维数值模型，对不同开挖工法在深埋超大断面隧道的开挖过程中围岩扰动的情况进行研究；管新邦[5]、孟陆波等[6]利用FLAC3D软件对台阶法、CD法和CRD法3种施工工法进行对比分析，得出在相同的支护条件下，CD法施工相较于台阶法和CRD法，对围岩的扰动影响较小。杜守继等[7-8]也在Flac3D软件中对隧道施工工法以及围岩变形支护进行数值模拟研究，由此可以看出FLAC3D在模拟隧道施工及支护方面具有很强的适用性。

以往学者对软弱围岩超大断面隧道围岩施工工法进行有限元模拟研究时，隧道模型粗糙；同时也没有考虑对周边隧道的影响，使得模拟结果与现场监测数据有一定差距。因此为使数值模拟结果更接近实际工程，选择建模软件Rhino6与有限元软件相结合的方法，通过实地勘察及测井资料划分地层，建立极为细致的隧道模型，并通过对比分析侨城东路隧道及其相邻隧道的位移、应力场分布特征，探究三台阶七步施工工法应用于侨城东路北延通道工程的可能性。

1 工程概况

侨城东路隧道北接龙澜大道-福龙路立交，西南下穿羊台山，与深圳宝鹏通道、沙河东路北延道路相衔接与北环大道衔接，穿安托山片区，并沿现状侨城东路新建地下复合隧道，止于滨海大道，隧道长度约为13.845km，如图1所示。

2 工程钻探取样与地层岩性分析

2.1 工程钻探取样

图1 侨城东路-宝鹏通道立交处隧道工程概况

本次钻探采用 XY-1 型钻机，钻孔所得样品见图2。重型动力触探适用于粗粒土体及全风化、强风化岩层，划分不同性质的土层及确定土的物理力学性质，见图3。

图2 隧道钻孔及样品整理

图3 重型动力触探试验

2.2 地层岩性分析

依据原位钻探以及重型动力触探试验所得结果揭露地层，从上到下以此为：素填土，块状强风化、全风化、中风化及微风化花岗岩五个带。

2.3 室内物理力学试验

通过现场原位钻探取得了每个地层的岩石样品，将其分组进行岩石物理力学试验。在经过折减后的岩体物理参数见表1。

表1 岩体物理参数

3 计算模型

3.1 隧道及初支数值模型构建

模型根据侨城东路隧道标准段K3+355～K3+435段实际地质条件进行建模处理。为保证数值模拟结果精确，建立140×120×40的隧道模型，开挖跨度达20.97m，高约10m，隧道横向方向左右各留60m(3倍洞泾，消除边界影响)，底部留40m(2倍洞泾，消除边界影响)，拱顶至地表，隧道纵向长度取40m，整体进行网格加密，总共计336000个单元。该隧道结构断面图及围岩初支如图4、图5所示，隧道开挖顺序如图6所示。

①-素填土；②-块状强风化中粒花岗岩；③-全风化中粒花岗岩；④-中风化中粒花岗岩；⑤-中风化中粒花岗岩；⑥-东线隧道；⑦-西线隧道；⑧-宝鹏隧道支线(已运行)图4 隧道结构模型

图5 支护方案及数值计算模型 注：1.初支方案：初喷+钢拱架+10m长锚索+5m短锚索+排距1m2.喷射C35混凝土参数：厚度150mm，弹性模量25GPa，泊松比0.2，粘聚2.5MPa，内摩擦角52°。

图6 隧道开挖顺序

3.2 数值模拟结果分析

首先对宝鹏开挖、支护模拟计算后，清空位移与应力。然后进行侨城东路东线标准段三台阶七步法施工模拟，结果见图7。

图7 隧道围岩位移场云图(单位： m)

由隧道围岩垂直位移云图及位移监测曲线可知，东线隧道顶部垂直位移大于底部垂直位移，在隧道顶部形成了冒落拱。顶部最大变形量达0.40m，隧道底部位移仅次于顶部，达0.36m。而宝鹏隧道在东线隧道施工时受到影响较小，变形多集中在隧道顶部，在0.05m到0.1m间。从隧道围岩水平位移云图来看，东线隧道左右两侧横向变形大致呈对称分布，右侧变形略小于左侧，而宝鹏隧道水平方向上基本没有受到影响。

图8 隧道围岩垂直方向应力云图(单位：MPa)

根据隧道围岩垂直方向应力云图(图8)可知，在东线隧道的拱顶、拱底和拱腰处都出现了应力集中现象。可见即使在浅埋的情况下，隧道顶底部和拱腰位置也都出现了拉应力，其中最大拉应力都集中在隧道的拱腰处，顶底部的拉应力小于两侧，应力云图整体沿隧道中线呈现对称分布。宝鹏隧道受到影响很小，仅在隧道的拱顶和拱底出现到了应力集中现象。

4 结论

根据对侨城东路隧道标准段开挖过程中围岩的位移、应力的分布规律进行分析得出：

(1)在施工时侨城东路东线隧道标准段围岩位移表现为拱顶下沉,拱底隆起,两侧向隧道内挤入。隧道顶部﹑底部和两侧是应力集中的主要部位﹐需要采取加强支护，同时施工时也要注意下方宝鹏隧道支线的拱顶以及拱底变形情况。

(2)侨城东路东线隧道在三台阶七步法施工时，因为开挖距离短，高度低，且支护初期支护工序操作便捷，因此对围岩的扰动较小；下方隧道在良好的支护措施下受到的影响较小。说明三台阶七步法在侨城东路北延通道工程中是可行的。