三臺(tái)階四步法開(kāi)挖隧道圍巖變形特征分析

張旭輝

（中鐵二十局集團(tuán)有限公司 陜西西安 710016）

1 引言

當(dāng)前，山嶺隧道施工方法有TBM掘進(jìn)機(jī)法和礦山法。采用TBM掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖時(shí)，對(duì)地質(zhì)條件要求低，施工速度快、安全性高，但是設(shè)備運(yùn)輸困難且成本極高［1］。因此，對(duì)一般大型山嶺隧道開(kāi)挖，通常采用傳統(tǒng)的礦山法進(jìn)行施工。根據(jù)開(kāi)挖斷面形式和支護(hù)形式，又可分為全斷面法［2］、臺(tái)階法［3］、CD法［4］、CRD法［5］和側(cè)壁導(dǎo)坑法［6］等。其中臺(tái)階法最為常見(jiàn)，對(duì)于軟弱圍巖地層施工常采用三臺(tái)階四步法。本文將以巖鷹鞍隧道F4斷層施工為例，結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬，探討在不同參數(shù)條件下，使用三臺(tái)階四步法施工對(duì)隧道圍巖的影響。

2 工程概況

2.1 F4斷層性質(zhì)與規(guī)模

F4斷層為碎屑巖陡傾逆斷層，產(chǎn)狀傾向大里程，傾角約78°，斷層帶與線(xiàn)路夾角為51°～64°。F4主斷層破碎帶隧道洞身里程在DK87＋900～DK87＋930段，破碎帶主要成分為全風(fēng)化石英砂巖（巖芯呈砂土狀）夾強(qiáng)～弱風(fēng)化石英砂巖（碎塊狀），為砂石混雜狀態(tài)。受F4主斷層影響，斷層上盤(pán)DK87＋930～DK87＋998段巖體破碎、富水；斷層下盤(pán)DK87＋650～DK87＋930段巖體較破碎、含水。根據(jù)物探結(jié)果，下盤(pán)工程地質(zhì)條件略好于上盤(pán)。

綜合判定，隧道洞身DK87＋650～DK87＋998段是以F4主斷層為核心的斷層密集破碎帶及次級(jí)斷裂影響帶。

2.2 F4斷層開(kāi)挖加固方案

F4斷層范圍每循環(huán)帷幕注漿加固長(zhǎng)度25m，開(kāi)挖長(zhǎng)度20 m。采用φ108（壁厚6 mm）超前長(zhǎng)管棚注漿預(yù)支護(hù)，管棚縱向長(zhǎng)26 m，環(huán)向間距20 cm（沿拱頂開(kāi)挖輪廓線(xiàn)外側(cè)布置，設(shè)置拱部180°范圍，每循環(huán)114根），外插角≥11°。為保證開(kāi)挖支護(hù)安全，拱部120°范圍內(nèi)管棚間輔以φ50（壁厚5 mm）超前小導(dǎo)管注漿加固，小導(dǎo)管長(zhǎng)5 m，環(huán)向間距20 cm，縱向間距為3 m一環(huán)。

F4斷層范圍圍巖級(jí)別為Ⅵ級(jí)，采用三臺(tái)階四步法開(kāi)挖。初期支護(hù)類(lèi)型采用雙層支護(hù)，第一層初支為HW175型鋼，第二層初支為180格柵鋼架。相鄰鋼架間采用φ22鋼筋連接，間距1.0 m，斜向內(nèi)側(cè)布置，并焊于鋼架內(nèi)翼緣處。

2.3 F4斷層洞身開(kāi)挖施工

F4斷層采用三臺(tái)階四步法開(kāi)挖，開(kāi)挖方式以弱爆破配合人工、機(jī)械開(kāi)挖為主，局部地段輔以控制爆破開(kāi)挖。三臺(tái)階四步法施工工序如圖1所示。

圖1 三臺(tái)階四步法施工工序示意

（1）先行開(kāi)挖1步，完成后立即施作1步周邊的初期支護(hù)。成形后立即施作鎖腳錨管，設(shè)置豎向支撐，噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

（2）開(kāi)挖2步（2步滯后1步約4～6 m），完成后立即施作2步周邊的初期支護(hù)。2步成形后立即施作鎖腳錨管，噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。2步與1步初期支護(hù)鋼架連接成整體后根據(jù)圍巖監(jiān)控量測(cè)結(jié)果擇機(jī)拆除豎向支撐。若下沉總量在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)且下沉趨勢(shì)穩(wěn)定可拆除豎向支撐；若下沉量偏大且沉降趨勢(shì)不穩(wěn)定則保留豎向支撐并增設(shè)臨時(shí)仰拱。

（3）1步、2步開(kāi)挖支護(hù)20 m后，停止施工，施工第二循環(huán)帷幕注漿止?jié){墻及第二層支護(hù)（雙層支護(hù)的第二層），開(kāi)展第二循環(huán)帷幕注漿工作。

（4）第二循環(huán)帷幕注漿完成后，1步、2步繼續(xù)向前施工，并同時(shí)開(kāi)展3步、4步施工。3步開(kāi)挖完成后立即施工二次支護(hù)。4步施工滯后3步約5～8 m。

（5）4步開(kāi)挖完成后應(yīng)立即施工二次支護(hù)，及時(shí)澆筑仰拱及仰拱填充。

（6）根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果分析，待初期支護(hù)收斂后，拆除臨時(shí)支撐，鋪設(shè)防水板等防排水系統(tǒng)，利用襯砌模板臺(tái)車(chē)一次性澆筑襯砌（拱墻襯砌一次施作）。

3 模型建立及參數(shù)確定

3.1 模型建立

綜合考慮模型幾何條件與實(shí)際情況［7］，選取巖鷹鞍隧道F4斷層DK87＋900～DK87＋930段作為研究對(duì)象。該隧道洞身段處于F4斷層段中心位置，節(jié)理裂隙發(fā)育。隧道開(kāi)挖后，拱頂圍巖穩(wěn)定性差，易發(fā)生掉塊、坍塌現(xiàn)象。

通過(guò)對(duì)隧道內(nèi)Ⅵ級(jí)圍巖在采用三臺(tái)階法施工時(shí)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模擬，得到在不同的循環(huán)進(jìn)尺和臺(tái)階參數(shù)下圍巖的位移變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。

考慮隧道開(kāi)挖半徑的影響范圍，隧道模型在寬度方向左右各取4倍隧道洞徑，向上取4倍隧道洞徑，向下取3倍隧道洞徑，隧道埋深取平均值300 m。上部覆土重力通過(guò)換算后施加在上部邊界，在隧道縱向長(zhǎng)度方向取30 m、橫向?qū)挾?32 m、高度116 m。計(jì)算模型采用位移邊界條件，底部邊界約束豎向位移，左右兩端邊界約束水平位移，上部邊界為自由邊界，并施加等效上部土層重度。對(duì)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容為拱頂豎向位移、拱肩和拱墻水平位移。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3.2 力學(xué)參數(shù)確定

參考相關(guān)文獻(xiàn)［8］，模擬隧道段埋深H約260 m，洞身直徑B為14.66 m，H/B＝17.7＞1.7，屬深埋隧道，圍巖豎向均布?jí)毫可按式（1）計(jì)算：

式中，s為圍巖級(jí)別，本工程圍巖為Ⅵ級(jí)，取s＝6；γ為圍巖容重（kN/m3），根據(jù)地勘資料，取 γ＝20 kN/m3；ω為寬度影響系數(shù)，ω＝1＋i（B-5）。其中，i以 B＝5 m為基準(zhǔn)，當(dāng)B＜5 m時(shí)，取 i＝0.2；當(dāng) B＞5 m時(shí)，取i＝0.1。B為隧道寬度（m）。

將以上數(shù)據(jù)代入公式（1），可以得到上部覆土層等效荷載q＝29.23 MPa。

開(kāi)挖過(guò)程中實(shí)施超前加固技術(shù)［9］，加固圈半徑5 m。模型創(chuàng)建時(shí)將隧道區(qū)域周邊單獨(dú)分組，在進(jìn)行開(kāi)挖前，對(duì)前方一定范圍內(nèi)的該組單元提高其力學(xué)參數(shù)以模擬超前注漿對(duì)圍巖的影響［10］。

根據(jù)地質(zhì)概況對(duì)支護(hù)材料進(jìn)行選取，確定隧道圍巖力學(xué)參數(shù)如表1所示，支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2、表3所示。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

表3 砂漿錨桿物理力學(xué)參數(shù)

4 數(shù)值模擬

4.1 工況劃分

現(xiàn)場(chǎng)施工原為三臺(tái)階法，后由于地質(zhì)條件變差而改為三臺(tái)階四步法［11］。因此要著重確定上臺(tái)階劃分后兩部分土體開(kāi)挖的錯(cuò)距，選取開(kāi)挖進(jìn)尺與1步土體領(lǐng)先2步土體的長(zhǎng)度為兩個(gè)變量。中臺(tái)階長(zhǎng)度按照現(xiàn)場(chǎng)取值為4.0 m、下臺(tái)階長(zhǎng)度取值為8.0 m。將工況劃分為兩類(lèi)［12］。

第一類(lèi)工況：僅改變循環(huán)進(jìn)尺，進(jìn)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，各級(jí)臺(tái)階長(zhǎng)度為2.0 m、4.0 m和8.0 m。

第二類(lèi)工況：僅改變第1步土體領(lǐng)先第2步土體的距離，取值為2.0 m、3.0 m、4.0 m以及5.0 m，循環(huán)進(jìn)尺保持0.5 m。

4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

通過(guò)數(shù)值模擬，分析開(kāi)挖過(guò)程對(duì)圍巖的影響，監(jiān)測(cè)內(nèi)容為隧道中部斷面拱頂豎向位移、位移發(fā)展速度以及剪應(yīng)力分布情況。僅改變第1步土體與第2步土體錯(cuò)距對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中隧道拱頂、拱肩以及拱墻位移變化產(chǎn)生的影響，拱肩和拱墻處的位移均為向內(nèi)收斂且最終變形量相差不多。由于僅改變上臺(tái)階第1步與第2步土體的錯(cuò)距，因此該變量改變對(duì)較遠(yuǎn)處的拱墻最終變形值基本無(wú)影響。對(duì)于拱頂，隨著錯(cuò)距長(zhǎng)度增加拱頂最終沉降量增加。對(duì)于拱肩和拱墻，其水平位移值隨錯(cuò)距增長(zhǎng)幾乎無(wú)改變。各工況下拱肩、拱墻變形曲線(xiàn)在開(kāi)挖過(guò)程中均有一水平“平臺(tái)”，此“平臺(tái)”是第一臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)完成后，拱肩處位移區(qū)域收斂穩(wěn)定的現(xiàn)象，隨著仰拱部分土體開(kāi)挖，拱肩位移開(kāi)始快速增大，直到隧道整個(gè)斷面閉合后總體位移才趨于穩(wěn)定。但是由于第一臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)后的穩(wěn)定時(shí)間不同，造成最終變形量有所不同，但是這種差異維持在4%左右。

僅改變循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度，對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中隧道拱頂、拱肩以及拱墻的位移變化影響：當(dāng)循環(huán)進(jìn)尺增加至2 m以上時(shí)，圍巖將產(chǎn)生較大的瞬時(shí)變形，且在支護(hù)后變形收斂過(guò)程也較長(zhǎng)，雖然最終能使圍巖達(dá)到穩(wěn)定，但開(kāi)挖過(guò)程顯得極不穩(wěn)定。這是由于“簡(jiǎn)支梁效應(yīng)”的存在，即較長(zhǎng)的開(kāi)挖進(jìn)尺會(huì)導(dǎo)致開(kāi)挖后暴露的圍巖中部產(chǎn)生較大的變形，在支護(hù)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)格外注意；有效的措施是減小鋼拱架間距或增大鋼拱架剛度。

錯(cuò)距與進(jìn)尺改變對(duì)隧道拱頂、拱肩和拱墻最終位移的影響對(duì)比：隨著進(jìn)尺（錯(cuò)距）長(zhǎng)度增大，拱頂位移增大，且與進(jìn)尺（錯(cuò)距）呈線(xiàn)性關(guān)系。進(jìn)尺改變對(duì)隧道拱頂、拱肩和拱墻最終位移的影響對(duì)比：隨著進(jìn)尺（錯(cuò)距）長(zhǎng)度增大，拱肩位移與拱墻位移逐漸增大，但進(jìn)尺和錯(cuò)距變化對(duì)圍巖變形影響程度有較大不同。

從分析可知，隧道圍巖變形對(duì)進(jìn)尺長(zhǎng)度值改變最為敏感，而對(duì)第1步與第2步錯(cuò)距長(zhǎng)度改變較不敏感。對(duì)于拱頂，單位進(jìn)尺長(zhǎng)度改變引起的沉降影響是單位錯(cuò)距長(zhǎng)度改變引起的沉降量的4.25倍，拱肩部位為3.55倍。由于拱墻部位的變化率較小（約萬(wàn)分之四），可認(rèn)為進(jìn)尺（臺(tái)階）長(zhǎng)度對(duì)拱墻影響不大。而對(duì)于不同的進(jìn)尺（錯(cuò)距）情況，變形最為敏感的部位是拱頂，其次是拱肩，最后是拱墻。由此可知，隧道圍巖變形大小的主要因素是循環(huán)進(jìn)尺的選取，其對(duì)隧道拱頂沉降影響最為顯著。在施工過(guò)程中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)注意，當(dāng)循環(huán)進(jìn)尺取值較大時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)拱頂部位支護(hù)力度。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）采用三臺(tái)階四步法開(kāi)挖隧道，隧道圍巖變形能夠得到較好控制，是一種在軟弱圍巖區(qū)段開(kāi)挖安全性較高的工法。由模擬試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著循環(huán)進(jìn)尺、錯(cuò)距長(zhǎng)度增大，隧道拱頂、拱肩、拱墻的位移均增大，且增大趨勢(shì)基本為線(xiàn)性關(guān)系。改變循環(huán)進(jìn)尺引起的單位隧道圍巖變形量大于改變錯(cuò)距引起的單位隧道圍巖變形量。因此，在施工中為確保開(kāi)挖安全，應(yīng)當(dāng)首先考慮循環(huán)進(jìn)尺取值，而錯(cuò)距可以作為方便施工的主要考慮因素。

（2）隨著循環(huán)進(jìn)尺增大，隧道拱頂部分出現(xiàn)“簡(jiǎn)支梁效應(yīng)”，即較長(zhǎng)的開(kāi)挖進(jìn)尺會(huì)導(dǎo)致開(kāi)挖后暴露的圍巖中部產(chǎn)生較大的變形，即使最終圍巖變形能夠趨于穩(wěn)定，但整個(gè)過(guò)程顯得十分不穩(wěn)定，開(kāi)挖不穩(wěn)定因素增多。在較差圍巖條件下開(kāi)挖時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)考慮較小循環(huán)進(jìn)尺，其次考慮加強(qiáng)開(kāi)挖段中部的鋼支撐強(qiáng)度以及把握支護(hù)時(shí)機(jī)，以抵抗暴露圍巖中部的“簡(jiǎn)支梁效應(yīng)”。