隧道臺(tái)階法開挖進(jìn)尺及臺(tái)階長(zhǎng)度優(yōu)化分析

李 超

（中鐵十二局集團(tuán)第七工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

臺(tái)階法是隧道工程常用的開挖方法之一，具有開挖效率高、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于Ⅳ級(jí)及以上等級(jí)圍巖區(qū)域隧道修建。隨著工程機(jī)械及施工標(biāo)準(zhǔn)的不斷更新，采用臺(tái)階法施工時(shí)根據(jù)具體的工程特點(diǎn)，確定最合理的開挖進(jìn)尺及臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)工程施工具有重要的指導(dǎo)意義。

李釗等[1]采用三維有限元計(jì)算模型分析了開挖進(jìn)尺和臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定影響；武建林等[2]利用數(shù)值計(jì)算軟件構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型，研究對(duì)比了微臺(tái)階法和短臺(tái)階法隧道開挖引起的圍巖位移和應(yīng)力變化情況；李建宇等[3]采用數(shù)值模擬的方法，研究了開挖錯(cuò)距和臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)拱頂沉降和拱腳水平收斂的影響；王海軍[4]通過數(shù)值模擬的方法，對(duì)比分析了不同臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)于隧道的影響；袁金秀[5]利用FLAC3D 有限差分軟件對(duì)不同臺(tái)階長(zhǎng)度和核心土長(zhǎng)度進(jìn)行分析。綜上所述，針對(duì)不同的隧道工程，確定合理的臺(tái)階長(zhǎng)度和開挖進(jìn)尺是有必要的。

本文以徐州市城市軌道交通2 號(hào)線中心醫(yī)院站-淮塔東路站區(qū)間為依托，針對(duì)臺(tái)階法開挖的Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)域，采用大型有限差分軟件FLAC3D 構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)比分析不同開挖進(jìn)尺和臺(tái)階長(zhǎng)度工況下的初期支護(hù)拱頂沉降曲線及水平收斂曲線，優(yōu)選出合理的臺(tái)階法施工參數(shù)，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供相應(yīng)指導(dǎo)。

1 項(xiàng)目背景

1.1 工程概況

徐州市城市軌道交通2 號(hào)線一期工程線路全長(zhǎng)約23.9 km，設(shè)站20 座，平均站間距1.30 km，全部為地下站，換乘站6 座。其中06 標(biāo)段起止里程：右K10+194.386～右K11+522.582，全長(zhǎng)約1 328 m，包括2 站1 區(qū)間，分別為：中心醫(yī)院站，淮塔東路站，中心醫(yī)院站-淮塔東路站區(qū)間。中心醫(yī)院站-淮塔東路站區(qū)間起止里程為右K10+431.587～右K11+354.059，區(qū)間全長(zhǎng)約922 m。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

據(jù)勘察報(bào)告顯示，本工程沿線除填土外，發(fā)育有第四系上更新統(tǒng)地層，自上而下可分為2 個(gè)工程地質(zhì)單元層，下伏基巖為寒武系灰?guī)r、泥灰?guī)r，場(chǎng)地內(nèi)各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及引用資料顯示，場(chǎng)地水文地質(zhì)條件復(fù)雜。地下水類型分為填土中的潛水（局部為上層滯水）和巖溶裂隙水。潛水主要受大氣降水、居民生活用水排放及大氣降水補(bǔ)給，水位動(dòng)態(tài)變化較大，水量較小。因此在數(shù)值模擬計(jì)算中可以忽略水力滲透的作用。

1.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

全區(qū)間段采用臺(tái)階法施工，區(qū)間隧道埋深9.3 m～24.8 m，區(qū)間隧道主要穿越中風(fēng)化灰?guī)r層，局部地段穿越硬塑黏土層，正洞隧道斷面采用單洞單線標(biāo)準(zhǔn)斷面和單洞雙線大斷面馬蹄形復(fù)合式支護(hù)。

根據(jù)圍巖級(jí)別分類，本區(qū)間線隧道敷設(shè)區(qū)域地層圍巖以Ⅳ級(jí)圍巖為主，因此本研究主要分析Ⅳ級(jí)圍巖段開挖工法的優(yōu)化方案。其中支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)置為復(fù)合式組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，包括格柵鋼架（縱向間距為1.2 m），組合中空錨桿（拱部180°布置，環(huán)縱向間距1.2 m×2.4 m，長(zhǎng)度2 m）,C25 強(qiáng)度噴射早強(qiáng)混凝土，防水層及C35 等級(jí)模筑鋼筋混凝土。

2 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)計(jì)方案及地質(zhì)情況，數(shù)值計(jì)算模型取值為：區(qū)間隧道埋深為15 m，上覆土層厚度分別為1.5 m（雜填土），6.5 m（黏土）。由于本工程為城市軌道工程，且區(qū)間線沿著城市主干道敷設(shè)，兩側(cè)建構(gòu)筑物分布密集，因此擬定采用超短臺(tái)階法施工。超短臺(tái)階法施工時(shí)，上下臺(tái)階距離應(yīng)小于隧道最大內(nèi)徑。采用超短臺(tái)階法施工更有利于控制隧道初期支護(hù)收斂變形量及周邊變形。

2.1 模型尺寸及邊界

所研究隧道斷面最大尺寸為5.3 m×7.16 m，對(duì)于隧道工程及相關(guān)地下開挖工程，開挖影響的范圍一般為洞室寬度的3 倍～5 倍，因此在建立數(shù)值模型時(shí)水平方向的長(zhǎng)度取36 m，沿隧道開挖方向取50 m，豎直方向取32 m。支護(hù)分為錨桿、格柵鋼架及初期支護(hù)，其中錨桿長(zhǎng)度為2.5 m，間距為1.2 m×2.4 m（環(huán)向×縱向），格柵鋼架的縱向間距為1.2 m，上臺(tái)階高度為3.0 m，構(gòu)建的數(shù)值計(jì)算模型如圖1 所示。

圖1 隧道模型圖

數(shù)值計(jì)算模型對(duì)應(yīng)的邊界條件為：上表面為自由表面，模擬地表情況；左右邊界約束其法向位移，模型前后表面同樣為法向約束，底部邊界為固定約束，即不考慮模型尺寸范圍外土體對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

2.2 材料參數(shù)

數(shù)值計(jì)算模型中共包括4 種材料，分別為土體、初期支護(hù)、中空錨桿及格柵鋼架。其中土體材料采用理想塑性材料，服從Mohr-coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則，初期支護(hù)采用線彈性體材料，中空錨桿采用軟件自帶的cable 單元，格柵鋼架采用軟件自帶的beam 單元，均符合線彈性本構(gòu)。其中土層參數(shù)依據(jù)表1 中參數(shù)確定，其他材料參數(shù)見表2。

表2 模型材料參數(shù)

2.3 計(jì)算步序

研究針對(duì)開挖進(jìn)尺和臺(tái)階長(zhǎng)度2 個(gè)參數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)施工要求，開挖采用超短臺(tái)階法，為了確定最優(yōu)的開挖進(jìn)尺和臺(tái)階長(zhǎng)度，分別擬定了5 種開挖進(jìn)尺和5 種臺(tái)階長(zhǎng)度，共9 種計(jì)算工況，見表3。

表3 開挖計(jì)算工況

數(shù)值模擬計(jì)算步驟描述如下。

第一步：賦予對(duì)應(yīng)深度位置土體相應(yīng)參數(shù)，進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡分析步。

第二步：將第一步中的位移長(zhǎng)歸零，按照開挖進(jìn)尺逐步移除上臺(tái)階土體及下臺(tái)階土體，同時(shí)激活相應(yīng)位置的錨桿、格柵鋼拱架及初期支護(hù)單元，掌子面開挖至30 m 處停止開挖。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 拱頂最大沉降

不同工況下的拱頂變形曲線見圖2。由圖2 可得以下結(jié)論。

圖2 不同工況拱頂沉降曲線

1）拱頂沉降曲線呈“S”型，在掌子面位置拱頂?shù)某两盗枯^小，而在掌子面后方0～10 m 范圍內(nèi)拱頂沉降變形激增，這是由于開挖引起圍巖卸載后圍巖壓力作用在初期支護(hù)上所導(dǎo)致的，同時(shí)掌子面附近初期支護(hù)環(huán)尚未閉合，因此掌子面附近的初期支護(hù)環(huán)拱頂位置沉降值變化量劇增，超過1 倍洞徑后，拱頂沉降曲線趨于穩(wěn)定,初期支護(hù)拱頂為沉降變形，拱底為隆起變形。

2）開挖進(jìn)尺為0.4 m，0.6 m，0.8 m，1.0 m，1.2 m 時(shí)，拱頂最大沉降值分別為4.43 mm，4.48 mm，4.57 mm，4.80 mm，5.12 mm，拱頂?shù)淖畲蟪两抵惦S著開挖進(jìn)尺的減小而減小，但開挖進(jìn)尺的減小會(huì)造成開挖效率的降低，可以看到在開挖進(jìn)尺＜0.8 m后，拱頂最大沉降量的增加速率逐漸減小，而開挖進(jìn)尺＞0.8 m 后，拱頂最大沉降量的增加速率顯著提升。

3）臺(tái)階長(zhǎng)度為2 m，4 m，6 m，8 m，10 m 時(shí)，拱頂?shù)淖畲蟪两抵捣謩e為4.11 mm，4.39 mm，4.57 mm，5.26 mm，5.72 mm，拱頂最大沉降值隨著臺(tái)階長(zhǎng)度的增加而增加，特別是當(dāng)臺(tái)階長(zhǎng)度≥6 m 時(shí)，拱頂最大沉降值的增加量顯著提升。相比開挖進(jìn)尺，拱頂最大沉降量受臺(tái)階長(zhǎng)度的影響更大。

3.2 最大水平收斂

圖3 為不同工況下初期支護(hù)的最大水平收斂曲線，初期支護(hù)水平變形收斂曲線與拱頂沉降分布規(guī)律一致，呈“S”型曲線分布，在掌子面后方10 m～15 m 范圍內(nèi)水平收斂值才顯著增加，下臺(tái)階土體未開挖是導(dǎo)致掌子面附近初期支護(hù)水平收斂值較小的原因。

圖3 不同工況下水平收斂曲線

初期支護(hù)收斂為水平對(duì)稱分布，與拱頂沉降不同的是初期支護(hù)水平收斂值在掌子面附近的變化較小，而在前序開挖部位的初期支護(hù)水平收斂值較大，在掌子面附近，由于下臺(tái)階位置附近的土體還未開挖，仍有抵抗圍巖水平收斂的作用，而在前序開挖位置，全部土體被開挖，初期支護(hù)承擔(dān)圍巖壓力，因此前序開挖位置的初期支護(hù)水平收斂明顯。初期支護(hù)水平收斂值隨著開挖進(jìn)尺及臺(tái)階長(zhǎng)度的增加而增加，對(duì)比不同工況曲線可以看到，開挖進(jìn)尺及臺(tái)階長(zhǎng)度分別為0.8 m 和6 m 時(shí)，襯砌水平的收斂值較小，開挖進(jìn)尺≥0.8 m 或臺(tái)階長(zhǎng)度≥6 m時(shí)，都將導(dǎo)致初期支護(hù)的水平收斂值顯著增加，而低于這個(gè)工況，開挖效率及工程機(jī)械的施工空間都將受到限制。

4 結(jié)論

本研究采用FLAC3D 模擬超短臺(tái)階法開挖施工，分析了不同開挖進(jìn)尺和臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)初期支護(hù)拱頂沉降、水平收斂、格柵鋼架軸力及地表沉降的影響，分析得出如下結(jié)果。

1）拱頂沉降最大沉降值、水平收斂值及地表沉降值均隨著開挖進(jìn)尺及臺(tái)階長(zhǎng)度的減小而減小。

2）拱頂沉降曲線及初期支護(hù)水平收斂曲線呈“S”型分布，拱頂沉降迅速變化區(qū)域位于掌子面后方1 倍洞徑范圍內(nèi)，由于下臺(tái)階土體未被開挖，初期支護(hù)水平收斂曲線迅速變化位置位于掌子面后方10 m～15 m。

3）本工程背景下最合理的開挖進(jìn)尺及臺(tái)階長(zhǎng)度分別為0.8 m 和6 m，此狀態(tài)下控制效果最佳且滿足工程機(jī)械的施工空間要求。