陳云平

(四川路橋建設(shè)股份有限公司公路隧道分公司， 四川成都 610041)

近年來，隨著我國機(jī)械化水平的提高，隧道施工方法也多樣化發(fā)展。三臺階七步法是一種施工空間大、方便施工、同時安全性較高的方法[1-2]。聞慶權(quán)總結(jié)離石隧道施工的經(jīng)驗，提出了施工方法、施工組織等重要事項[3]。黃大成基于力學(xué)角度和數(shù)值模擬對開挖后支護(hù)內(nèi)力、塑性區(qū)范圍等進(jìn)行分析，并對其穩(wěn)定性進(jìn)行了評價。崔小鵬等在現(xiàn)有三臺階七步法的基礎(chǔ)上，對該工法進(jìn)行了改進(jìn)[5]。馬德林等通過數(shù)值模擬，研究了高地應(yīng)力條件下軟巖隧道用三臺階施工時的沉降等參數(shù)[6]。李志清等通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試研究了三臺階七步法仰拱變形和開挖后洞周輪廓的變化[7]。

本文在前人的基礎(chǔ)上，對三臺階七步法不同的施工安全步距進(jìn)行對比分析，研究了不同施工步距下開挖后圍巖參數(shù)變化。

1 工程概況

該隧道是韶新高速靠近廣東一側(cè)的某隧道，是大斷面雙向六車道隧道，洞徑為17.65 m，左、右洞間距28 m。洞口為IV級軟弱破碎灰?guī)r。

2 數(shù)值模型及參數(shù)選取

2.1 數(shù)值模型的建立

建立數(shù)值模型時，根據(jù)圣維南原理，開挖時離隧道區(qū)域較遠(yuǎn)部分的影響可以忽略不計。因此，模型寬度為131.86 m，高度為75.818 m，因為本次計算的是洞口淺埋段，縱向長度取25 m，埋深取22 m，模型均用實體單元進(jìn)行模擬(圖1、圖2)。

圖1 隧道模型三維視圖

圖2 模型正視圖及局部放大

2.2 模型參數(shù)的選取

圍巖參數(shù)見表1，支結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表1 圍巖參數(shù)

三臺階七步法每次循環(huán)進(jìn)尺1榀鋼拱架，即0.5 m。查閱相關(guān)資料，三臺階七步法安全施工步距為左、右側(cè)臺階錯開2～3 m，為了明確施工步驟的合理步距，分別取進(jìn)尺的整數(shù)倍步距，即2 m、2.5 m進(jìn)行模擬。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 監(jiān)測斷面及監(jiān)測點的選取

為了消除邊界效應(yīng)的影響，監(jiān)測斷面定在隧道縱向長度的中部，即Y=12 m處的位置，選取拱頂、左拱腰、右拱腰、拱頂?shù)?個點作為監(jiān)測對象。具體分布如圖3所示。

圖3 監(jiān)測點布置

3 計算結(jié)果分析

由于左右兩洞對稱，本數(shù)值模擬僅對開挖左洞進(jìn)行分析。

3.1 施工步距為2 m時

由圖4可知，洞周豎向位移大致關(guān)于隧道中線對稱，最大下沉量為12.48 mm，從拱頂?shù)焦凹?、拱腰的過程中，豎向位移逐漸減小，到拱腰處幾乎為零。開挖后未上襯砌前拱底隆起較大，隨著初支和二襯的施作，拱底應(yīng)力調(diào)整，拱底隆起減小到1.8 mm，幾乎可以忽略不計。

圖4 2m步距初期支護(hù)完成后的豎向位移

洞周X方向(水平方向)的位移云圖如圖5所示。拱腰處的的水平位移最大，左拱腰處最大水平位移為1.43 mm，右拱腰處最大水平位移為1.54 mm，由拱腰向上以及向下，水平位移逐漸減小，至拱頂和拱底處幾乎為零。

圖5 2m步距初期支護(hù)完成后的水平位移

由于本次監(jiān)測的斷面在y=12 m處，距離洞口段較近，因此隧道一開挖，馬上就會對y=12 m處的圍巖產(chǎn)生擾動，拱頂下沉量如“墜落式”增加，下沉達(dá)到5 mm。隨著隧道的開挖及初期支護(hù)的施作，拱頂下沉先呈下凸的拋物線形增加，然后又呈上凸的拋物線型增加，最后緩慢增加到大約12 mm。待到施作二襯時，拱頂下沉幾乎已經(jīng)完成，二襯完工后，下沉量大約只增加了0.25 mm。由此可見拱頂下沉基本在初期支護(hù)時期(圖6)。

圖6 2m步距拱頂下沉隨時間的變化關(guān)系

3.2 施工步距為2.5m時

該步距下規(guī)律如前，拱頂下沉量為12.51 mm，拱底隆起減小到1.8 mm，幾乎可以忽略不計(圖7)。

圖7 2.5m步距初期支護(hù)完成后的豎向位移

該步距下規(guī)律如前，拱頂下沉量為12.51 mm，拱底隆起減小到1.8 mm，幾乎可以忽略不計(圖8)。

圖8 2.5m步距初期支護(hù)完成后的水平位移

當(dāng)步距為2.5 m時，拱頂下沉隨施工變化的曲線與步距為2 m時規(guī)律基本相同，只是最終的下沉量有所差別，比步距為2 m時略有增大(圖9)。

圖9 2.5m步距拱頂下沉隨時間的變化關(guān)系

4 結(jié)論和建議

(1)通過數(shù)值模擬，對三臺階七步法步距2 m和2.5 m進(jìn)行研究，步距為2 m時，拱頂最大下沉為12.48 mm，洞周最大水平位移為1.5 mm，而步距為2.5 m時，拱頂最大下沉為12.51 mm，洞周最大水平位移為1.55 mm，在此工程中，建議步距選擇2 m。

(2)通過數(shù)值模擬，對2～3 m安全步距范圍內(nèi)的步距進(jìn)行模擬，證明了安全步距設(shè)置范圍的合理性。

(3)在實際施工中，步距建議可以在安全步距范圍內(nèi)進(jìn)行選取，通過本次數(shù)值模擬可以發(fā)現(xiàn)，在安全步距范圍內(nèi)，不同的布距對隧道開挖造成的影響相差不大，實際中可結(jié)合現(xiàn)場實際進(jìn)行選取。

(4)在實際施工中，隨著開挖要進(jìn)行及時監(jiān)控量測，以便對施工參數(shù)進(jìn)行實時調(diào)整。