隧道开挖不同台阶长度对比分析

王海军

【摘 要】在众多隧道开挖方法中,台阶开挖法在一定时期内仍将是我国隧道施工的主流方法.通过数值模拟的方法,对比分析了不同台阶长度对于隧道的影响.在对比了3种不同的台阶长度方案后,最终确定3种方案中5m台阶长度最符合工程需要.试验结论适用于类似隧道工程,具有一定的实际应用价值. 【期刊名称】《兰州工业学院学报》 【年(卷),期】2016(023)001 【总页数】5页(P67-71)

【关键词】台阶法;对比分析;数值模拟 【作 者】王海军

【作者单位】兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州730070 【正文语种】中 文 【中图分类】U459.1

三台阶七步开挖法采用的是三层短台阶，分步平行开挖并且分步平行施作初期支护[1].这种开挖方法的优点是可以多作业面平行作业以保证施工进度；便于灵活、及时地转换施工工序、便于调整施工方法；适应不同跨度和多种断面形式，初期支护工序操作便捷；在台阶法开挖的基础上，预留核心土，左右错开开挖，利于开挖工作面稳定[2-3].然而由于其采用三层短台阶，会导致上台阶净空较小，不利于现场施工操作，因此有必要针对台阶长度的问题进行探究[4-5].本文结合双丰隧道现场

测试，以提高施工效率为目的，通过增加三台阶长度来达到扩大施工空间，采用数值模拟的方法对比分析，以确定一种最为合理的台阶长度.

滨绥铁路牡丹江至绥芬河段扩能改造工程双丰隧道位于黑龙江省东营县，隧道为双线隧道，总长7 224 m.隧道进出口为第三系砂泥岩地层，顶部为第三系玄武岩地层，隧道处于低山丘陵区，山势起伏、植被茂盛，局部地形平坦，多被辟为耕地.海拔最高为625.98 m，最低440.22 m，最大高差185.76 m，最大埋深140.2 m.

隧道施工方法采用三台阶七部预留核心土方法进行开挖，必要时增设临时仰拱.隧道形状近似马蹄形，地应力场按自重应力场考虑，每个工况侧压力系数为1.三台阶留核心土开挖，上台阶高约3.8 m；中台阶高约2.8 m；下台阶高约3.2 m；仰拱距掌子面25～35 m，二衬距掌子面约40 m，开挖示意图如图1~2 所示.为了探究台阶长度对于整个隧道结构受力、变形的影响，分别设定了台阶长度为5 m，6 m和7 m三种工况进行对比分析.

纵观国内外隧道施工方法，台阶法仍然是最基本、应用最广泛的施工方法之一.Ⅲ～Ⅳ围岩可以采用两台阶法，Ⅴ～Ⅵ围岩则需采用多部开挖或者环形开挖预留核心土法.当拱部围岩条件发生较大变化时，可以适当延长或缩短台阶长度，确保开挖、支护质量及施工安全.但是，究竟台阶长度取多少可以达到最佳效果，这并没有一个明确的答案.

台阶长度长，台阶上下部作业干扰小，具有较大的施工空间和较快的施工速度，施工也较为灵活，能有有效应对各种突发情况.但是，长台阶不利于维持开挖面的稳定，会一定程度上增加施工风险.同时长台阶必定会延迟仰拱闭合时间，延缓支护结构形成有效整体，不利于改善初期支护受力条件.

台阶长度短，有利于维持开挖面的稳定，可以充分利用地层纵向承载能力，有利于仰拱及时闭合，可以使支护结构尽快成环，有利于改善初期支护受力条件，施工风

险相对较低.但是，短台阶会使作业空间小，施工进度慢，施工作业不够灵活，针对不同情况适应力较弱，同时会增大翻渣工作量.

综上所述，长台阶、短台阶各有利弊，且差别较大，合理的台阶长度会对施工产生较大的影响，因此很有必要对此问题进行探究.

本课题模拟为双丰隧道Ⅵ级围岩段，根据现场获取的围岩变形资料及支护参数进行位移反分析，再参考同类泥岩围岩参数，综合分析得出如下表1围岩力学参数. 有限元计算网格如图3所示.沿隧道轴线方向为y轴，x轴在水平面上垂直y轴，z轴为垂直水平面铅直向上，网格在x方向长为100 m，y轴方向长为40 m，z轴方向埋深至地表.共划分单元75 453个，节点28 494个.

结合牡丹江双丰隧道现场施工步骤，根据给定的开挖过程和支护方案，运用大型有限元软件Midas-GTS对台阶长度5 m,6 m,7 m三种工况进行数值模拟，得到以下结果.

结合图4~5及表2所示，最大跨处水平位移随中台阶的开挖保持一定速度的增大；各个断面拱部沉降的规律基本相同，上台阶开挖过程中，拱部沉降保持一定速度增大.三种工况中，随着台阶长度的增大各个部位的位移均呈增大的趋势，分析是由于台阶长度增大，支护结构闭合时间延长引起.

由图6可以看出，三种工况喷射混凝土应力云图分布规律基本一致.5 m台阶长度模型喷射混凝土的应力主要分布在-30.8～6.3 MPa之间；6 m台阶长度模型主要分布在-36.5～6.9 MPa之间；7 m台阶长度模型主要分布在-40.5～7.3 MPa之间.最大压力应分布范围5 m台阶模型最小，7 m最大.因此，随着台阶长度的增大，喷射混凝土的应力大小及分布范围均呈增大的趋势，分析原因可能是由于台阶长度短，初期支护闭合早，初期支护受力均匀.

图7为钢拱架环向应力对比，反映了各断面钢拱架在整个隧道模型支护完毕后的最终环向应力值，图中数据显示，各个断面钢拱架承受环向压力作用.结合图7及

表3，7 m台阶开挖较前两者相比，在最大应力的数值有所增大.这表明在相同的条件下，5 m台阶长度相对于6 m,7 m台阶长度钢拱架受力更小，更有利于控制围岩的受力、变形，更有利于维持整个隧道结构的稳定.从分布范围看，5 m台阶长度较6 m和7 m台阶长度都短，钢拱架的受力更加合理，受力更加趋于均匀，应力集中现象较小，对钢拱架的稳定性更加有利.

由图8及表4可以看出，5 m台阶长度模型，锁角锚管最大压应力95.2 MPa；6 m台阶长度模型最大压应力107.1 MPa；7 m台阶长度模型最大压应力125.4 MPa；从数值可以看出随着台阶长度的增加锁角锚管最大压应力是不断增大的，尽管增幅不是很大.采用三台阶七部开挖法台阶长度为5 m时，锁角锚管应力值均值最小，且较为均匀.

由图9可以看出，三种工况塑性区分布规律基本一致，塑性区最大处和最小处出现的位置基本相同，只是7 m台阶长度模型开挖较前两者相比分布范围所增大.从数值上分析，5 m台阶长度模型，拱腰处塑性区分布最大值为2.69 m；6 m台阶长度模型为3.04 m；7 m台阶长度模型为3.12 m.因此，随着台阶长度的增大，拱腰处塑性区分布最大值不断增大，但增幅不是很大.采用5 m台阶时，塑性区分布最小.这表明在相同的条件下，5 m台阶长度相对于6 m,7 m台阶对围岩的扰动情况最小，即5 m台阶长度更有利于控制围岩的受力、变形，更有利于维持整个隧道结构的稳定.

根据双丰隧道Ⅵ级围岩段实际情况，采用Midas-GTS有限元软件，建立有限元模型，通过对比三台阶七部开挖法三种台阶长度工况的数值模拟结果，得出如下一些结论：

1) 就隧道开挖引起的竖向位移、水平位移以及掌子面纵向位移而言，采用5 m台阶开挖时引起的竖向位移、水平收敛以及掌子面纵向位移要较采用其他工法小，且位移曲线台阶性不明显，位移稳定也很快，支护时便于控制.

2) 从支护结构受力角度来看，采用5 m台阶长度开挖时引起喷射混凝土受力、钢拱架受力、锁角锚杆受力均较小，且分布较均匀，有利于保持支护结构稳定. 3) 从隧道围岩塑性区的分布范围分析，采用5 m台阶长度开挖时引起的塑性区半径最小，也就表明此种工况对围岩的扰动最小，隧道安全可靠度最高.

因此，改变台阶长度变化，隧道开挖对围岩的影响程度及支护结构的受力等有较大的差别，考虑到双丰隧道的实际情况，且埋深较浅，应尽量减小对围岩的扰动，故建议在开挖过程中对围岩进行及时封闭、避免出现超挖、保证初期支护强度和刚度的前提下，尽量减少台阶开挖长度，减小对围岩的扰动次数，并及时施做仰拱，使隧道衬砌形成封闭结构，对隧道围岩起到有效的支护作用，充分发挥围岩的自承能力.故建议采用台阶长度为5 m来进行隧道施工.

【相关文献】

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