三台阶七步法不同施工步距浅析

陈云平

(四川路桥建设股份有限公司公路隧道分公司， 四川成都 610041)

近年来，随着我国机械化水平的提高，隧道施工方法也多样化发展。三台阶七步法是一种施工空间大、方便施工、同时安全性较高的方法[1-2]。闻庆权总结离石隧道施工的经验，提出了施工方法、施工组织等重要事项[3]。黄大成基于力学角度和数值模拟对开挖后支护内力、塑性区范围等进行分析，并对其稳定性进行了评价。崔小鹏等在现有三台阶七步法的基础上，对该工法进行了改进[5]。马德林等通过数值模拟，研究了高地应力条件下软岩隧道用三台阶施工时的沉降等参数[6]。李志清等通过数值模拟和现场测试研究了三台阶七步法仰拱变形和开挖后洞周轮廓的变化[7]。

本文在前人的基础上，对三台阶七步法不同的施工安全步距进行对比分析，研究了不同施工步距下开挖后围岩参数变化。

1 工程概况

该隧道是韶新高速靠近广东一侧的某隧道，是大断面双向六车道隧道，洞径为17.65 m，左、右洞间距28 m。洞口为IV级软弱破碎灰岩。

2 数值模型及参数选取

2.1 数值模型的建立

建立数值模型时，根据圣维南原理，开挖时离隧道区域较远部分的影响可以忽略不计。因此，模型宽度为131.86 m，高度为75.818 m，因为本次计算的是洞口浅埋段，纵向长度取25 m，埋深取22 m，模型均用实体单元进行模拟(图1、图2)。

图1 隧道模型三维视图

图2 模型正视图及局部放大

2.2 模型参数的选取

围岩参数见表1，支结构参数见表2。

表1 围岩参数

三台阶七步法每次循环进尺1榀钢拱架，即0.5 m。查阅相关资料，三台阶七步法安全施工步距为左、右侧台阶错开2～3 m，为了明确施工步骤的合理步距，分别取进尺的整数倍步距，即2 m、2.5 m进行模拟。

表2 支护结构参数

2.3 监测断面及监测点的选取

为了消除边界效应的影响，监测断面定在隧道纵向长度的中部，即Y=12 m处的位置，选取拱顶、左拱腰、右拱腰、拱顶等4个点作为监测对象。具体分布如图3所示。

图3 监测点布置

3 计算结果分析

由于左右两洞对称，本数值模拟仅对开挖左洞进行分析。

3.1 施工步距为2 m时

由图4可知，洞周竖向位移大致关于隧道中线对称，最大下沉量为12.48 mm，从拱顶到拱肩、拱腰的过程中，竖向位移逐渐减小，到拱腰处几乎为零。开挖后未上衬砌前拱底隆起较大，随着初支和二衬的施作，拱底应力调整，拱底隆起减小到1.8 mm，几乎可以忽略不计。

图4 2m步距初期支护完成后的竖向位移

洞周X方向(水平方向)的位移云图如图5所示。拱腰处的的水平位移最大，左拱腰处最大水平位移为1.43 mm，右拱腰处最大水平位移为1.54 mm，由拱腰向上以及向下，水平位移逐渐减小，至拱顶和拱底处几乎为零。

图5 2m步距初期支护完成后的水平位移

由于本次监测的断面在y=12 m处，距离洞口段较近，因此隧道一开挖，马上就会对y=12 m处的围岩产生扰动，拱顶下沉量如“坠落式”增加，下沉达到5 mm。随着隧道的开挖及初期支护的施作，拱顶下沉先呈下凸的抛物线形增加，然后又呈上凸的抛物线型增加，最后缓慢增加到大约12 mm。待到施作二衬时，拱顶下沉几乎已经完成，二衬完工后，下沉量大约只增加了0.25 mm。由此可见拱顶下沉基本在初期支护时期(图6)。

图6 2m步距拱顶下沉随时间的变化关系

3.2 施工步距为2.5m时

该步距下规律如前，拱顶下沉量为12.51 mm，拱底隆起减小到1.8 mm，几乎可以忽略不计(图7)。

图7 2.5m步距初期支护完成后的竖向位移

该步距下规律如前，拱顶下沉量为12.51 mm，拱底隆起减小到1.8 mm，几乎可以忽略不计(图8)。

图8 2.5m步距初期支护完成后的水平位移

当步距为2.5 m时，拱顶下沉随施工变化的曲线与步距为2 m时规律基本相同，只是最终的下沉量有所差别，比步距为2 m时略有增大(图9)。

图9 2.5m步距拱顶下沉随时间的变化关系

4 结论和建议

(1)通过数值模拟，对三台阶七步法步距2 m和2.5 m进行研究，步距为2 m时，拱顶最大下沉为12.48 mm，洞周最大水平位移为1.5 mm，而步距为2.5 m时，拱顶最大下沉为12.51 mm，洞周最大水平位移为1.55 mm，在此工程中，建议步距选择2 m。

(2)通过数值模拟，对2～3 m安全步距范围内的步距进行模拟，证明了安全步距设置范围的合理性。

(3)在实际施工中，步距建议可以在安全步距范围内进行选取，通过本次数值模拟可以发现，在安全步距范围内，不同的布距对隧道开挖造成的影响相差不大，实际中可结合现场实际进行选取。

(4)在实际施工中，随着开挖要进行及时监控量测，以便对施工参数进行实时调整。