公路隧道松散地层洞段三台阶法开挖参数的优化

杨晓俊

（山西路桥第七工程有限公司，山西 晋城 048000）

一、施工方案设计

某公路工程隧址区以第四系松散堆积层和红色中粒钾质花岗岩为主，经过断裂构造影响以及风化作用，自地表向下形成不同的形态和风化程度。由于该公路工程合同段隧道地质条件较为特殊，按照设计要求，合同段Ⅴ级围岩松散地层地段应当通过台阶分部法展开开挖施工。就施工过程而言，必须通过φ42超前注浆小导管进行开挖施工前的超前支护处理，并结合锚网喷及Ⅰ18、20a钢拱架的辅助支护方式。待开挖及排险过程结束后必须在设计时间内进行2cm厚度C25混凝土浆液的初喷，同时在设计位置安装钢筋网、打设锚杆、架立钢架、复喷至设计厚度。

开挖、支护顺序设计如下：

第一步：在该合同段隧道Ⅰ拱部采用超前小导管注浆的预支护操作；第二步：上台阶②开挖，并按设计要求爆破后及时进行2cm厚混凝土浆液的初喷；第三步：出碴后施作上台阶Ⅲ的初期支护；第四步：在滞后②一段距离后开挖中台阶④，根据相关规范及设计要求爆破开挖后及时喷射2cm厚度的混凝土浆液；第五步：出碴后施作中台阶Ⅴ初期支护；第六步：在滞后④一段距离后按步骤进行下台阶开挖施工⑥，结束爆破开挖并出渣后及时进行2cm厚度混凝土浆液的喷射；第七步：下台阶Ⅶ侧初期支护；第八步：浇注仰拱Ⅷ混泥土；第九步：Ⅸ敷设防水板，同时通过模板台车按照设计全断面进行混凝土二次衬砌及模筑。

施工过程中必须严格控制，使最大临界震动速度不超过15cm/s[1]。Ⅴ级围岩开挖进尺为0.5m～1m，台阶长度6m～8m，二次衬砌与掌子面的距离应≤70m；Ⅳ级围岩开挖进尺为1.5m～2.0m，台阶长度8m～10m，二次衬砌与掌子面的距离应≤90m。三台阶分部法开挖示意图详见图1。

图1 三台阶分部法开挖示意图

二、有限元模型的构建

（一）有限元模型

结合公路隧道地质勘察资料，起讫洞段地质条件复杂，为典型的碎屑沉积地层，所以构建该段洞段有限元模型并进行数值模拟。根据理论分析结果，模型下部及左右模拟范围按照洞径的5倍确定，上部至地表，故模型长度为20m，设计剖面尺寸为长×宽×高=60m×55m×20m，并以隧洞轴线指向下游的方向为x轴，与x轴垂直且指向右岸的方向为y轴，以竖直向上的方向为z轴。采用Solid45八节点单元进行所构建模型的模拟[2]，整个模型划分为1.5695×104个计算单元及1.3644×104个计算节点。

（二）边界条件

由于该公路隧道洞段围岩埋深大，地质条件差，根据围岩参数，对于所构建的模型左右边界应施加0.84MPa的水平向位移约束，同时模型下边界必须按设计要求施加竖直向位移约束，上边界施加取值为0.65MPa的法向均布荷载，并保持自由边界条件。结合与该工程区地质条件及工程规模相类似的工程设计经验及室内试验结果，该公路合同段隧道围岩实际弹性模量值应取2.5GPa，泊松比取0.25，密度2650kg/m3，内摩擦角31.5°，黏聚力0.1MPa。

（三）模型加载

在划分好模型网格后，还应确定模型的边界条件，并按照设计边界条件向模型左右边界、上下边界分别施加重力加速度、水平位移和水平应力、竖向位移约束，并对设计模型的前后两个面上所设置的全部节点同时施加y向位移约束，从而模拟隧道围岩结构自重。在静态分析类型下，按照1000次确定迭代次数，并分10个荷载步进行每次求解，位移与应力收敛系数为0.05，采用全牛顿-拉普森迭代方法进行该工程合同段隧道松散地层洞段大位移效果的预测与分析[3]。

该公路隧洞松散地层洞段开挖采用三台阶法，且围岩稳定性受到台阶开挖高度和长度的影响，为加强围岩变形控制，必须对这两个参数进行优化。由于三台阶开挖施工时上台阶高度对围岩变形影响较大，故应将其作为主要变量，并结合施工实际设置不同工况进行模拟分析。

三、参数优化结果

（一）台阶长度优化结果

应用所构建的有限元模型，假设其他参数保持不变，进行不同上台阶长度工况下围岩位移情况的模拟，根据所得到的模拟结果，从中提取设计关键部位所对应的位移量最大值，具体情况如表1所示。根据对模拟结果的比较分析不难看出，当上台阶长度分别取1m、1.5m和2m时，该公路合同段隧道松散地层洞段拱顶沉降取值和仰拱隆起位移值十分接近，而当上台阶长度2.5m时，拱顶沉降大幅增加，而仰拱隆起沉降位移为0。究其原因主要在于过大的台阶长度导致拱顶变形额沉降量明显增大。此外，随上台阶长度的增大，拱腰水平位移的最大值和最小值表现出先降后升的趋势，且在上台阶长度2m时达到最小，考虑到台阶长度的增大有利于施工效率提升，所以应将上台阶长度最优值确定为2m。

表1 隧道松散地层洞段不同上台阶长度对应围岩位移模拟

（二）台阶高度优化结果

采用本文所构建的有限元模型并假设其他参数不变的情况下，进行不同上台阶高度围岩位移情况的模拟，从模拟结果中提取关键部位最大位移量，结果如表2所示。根据表中模拟结果可以看出，隧洞开挖施工时，随着上台阶高度的增加，拱顶沉降位移与仰拱隆起位移均出现先降后升趋势。

表2 隧道松散地层洞段不同上台阶高度对应围岩位移模拟

借助有限元模型在其他参数取值不变的情况下，进行上台阶高度不同情况下围岩喷混结构应力的模拟计算，同时提取出拉应力和压应力最大值进行针对性分析。根据模拟结果，随着上台阶开挖高度的增大，喷混结构拉应力和压应力表现出先降后增的趋势，且拉应力和压应力分别在上台阶开挖高度1.4m和1.6m时取值最小，竖向位移和压应力最大值也与1.6m开挖高度下的模拟结果接近。为此，该公路隧道松散地层洞段三台阶开挖施工上台阶开挖高度应按1.4m确定。

四、结语

本文采用数值模拟方式进行该公路隧道碎屑沉积层洞段三台阶法开挖参数的优化，得出上台阶开挖高度和开挖长度应分别为1.4m和2.0m，且取得了预期的优化设计效果，对于确保隧道开挖施工过程的安全性和经济性具有参考借鉴价值，所采用的分析方法也为类似工程开挖参数的优化设计提供了可行的分析思路。