1、臺階法隧道施工合理開挖高度及步距分析摘要：在社會發展下，我國的城市化進程加快，交通工程的快速發展，新建地 鐵隧道下穿既有軌道車站工程的案例越來越多。由于地下工程的復雜性，新建地 鐵隧道下穿既有軌道工程與地面建筑設施面臨著巨大的挑戰。在下穿既有軌道車 站工程中既要保證既有軌道車站的安全運營，又要保證地面建筑設施安全穩固， 通過數值模擬對開挖地長度高度進行精確計算分析很有必要。關鍵詞：隧道施工；臺階法；數值模擬；合理開挖步距；合理開挖高度引言近年來，隨著公路交通量的增長，大跨度隧道的數量也不斷增加。由于跨度和高度的增 大，尤其是矢跨比的縮小，隧道修建的難度明顯增大。為了保證圍巖穩定和結構安全，大跨

2、 度隧道大多采用分部開挖，常用的方法有單側壁導洞法、雙側壁導洞法和環形微臺階法等。 其中環形微臺階法由于開挖擾動小、支護結構順暢、有利于掌子面穩定等原因，在土質和土 夾石地層廣泛使用。在環形微臺階開挖中，一種普遍的觀點是臺階高度越小，開挖斷面積越 小，越有利于圍巖和結構的穩定。因此，在確定上臺階高度時，往往采用滿足施工要求的最 小值，通常采用1.52.0m。盡可能縮小上臺階高度的做法，是否對保證圍巖和結構穩定最 有利，本文將對此進行分析和探討。1工程概況某隧道位于某市站街鎮韓門村，某隧道整體快速路工程項目包括公路、隧道和橋梁，是 某市中原路西延線快速路工程。隧道設計車速80km/h。隧道為分離

3、式雙向6車道隧道，單洞 凈跨15m，凈高9.4m，單洞開挖斷面在150m2左右，屬于超大斷面山嶺隧道。左洞隧道長 1370m，設計縱坡1%，起始里程為ZK16+145；右洞隧道長1175m，設計縱坡0.712%，起始 里程為YK16+270O2臺階法施工特點及注意事項臺階開挖法的優點是可以有足夠的工作空間和相當的施工速度，但上、下部作業有干擾; 臺階開挖雖增加了對圍巖的擾動次數，但臺階有利于開挖面的穩定，尤其是上部開挖支護后， 下部作業就較為安全，但應注意下部作業時對上部穩定性的影響。選擇臺階開挖時應注意以 下幾點：（1）解決好上、下半斷面作業的相互干擾問題；（2）下部開挖時，應注意上部的 穩

4、定；（3）下部邊墻開挖后必須立即噴射混凝土，并按規定做初期支護；（4）量測工作必 須及時，以觀察拱頂、拱腳和邊墻中部位移值，當發現位移速率預警時應采取封閉仰拱、控 制開挖進尺、加強支護等措施。3數值模擬分析3.1合理開挖高度分析采用地層-結構法對隧道臺階法施工IV級圍巖進行數值仿真模擬，力求真實實現隧道的施 工過程，把握隧道隨施工過程不斷變化的變形規律，尋找上下臺階法施工中的關鍵工序與步 驟。隧道圍巖的計算參數根據鐵路隧道設計規范TB100032016和彈子石一涂山站區間 隧道設計資料建議值選取，計算參數如表1，計算工況如表2o表1隧道力學計算參數3.2計算模型運用平面應變模型，計算范圍及邊界

5、2D條件如圖所示。隧道中心線兩側各，240m豎向。 計算范圍：隧道洞寬，80m11.08m洞高，埋深從洞頂到地表的豎直距離8.6m（）。37m邊 界條件：模型左、右和下邊界設置位移邊界條件，模型上邊界設置應力邊界條件。約束左、 右邊界的水平位移，約束下邊界的豎向位移。模型上邊界到地表范圍內的巖體引起的豎向自 重應力施加到上邊界，作為應力邊界條件。隧道圍巖按實體單元模擬，采用植入式桁架單元 模擬錨桿，采用梁單元模擬初支和二襯，單元采用四邊形單元。3.3拱頂沉降隧道開挖施工時，拱頂的沉降速度很快，達到了 4mm/d，而且沉降位移也比較大，達到 了 40mm，通過有限元軟件模擬出來的結果顯示，拱頂的

6、最大沉降量為32.34mm，兩者相差 10mm左右.其中斷面ZK16+145地表沉降與拱頂沉降的數值模擬結果和現場實測，隧道開挖 完成后，兩種方法得到的結果在數值上存在一定的差值.對于現場實測結果，拱頂沉降超過地 表沉降量10mm，約占地表沉降量的1/3,而在數值模擬結果中，拱頂沉降超過地表沉降量 7.01mm，約占地表沉降量的1/5 ；在兩個監測項目的總沉降量上，拱頂沉降量大于地表沉降 量，數值模擬的結果與現場實測的結果完全一致，這是與隧道開挖卸載有關的，在重力初始 應力場中，地表產生的沉降量是大于隧道拱頂位置處的沉降量的，但在上臺階開挖后，形成 一個很大的臨空面，隧道拱頂區域的圍巖受到的擾

7、動最大，且應力狀態由原先的受壓轉變為 受拉，而處在20m以上的地表，相對受到的擾動就要小得多，由此拱頂沉降大幅度增加，同 時地表也相應產生大幅度沉降，但沉降量比拱頂處要小。3.4安全系數對比分析不同工況下，隧道斷面關鍵部位觀測點的安全系數變化趨勢如圖所示。由圖3可知：隨 著上臺階1010開挖高度的增大，拱頂和拱肩的安全系數都有所減小，但趨勢不明顯；拱腰 變化明顯，最大變化量為；長拱腰、拱腳和拱底的安全系數增大明顯，最大變化值為。從支 護結構安全系數方面考慮，拱開挖高度的增大，拱頂和拱肩的安全系數都有所減小，但趨勢 不明顯；拱腰變化明顯，最大變化量為20；長拱腰、拱腳和拱底的安全系數增大明顯，最

8、大 變化值為。從支護結構安全系數方面考慮，拱頂、拱肩和短拱腰處關鍵部位的節點安全系數， 工況1均大于工況2，同時工況大于工況。說明上臺23階開挖高度減小，更有利于隧道上 臺階的安全施工。圖3監測點安全系數變化趨勢結語通過對臺階法隧道環形微臺階法施工中上臺階拱圈結構進行簡化建立了其計算模型。計 算對比分析表明，當隧道拱頂下沉值一定時，上臺階高度越大，支護結構彎矩越小，反之越 大。即使考慮隧道拱頂下沉值與上臺階高度成相同正比，上述規律仍然成立。由此可見，大 跨度隧道環形開挖時，上臺階高度越小，上部拱圈結構越平坦，拱效應”越不明顯，其承受 荷載和變形的能力越差，是更不利于圍巖和結構穩定的。因此，隧道環形微臺階開挖時，應 在