岩体隧道台阶法施工的综合分析研究
刘梦芸1
(1.燕山大学，河北秦皇岛066000)
摘要：在隧道开挖时，对围岩运用三台阶施工一般比 CD法 、CRD法等容易发生大变形，甚至塌方等事故。但由于三台阶法施工具有工期短、施工方便等优势，而被施工单位广为采用。“少分部、安全、快速施工”是隧道的现行发展趋势，结合我国铁路建设现有的技术水平，台阶法目前仍是铁路隧道施工的主要方法。很多学者已对三台阶开挖法进行了研究，得到了一些成果。但是三台阶开挖方法仍存在需要改进的地方，尤其是上台阶净空较小，大大降低了现场施工操作的效率，特别是锚杆的施工。所以，针对三台阶法的不足进行研究，是很有必要的。本文结合几个实际施工案例对台阶法的开挖高度和沉降特点进行研究。 关键词：台阶法；开挖台阶高度；沉降；
Comprehensive analysis and research of step excavation method construction in sdjacent tunnel
Liu mengyun
(Yanshan University , Qinhuangdao ,China 066000)
Abstract : During tunnel excavation, the surrounding rock by using three steps construction generally easier than CD method, CRD method and so on large deformation, even collapse accident. But due to three steps method has the advantages such as short construction period and construction is convenient, and widely used by construction units.
Keywords :The steps; The excavation step height; The settlementE-mail：[email protected]
硬岩石地层条件下大跨度地铁车站台阶法施工沉降特点，从地表沉降控制的角度提出合理的台阶数量，为类似工程的开挖方案设计与施工沉降控制提供参考依据!
1.1工程概况及水文地质条件
青岛市某地铁车站为地下二层岛式车站，有效 站台中心里程 K20+870.395，标准段宽度20.8m，高18.37m，岛式站台宽10m，有效站台长 120m,拱顶覆土为 7.38~15.63m，车站底板埋25.378~33.485m。该车站为暗挖地铁车站，采用马蹄形单拱双层复合式衬砌，围岩级别主要为4级，车站主体隧道采用四台阶十二部爆破开挖法!
该区地层岩性由地表向下依次为:1第四系近代人工填土层，厚0.5~6m;2第四系上更新统洪冲积黏土，厚3.7~5.7m;3下伏燕山晚期粗粒花岗岩; 部分地段穿插有煌斑岩、花岗斑岩等脉岩，糜棱岩、碎裂状花岗
0引 言
目前，国内大跨度暗挖地铁车站施工方法较多，主要以洞桩法、中洞法、侧洞法、柱洞法、台阶法、CD工法、CRD工法、双侧壁导坑法( 眼镜工法) 为主，相关施工技术研究也比较多。然而地铁建设的大发展，必然催生新的施工方法，革新施工技术!国内在中等风化花岗岩、微风化花岗岩地层中修建城市地铁大跨度暗挖车站实例相对较少，大跨度地铁车站采用临时撑台阶法施工也属暗挖车站施工的新技术，需要相关理论研究作支撑!
1大跨度暗挖地铁车站台阶法沉降特点研究
以青岛某地铁车站工程为背景，针对大跨度地铁车站主体隧道台阶法施工，利用 MIDAS/GTS仿真数值模拟软件对不同台阶数量的开挖方案进行模拟研究，并结合工程现场监测数据，经过对比分析得出基于坚
岩局部发育!车站主体隧道洞身通过的围岩有中等风化带花岗岩、局部碎裂状花岗岩、微风化带花岗岩3个地层，主要是中等风化带花岗岩。地下水为基岩裂隙水，水量一般贫，部分地段具有弱承压性。场区地下水主要依靠大气降水渗入和地表水体渗入补给，水位具有明显的丰、枯水期变化，受季节影响明显。 1.2数值模拟结果分析
为了研究大跨度暗挖地铁车站主体隧道台阶法施工时，不同台阶数量的开挖方案开挖施工产生的地表沉降特点，并对比各个方案开挖施工对地表沉降控制的优劣，以期得出较为合理的台阶数量范围，分别选取了台阶数量为1(全断面开挖法)、2(二台阶法)、3(三台阶法)、4(四台阶法)4种开挖方案进行开挖施工数值模拟计算，各台阶按左部、右部、中部的顺序分3部分依次开挖。模拟计算得出的竖向位移云图如图1~图4所示。
图 1 全断面开挖竖向位移
图 2 二台阶开挖竖向位移
图 3 三台阶开挖竖向位移
图 4四台阶开挖竖向位移
1.3结论
根据新建地铁车站工程，在既有研究的基础上，借助数值模拟软件，对基于坚硬岩石地层条件下台阶法施工沉降特点进行了研究，并结合现场监测数据进行验证性分析，得出如下结论。
（1）台阶法对地表沉降的控制优于全断面开挖法。台阶法开挖施工时，不同台阶数量的开挖方案中各台阶开挖施工产生的沉降占施工总沉降的比值分别为:二台阶法74％，26％;三台阶法54％，27％，16％;
四台阶法 41％，27％，23％，9％。
（2）对于台阶法施工，无论是二台阶、三台阶还是四台阶，各台阶开挖产生的沉降都随开挖台阶的先后顺序呈递减趋势，施工沉降主要产生于隧道掌子面上半部的开挖施工，这部分的沉降量约占总沉降量的 60％~80％。在实际工程中应加强对隧道上半部分开挖施工沉降的监测，如有异常应及时采取围岩加固措施。
（3）采用台阶法施工时，适当增加台阶数量能有效地减小最大地表沉降量，从控制地表沉降的角度，建议类似工程优先考虑三台阶和四台阶，此外还应根据现场具体施工条件和地质条件综合考虑选取合理的台阶数量。
（4）台阶法施工沉降的控制工作应根据其沉降特点有针对性地实施，施工沉降总控制值可以按各台阶施工沉降对总沉降的贡献比例进行分配，得到各台阶施工沉降预警值，建立严密的沉降控制系统，使沉降控制更加科学高效，保证开挖工作安全进行。
2台阶法施工开挖台阶高度数值分析
以四官寨隧道工程为背景，针对大跨度隧道台阶法施工，利用2D平面应变模型，并结合工程现场监测数据，经过对比分析得出最佳开挖高度。 2.1工程概况
四官寨隧道为黔西南州晴兴高速公路的长隧道，左幅桩号为:ZK23+135～ZK24+680,长1545m，最大埋深109m,右幅桩号为:YK23+162～YK24+730，长1568m.最大埋深104 m。隧道进口右幅位于冲沟内，左幅位于冲沟侧小山脊，地形坡度较陡。隧道区山体部分植被覆盖，进出口段均为耕地，进口及洞身段有采煤活动。 2.2计算模型
运用2D平面应变模型，计算范围及边界条件如图 2所示。隧道中心线两侧各40m，竖向80 m。计算范围：隧道洞宽11.08m，洞高 8.6m，埋深(从洞顶到地表的竖直距离)37m。
边界条件：模型左、右和下边界设置位移边界条件，模型上边界设置应力边界条件。约束左、右边界的水平位移，约束下边界的竖向位移。模型上边界到地表范围内的岩体引起的竖向自重应力施加到上边界，作为应力边界条件。
隧道围岩按实体单元模拟，采用植入式桁架单元模拟锚杆，采用梁单元模拟初支和二衬，单元采用四边形单元。计算模型网格划分如图5 所示。
图 5 2D计算模型
2.3开挖模型
针对隧道整体稳定性、围岩应力释放、施工过程，台阶法参数优化问题有着决定性的影响。考虑隧道施
工工艺、支护强度、围岩参数等参数，就隧道台阶法施工中的台阶高度参数进行优化。由于施工过程中必须满足一定的施工设备要求，开挖高度受到严格限制。通过对3种工况(上台阶高度分别为3 m、4 m、5 m)来进行分析对比。施工工序为：①上台阶土体开挖；②上台阶支护；③中台阶土体开挖；④中台阶支护；⑤下台阶土体开挖；⑥下台阶支护；⑦施作二衬。三台阶法开挖步序如图6所示。
2.4计算结果对比分析 2.4.1围岩位移对比分析
运用新奥法进行隧道施工时，隧道围岩位移变化时需要充分考虑，因为这是围岩整体受力最直接的反映。特别是水平位移和拱顶沉降对于隧道整体的安全施工有非常重要的影响，选取目标断面的关键部位节点进行对比分析，绘出关键部位单元节点的沉降变化情况。通过数值模拟方法，上台阶在不同开挖高度下，不同工况下各个观测点隧道的水平位移和拱顶沉降云图如图7所示。
图7 不同工况下，各个观测点的位移云图
从控制隧道变形方面考虑，工况1关键部位的最终变形值均小于工况2，工况2变形小于工况3，
说明上台阶开挖高度减小，更有利于控制围岩变形。
2.4.2初期支护内力对比分析
在隧道修建中，隧道衬砌受力情况也是必须考虑的因素，因此选取隧道开挖断面关键部位的内力进行分析，如表1所示。
表1 隧道初期支护关键部位观测点轴力
由表1可知，上台阶开挖高度为h= 3 m、h= 4 m、h=5 m时，隧道初支和二衬关键部位的轴力在拱顶、拱肩和短拱腰处依次变大，关键部位观测点轴力在左右拱腰发生最大变化，变化值为731kN，变化最小发生在拱顶，变化值为223kN。说明随着上台阶开挖高度的增加，上台阶关键部位的二衬承担更大的轴力。从支护结构受力和塑性区分布方面考虑，工况１关键部位的初期支和二次衬砌轴力和塑性区范围均小于工况2，同时工况2小于工况3。说明上台阶开挖高度减小，可以减小支护体系的受力和围岩塑性区范围。
2.4.3安全系数对比分析
不同工况下，隧道断面关键部位观测点的安全系数变化趋势如图8所示。由图8可知：随着上台阶开挖高度的增大，拱顶和拱肩的安全系数都有所减小，但趋势不明显；拱腰变化明显，最大变化量为20；长拱腰、拱脚和拱底的安全系数增大明显，最大变化值为 65。从支护结构安全系数方面考虑，拱顶、拱肩和短拱腰处关键部位的节点安全系数，工况１均大于工
图 8 监测点安全系数变化趋势
况２，同时工况2大于工况3。说明上台阶开挖高度减小，更有利于隧道上台阶的安全施工。 2.5结论
通过对比分析3种工况，可知：上台阶开挖高度增加，提高了施工效率，减少了隧道仰拱闭合时间；从单一方面考虑，工况1不利于提高施工效率；工况2不 利于控制变形；工况3安全系数减小。综合考虑认为，将上台阶开挖的高度控制在3.7~4.2 m比较合理。
3总结
台阶法的沉降特点和开挖台阶高度是很重要的亮
点内容，结合本文中的两个案例让我们了解到了实际与理论之间的关系，理论更有效的指导实际，同时也是更好的为实际服务。
参 考 文 献
[1] 王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论［M］.合肥: 安徽教育出版社，2004:295-332.
[2] 施仲衡.地下铁道设计与施工［M］.西安: 陕西科学技术出
版社，1997:308-313.
[3] 梁睿.北京地铁隧道施工引起的地表沉降统计分析与预 测［D］.北京: 北京交通大学，2006.
[4] 丁静泽，陈建平.武汉地铁区间隧道地表沉降规律探讨 ［J］.安全与环境工程，2011,18(5):11-14.
[5] 关宝树. 隧道工程施工要点集[ M]. 北京: 人民交通出版
社 ,2003．
[6] 闻庆权.三台阶七步开挖法在离石隧道施工中的应用[ J]. 现
代隧道技术,2009(6):106-112.
[7] 中华人民共和国铁道部. TB 10003 — 2005 铁路隧道设计
规范[ S]. 北京:中国铁道出版社,2005.
[8] 陈立保.三台阶法在客运专线山岭隧道软弱围岩中的推广应
用 [J]. 铁道工程学报,2008(12):72-74.
[9] 中铁十二局集团有限公司.经规标准[ 2007]119号 铁路隧道
大断面隧道三台阶开挖法施工作业指南[ S]. 北京 :中国铁道出版社,2007.
[10] 易国华.软岩大跨隧道台阶法施工力学特性分析及应用[ J].
铁道标准设计,2008(10):65-67.
岩体隧道台阶法施工的综合分析研究
刘梦芸1
(1.燕山大学，河北秦皇岛066000)
摘要：在隧道开挖时，对围岩运用三台阶施工一般比 CD法 、CRD法等容易发生大变形，甚至塌方等事故。但由于三台阶法施工具有工期短、施工方便等优势，而被施工单位广为采用。“少分部、安全、快速施工”是隧道的现行发展趋势，结合我国铁路建设现有的技术水平，台阶法目前仍是铁路隧道施工的主要方法。很多学者已对三台阶开挖法进行了研究，得到了一些成果。但是三台阶开挖方法仍存在需要改进的地方，尤其是上台阶净空较小，大大降低了现场施工操作的效率，特别是锚杆的施工。所以，针对三台阶法的不足进行研究，是很有必要的。本文结合几个实际施工案例对台阶法的开挖高度和沉降特点进行研究。 关键词：台阶法；开挖台阶高度；沉降；
Comprehensive analysis and research of step excavation method construction in sdjacent tunnel
Liu mengyun
(Yanshan University , Qinhuangdao ,China 066000)
Abstract : During tunnel excavation, the surrounding rock by using three steps construction generally easier than CD method, CRD method and so on large deformation, even collapse accident. But due to three steps method has the advantages such as short construction period and construction is convenient, and widely used by construction units.
Keywords :The steps; The excavation step height; The settlementE-mail：[email protected]
硬岩石地层条件下大跨度地铁车站台阶法施工沉降特点，从地表沉降控制的角度提出合理的台阶数量，为类似工程的开挖方案设计与施工沉降控制提供参考依据!
1.1工程概况及水文地质条件
青岛市某地铁车站为地下二层岛式车站，有效 站台中心里程 K20+870.395，标准段宽度20.8m，高18.37m，岛式站台宽10m，有效站台长 120m,拱顶覆土为 7.38~15.63m，车站底板埋25.378~33.485m。该车站为暗挖地铁车站，采用马蹄形单拱双层复合式衬砌，围岩级别主要为4级，车站主体隧道采用四台阶十二部爆破开挖法!
该区地层岩性由地表向下依次为:1第四系近代人工填土层，厚0.5~6m;2第四系上更新统洪冲积黏土，厚3.7~5.7m;3下伏燕山晚期粗粒花岗岩; 部分地段穿插有煌斑岩、花岗斑岩等脉岩，糜棱岩、碎裂状花岗
0引 言
目前，国内大跨度暗挖地铁车站施工方法较多，主要以洞桩法、中洞法、侧洞法、柱洞法、台阶法、CD工法、CRD工法、双侧壁导坑法( 眼镜工法) 为主，相关施工技术研究也比较多。然而地铁建设的大发展，必然催生新的施工方法，革新施工技术!国内在中等风化花岗岩、微风化花岗岩地层中修建城市地铁大跨度暗挖车站实例相对较少，大跨度地铁车站采用临时撑台阶法施工也属暗挖车站施工的新技术，需要相关理论研究作支撑!
1大跨度暗挖地铁车站台阶法沉降特点研究
以青岛某地铁车站工程为背景，针对大跨度地铁车站主体隧道台阶法施工，利用 MIDAS/GTS仿真数值模拟软件对不同台阶数量的开挖方案进行模拟研究，并结合工程现场监测数据，经过对比分析得出基于坚
岩局部发育!车站主体隧道洞身通过的围岩有中等风化带花岗岩、局部碎裂状花岗岩、微风化带花岗岩3个地层，主要是中等风化带花岗岩。地下水为基岩裂隙水，水量一般贫，部分地段具有弱承压性。场区地下水主要依靠大气降水渗入和地表水体渗入补给，水位具有明显的丰、枯水期变化，受季节影响明显。 1.2数值模拟结果分析
为了研究大跨度暗挖地铁车站主体隧道台阶法施工时，不同台阶数量的开挖方案开挖施工产生的地表沉降特点，并对比各个方案开挖施工对地表沉降控制的优劣，以期得出较为合理的台阶数量范围，分别选取了台阶数量为1(全断面开挖法)、2(二台阶法)、3(三台阶法)、4(四台阶法)4种开挖方案进行开挖施工数值模拟计算，各台阶按左部、右部、中部的顺序分3部分依次开挖。模拟计算得出的竖向位移云图如图1~图4所示。
图 1 全断面开挖竖向位移
图 2 二台阶开挖竖向位移
图 3 三台阶开挖竖向位移
图 4四台阶开挖竖向位移
1.3结论
根据新建地铁车站工程，在既有研究的基础上，借助数值模拟软件，对基于坚硬岩石地层条件下台阶法施工沉降特点进行了研究，并结合现场监测数据进行验证性分析，得出如下结论。
（1）台阶法对地表沉降的控制优于全断面开挖法。台阶法开挖施工时，不同台阶数量的开挖方案中各台阶开挖施工产生的沉降占施工总沉降的比值分别为:二台阶法74％，26％;三台阶法54％，27％，16％;
四台阶法 41％，27％，23％，9％。
（2）对于台阶法施工，无论是二台阶、三台阶还是四台阶，各台阶开挖产生的沉降都随开挖台阶的先后顺序呈递减趋势，施工沉降主要产生于隧道掌子面上半部的开挖施工，这部分的沉降量约占总沉降量的 60％~80％。在实际工程中应加强对隧道上半部分开挖施工沉降的监测，如有异常应及时采取围岩加固措施。
（3）采用台阶法施工时，适当增加台阶数量能有效地减小最大地表沉降量，从控制地表沉降的角度，建议类似工程优先考虑三台阶和四台阶，此外还应根据现场具体施工条件和地质条件综合考虑选取合理的台阶数量。
（4）台阶法施工沉降的控制工作应根据其沉降特点有针对性地实施，施工沉降总控制值可以按各台阶施工沉降对总沉降的贡献比例进行分配，得到各台阶施工沉降预警值，建立严密的沉降控制系统，使沉降控制更加科学高效，保证开挖工作安全进行。
2台阶法施工开挖台阶高度数值分析
以四官寨隧道工程为背景，针对大跨度隧道台阶法施工，利用2D平面应变模型，并结合工程现场监测数据，经过对比分析得出最佳开挖高度。 2.1工程概况
四官寨隧道为黔西南州晴兴高速公路的长隧道，左幅桩号为:ZK23+135～ZK24+680,长1545m，最大埋深109m,右幅桩号为:YK23+162～YK24+730，长1568m.最大埋深104 m。隧道进口右幅位于冲沟内，左幅位于冲沟侧小山脊，地形坡度较陡。隧道区山体部分植被覆盖，进出口段均为耕地，进口及洞身段有采煤活动。 2.2计算模型
运用2D平面应变模型，计算范围及边界条件如图 2所示。隧道中心线两侧各40m，竖向80 m。计算范围：隧道洞宽11.08m，洞高 8.6m，埋深(从洞顶到地表的竖直距离)37m。
边界条件：模型左、右和下边界设置位移边界条件，模型上边界设置应力边界条件。约束左、右边界的水平位移，约束下边界的竖向位移。模型上边界到地表范围内的岩体引起的竖向自重应力施加到上边界，作为应力边界条件。
隧道围岩按实体单元模拟，采用植入式桁架单元模拟锚杆，采用梁单元模拟初支和二衬，单元采用四边形单元。计算模型网格划分如图5 所示。
图 5 2D计算模型
2.3开挖模型
针对隧道整体稳定性、围岩应力释放、施工过程，台阶法参数优化问题有着决定性的影响。考虑隧道施
工工艺、支护强度、围岩参数等参数，就隧道台阶法施工中的台阶高度参数进行优化。由于施工过程中必须满足一定的施工设备要求，开挖高度受到严格限制。通过对3种工况(上台阶高度分别为3 m、4 m、5 m)来进行分析对比。施工工序为：①上台阶土体开挖；②上台阶支护；③中台阶土体开挖；④中台阶支护；⑤下台阶土体开挖；⑥下台阶支护；⑦施作二衬。三台阶法开挖步序如图6所示。
2.4计算结果对比分析 2.4.1围岩位移对比分析
运用新奥法进行隧道施工时，隧道围岩位移变化时需要充分考虑，因为这是围岩整体受力最直接的反映。特别是水平位移和拱顶沉降对于隧道整体的安全施工有非常重要的影响，选取目标断面的关键部位节点进行对比分析，绘出关键部位单元节点的沉降变化情况。通过数值模拟方法，上台阶在不同开挖高度下，不同工况下各个观测点隧道的水平位移和拱顶沉降云图如图7所示。
图7 不同工况下，各个观测点的位移云图
从控制隧道变形方面考虑，工况1关键部位的最终变形值均小于工况2，工况2变形小于工况3，
说明上台阶开挖高度减小，更有利于控制围岩变形。
2.4.2初期支护内力对比分析
在隧道修建中，隧道衬砌受力情况也是必须考虑的因素，因此选取隧道开挖断面关键部位的内力进行分析，如表1所示。
表1 隧道初期支护关键部位观测点轴力
由表1可知，上台阶开挖高度为h= 3 m、h= 4 m、h=5 m时，隧道初支和二衬关键部位的轴力在拱顶、拱肩和短拱腰处依次变大，关键部位观测点轴力在左右拱腰发生最大变化，变化值为731kN，变化最小发生在拱顶，变化值为223kN。说明随着上台阶开挖高度的增加，上台阶关键部位的二衬承担更大的轴力。从支护结构受力和塑性区分布方面考虑，工况１关键部位的初期支和二次衬砌轴力和塑性区范围均小于工况2，同时工况2小于工况3。说明上台阶开挖高度减小，可以减小支护体系的受力和围岩塑性区范围。
2.4.3安全系数对比分析
不同工况下，隧道断面关键部位观测点的安全系数变化趋势如图8所示。由图8可知：随着上台阶开挖高度的增大，拱顶和拱肩的安全系数都有所减小，但趋势不明显；拱腰变化明显，最大变化量为20；长拱腰、拱脚和拱底的安全系数增大明显，最大变化值为 65。从支护结构安全系数方面考虑，拱顶、拱肩和短拱腰处关键部位的节点安全系数，工况１均大于工
图 8 监测点安全系数变化趋势
况２，同时工况2大于工况3。说明上台阶开挖高度减小，更有利于隧道上台阶的安全施工。 2.5结论
通过对比分析3种工况，可知：上台阶开挖高度增加，提高了施工效率，减少了隧道仰拱闭合时间；从单一方面考虑，工况1不利于提高施工效率；工况2不 利于控制变形；工况3安全系数减小。综合考虑认为，将上台阶开挖的高度控制在3.7~4.2 m比较合理。
3总结
台阶法的沉降特点和开挖台阶高度是很重要的亮
点内容，结合本文中的两个案例让我们了解到了实际与理论之间的关系，理论更有效的指导实际，同时也是更好的为实际服务。
参 考 文 献
[1] 王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论［M］.合肥: 安徽教育出版社，2004:295-332.
[2] 施仲衡.地下铁道设计与施工［M］.西安: 陕西科学技术出
版社，1997:308-313.
[3] 梁睿.北京地铁隧道施工引起的地表沉降统计分析与预 测［D］.北京: 北京交通大学，2006.
[4] 丁静泽，陈建平.武汉地铁区间隧道地表沉降规律探讨 ［J］.安全与环境工程，2011,18(5):11-14.
[5] 关宝树. 隧道工程施工要点集[ M]. 北京: 人民交通出版
社 ,2003．
[6] 闻庆权.三台阶七步开挖法在离石隧道施工中的应用[ J]. 现
代隧道技术,2009(6):106-112.
[7] 中华人民共和国铁道部. TB 10003 — 2005 铁路隧道设计
规范[ S]. 北京:中国铁道出版社,2005.
[8] 陈立保.三台阶法在客运专线山岭隧道软弱围岩中的推广应
用 [J]. 铁道工程学报,2008(12):72-74.
[9] 中铁十二局集团有限公司.经规标准[ 2007]119号 铁路隧道
大断面隧道三台阶开挖法施工作业指南[ S]. 北京 :中国铁道出版社,2007.
[10] 易国华.软岩大跨隧道台阶法施工力学特性分析及应用[ J].
铁道标准设计,2008(10):65-67.