CN115653609A - 变截面软岩隧道施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道施工技术领域，特别涉及一种变截面软岩隧道施工方法。本发明通过在软岩隧道的变截面段设置过渡段，并且对采用预设施工方法施工得到的实时数据信息与模拟数据信息进行比对并判断两者是否相对应，假如两者不相对应，则对数学模型进行优化，以使得两者相对应，使得本发明在实施过程中能够有效解决相关技术中存在的隧道变截面段不便于施工的技术问题，通过本方法，使得本发明实现了对变截面段的软岩隧道进行施工，并且有效降低了软岩隧道变截面段的位移和沉降值。

Description

变截面软岩隧道施工方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，特别涉及一种变截面软岩隧道施工方法。

背景技术

近年来，隧道科学技术日新月异，我国地下工程有了迅猛发展，软弱地层下大跨度变截面隧道的开挖，围岩压力较大、受力条件复杂，导致的隧道围岩的应力重分布情况也存在较大差异。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种变截面软岩隧道施工方法，旨在解决隧道变截面段不便于施工的技术问题。

为实现上述目的，根据本公开实施例的第一方面，本发明提出的一种变截面软岩隧道施工方法，包括如下步骤：

构建所述变截面软岩隧道的数学模型，并获取模拟数据信息；

在所述软岩隧道的变截面段设立过渡段；

采用预设施工方法对所述过渡段进行施工，以使所述过渡段形成三台阶临时仰拱结构；

将所述三台阶临时仰拱结构的实际数据信息与所述模拟数据信息比对并判断所述实际数据信息与所述模拟数据信息是否相对应；

若所述实际数据信息与所述模拟数据信息相对应，则对所述三台阶临时仰拱结构进行施工。

可选的，所述将所述三台阶临时仰拱结构的实际数据信息与所述模拟数据信息比对并判断所述实际数据信息与所述模拟数据信息是否相对应的步骤之后，还包括：

若所述实际数据信息与所述模拟数据信息不对应，则对所述数学模型进行优化，以使所述实际数据信息与所述模拟数据信息相对应。

可选的，所述若所述实际数据信息与所述模拟数据信息不对应，则对所述数学模型进行优化，以使所述实际数据信息与所述模拟数据信息相对应的步骤，包括：

若所述实际数据信息与所述模拟数据信息不对应，则判断所述数学模型的构建过程是否存在缺陷处；

若在所述构建过程中存在缺陷处，则对所述缺陷处进行优化，并获取优化数据信息；

将所述优化数据信息作为所述模拟数据信息，并返回执行将所述三台阶临时仰拱结构的实际数据信息与所述模拟数据信息比对并判断所述实际数据信息与所述模拟数据信息是否相对应的步骤，直至所述实际数据信息与所述模拟数据信息相对应。

可选的，所述若所述实际数据信息与所述模拟数据信息不对应，则判断所述数学模型的构建过程是否存在缺陷处的步骤之后，还包括：

若所述构建过程不存在缺陷处，则确定目标施工方法；

将所述目标施工方法作为所述预设施工方法，并返回执行采用预设施工方法对所述过渡段进行施工，以使所述过渡段形成三台阶临时仰拱结构的步骤，形成所述变截面段。

可选的，所述变截面软岩隧道包括变截面段；

所述构建所述变截面软岩隧道的数学模型，并获取模拟数据信息的步骤，包括：

根据地质数据信息，构建所述变截面段所在区域的非对称应力场下的围岩受力模型，形成所述数学模型；

根据所述数学模型，获取模拟数据信息。

可选的，所述根据地质数据信息，构建所述变截面段所在区域的非对称应力场下的围岩受力模型，形成所述数学模型的步骤，包括：

根据所述地质数据信息，构建所述变截面段所在区域的围岩应力计算模型以及土体单元受力模型，形成所述非对称应力场下的围岩受力模型；

根据所述非对称应力场下的围岩受力模型，获得围岩弹性应力解析解；

结合所述围岩弹性应力解析解，获取围岩塑性区半径，形成所述数学模型。

可选的，所述预设施工方法包括上部台阶扩挖施工方法；

所述采用预设施工方法对所述过渡段进行施工，以使所述过渡段形成三台阶临时仰拱结构的步骤，包括：

将所述过渡段按照自上而下的顺序分割为第一施工断面、第二施工断面以及第三施工断面；

采用上部台阶扩挖施工方法对所述过渡段进行施工，以使所述第一施工断面、第二施工断面以及第三施工断面构成三台阶结构，形成所述三台阶临时仰拱结构。

可选的，所述第一施工断面包括顺次设置的第一开挖段、第二开挖段以及第三开挖段；

所述采用上部台阶扩挖施工方法对所述过渡段进行施工，以使所述第一施工断面、第二施工断面以及第三施工断面构成三台阶结构，形成所述三台阶临时仰拱结构的步骤，包括：

对所述第一开挖段所在的围岩区域设立超前支护结构进行预加固，且对所述第一开挖段进行施工；

对所述第二开挖段进行开挖并施作锚杆和支护喷砼；

在所述第二开挖段与所述第三开挖段内的交界处，按照远离所述第一开挖段第一开挖段方向对所述第三开挖段进行横向开挖，并架立门架、喷射初支砼，且在拱脚处打设锁脚锚管；

顺次对所述第二施工断面和所述第三施工断面进行施工，并施作支护结构，以使所述第一施工断面、第二施工断面以及第三施工断面构成三台阶结构，形成所述三台阶临时仰拱结构。

可选的，所述第一施工断面包括顺次设置的第一开挖段、第二开挖段、第三开挖段以及第四开挖段；

所述采用上部台阶扩挖施工方法对所述过渡段进行施工，以使所述第一施工断面、第二施工断面以及第三施工断面构成三台阶结构，形成所述三台阶临时仰拱结构的步骤，包括：

对所述第一开挖段以及所述第二开挖段所在的围岩区域设立超前支护结构进行预加固，且顺次对所述第一开挖段以及所述第二施工段进行施工；

对所述第三开挖段进行施工，直至所述第三开挖段的上部的至少部分嵌入所述第四开挖段，以使所述第四开挖段形成第一短台阶结构；

对所述第一短台阶结构进行施工，以形成所述第一施工断面结构；

在所述第一施工断面结构的下方，按照自上而下的顺序分别对所述第二施工断面以及所述第三施工断面进行施工，直至所述第一施工断面、所述第二施工断面以及所述第三施工断面共同形成三台阶临时仰拱结构。

可选的，所述过渡段包括第一施工段和第二施工段，所述第一施工段的至少部分未与所述第二施工段重叠，所述预设施工方法包括第一预设施工方法和第二预设施工方法；

所述采用预设施工方法对所述过渡段进行施工，以使所述过渡段形成三台阶临时仰拱结构的步骤，包括：

采用所述第一预设施工方法对所述第一施工段进行施工，其中，所述第一预设施工方法为双侧壁导坑法或者上部台阶法中的一种；

将所述第二施工段按照自上而下的顺序分割为第一施工断面、第二施工断面以及第三施工断面；

采用所述第二预设施工方法对所述第二施工段进行施工，以使所述第一施工断面、第二施工断面以及第三施工断面构成三台阶结构，形成所述三台阶临时仰拱结构，其中所述第二预设施工方法与所述第一预设施工方法相对应。

本发明技术方案通过设置变截面软岩隧道的数学模型，并且获取对应的模拟数据信息，然后在软岩隧道的变截面段设立过渡段，采用预设施工方法对过渡段进行施工，以使得过渡段形成三台阶临时仰拱结构，同时将三台阶临时仰拱结构的实时数据信息与模拟数据信息相比对并判段两者是否相对应，当两个数据信息不相对应时，则对数学模型进行优化，使得两个数据信息相对应。本发明通过在软岩隧道的变截面段设置过渡段，并且对采用预设施工方法施工得到的实时数据信息与模拟数据信息进行比对并判断两者是否相对应，假如两者不相对应，则对数学模型进行优化，以使得两者相对应，使得本发明在实施过程中能够有效解决相关技术中存在的隧道变截面段不便于施工的技术问题，通过本方法，使得本发明实现了对变截面段的软岩隧道进行施工，并且有效降低了软岩隧道变截面段的位移和沉降值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明变截面软岩隧道施工方法的流程示意图；

图2为图1中示例的一些具体实施例的流程示意图；

图3为图2中示例的步骤S400的流程示意图；

图4为图1中示例的步骤S300的另一些具体实施例的流程示意图；

图5为本发明示例的过渡段的结构示意图；

图6中，(a)为本发明示例的围岩应力计算模型，(b)为本发明示例的土体单元受力模型，(c)为本发明示例的卡斯奈特近似法松动示意图，(d)为本发明示例的数值模拟松动圈云图；

图7中，(a)为本发明示例的结构模型的网格图，(b)为本发明示例的三台阶法的网格图；(c)为本发明示例的双侧壁导坑法的网格图；

图8中(a)为本发明示例的三台阶法施工工序图，(b)为本发明示例的双侧壁导坑法施工工序图；

图9中，(a)为本发明示例的台阶法竖向位移云图，(b)为本发明示例的台阶法水平位移云图，(c)为本发明示例的双侧壁导坑法竖向位移云图，(d) 本发明示例的双侧壁导坑法水平位移云图；

图10中，(a)为本发明示例的拱顶沉降，(b)为本发明示例的仰拱隆起， (c)为本发明示例的拱肩收敛，(d)为本发明示例的拱脚收敛；

图11中，(a)为本发明示例的台阶法初期支护轴力云图，(b)为本发明示例的双侧壁导坑法初期支护轴力云图，(c)为本发明示例的台阶法初期支护弯矩云图，(d)为本发明示例的双侧壁导坑法初期支护弯矩云图；

图12中，(a)为本发明示例的台阶法锚杆轴力云图，(b)为本发明示例的双侧壁导坑法锚杆轴力云图；

图13中，(a)为本发明示例的台阶法锚杆轴力云图，(b)为本发明示例的双侧壁导坑法锚杆轴力云图；

图14中，(a)为本发明一些具体实施方式中示例的某隧道的平面布置图， (b)为本发明一些具体实施方式中示例的数值计算模型，(c)为图14a中示例的断面分析示意图，(d)为图14a中示例的双侧壁导坑法初期支护轴力云图；

图15中，(a)为本发明示例的小跨度段开挖支护完成竖向位移云图，(b) 为本发明示例的小跨度段开挖支护完成水平位移云图，(c)为本发明示例的过渡段开挖支护完成竖向位移云图，(d)为本发明示例的过渡段开挖支护完成水平位移云图，(e)为本发明示例的贯通后支护完成竖向位移(后视图) 云图，(f)为本发明示例的贯通后支护完成水平位移(后视图)云图；

图16中，(a)为本发明示例的断面Ⅰ各点竖向位移图，(b)为本发明示例的小断面Ⅰ各点水平位移图；

图17中，(a)为本发明示例的断面Ⅱ各点竖向位移图，(b)为本发明示例的断面Ⅱ各点竖向位移图；

图18中，(a)为本发明示例的断面Ⅲ各点竖向位移图，(b)为本发明示例的断面Ⅲ各点竖向位移图；

图19中，(a)为本发明示例的断面Ⅳ各点竖向位移图，(b)为本发明示例的断面Ⅳ各点竖向位移图；

图20中，(a)为本发明示例的小跨度段开挖支护完成最大主应力云图，(b) 为本发明示例的小跨度段开挖支护完成最小主应力云图，(c)为本发明示例的过渡段开挖支护完成最大主应力云图，(d)为本发明示例的过渡段开挖支护完成最小主应力云图，(e)为本发明示例的贯通后支护完成最大主应力云图(后视图)，(f)为本发明示例的贯通后支护完成最小主应力云图(后视图)；

图21中，(a)为本发明示例的过渡段上台阶支护完成之后的主应力云图， (b)为本发明示例的渡段中台阶支护完成并添加横撑完成之后的主应力云图， (c)为本发明示例的过渡段下台阶支护完成并添加堵头墙完成之后的主应力云图，(d)为本发明示例的大跨度段施工完成之后的主应力云图；

图22中，(a)为本发明示例的正视图，(b)为本发明示例的变截面处切面，(c)为本发明示例的后视图；

图23中，(a)为本发明示例的工况Ⅰ施工示意图，(b)为本发明示例的工况Ⅱ施工示意图；

图24中，(a)为本发明示例的方案1的过渡段上右施工支护完成洞周竖向位移云图，(b)为本发明示例的方案2的过渡段上右施工支护完成洞周竖向位移云图，(c)为本发明示例的方案1与方案2的竖向位移；

图25中，(a)为本发明示例的y＝14m处变截面应力分布的方案1第三榀门架处开挖云图，(b)为本发明示例的y＝14m处变截面应力分布的方案2上台阶开挖云图，(c)为本发明示例的y＝14m处变截面应力分布的方案1开挖完成云图，(d)为本发明示例的y＝14m处变截面应力分布的方案2开挖完成云图；

图26中，(a)为本发明示例的过渡段上右部分衬砌最大主应力的方案1云图，(b)为本发明示例的过渡段上右部分衬砌最大主应力的方案2云图；

图27中，(a)为本发明示例的塑性区分布的方案1云图，(b)为本发明示例的塑性区分布的方案2云图。

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后变截面软岩隧道施工方法、设备、系统及介质)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

下面结合一些具体实施方式进一步阐述本发明的发明构思。

本发明提出一种变截面软岩隧道施工方法。

在本发明一实施例中，如图1至图5所示，该型一种变截面软岩隧道施工方法，包括如下步骤：

S100、构建变截面软岩隧道的数学模型，并获取模拟数据信息；

在本实施例中，在构建软岩隧道的数学模型时，可以采用ANSYS软件、 Midas/GTS有限元软件等软件构建数学模型以及获取所构建模型的模拟数学信息。

需要特别和明确说明的是，在本实施例中，示例的模拟数据信息包括但不限于竖直沉降值或者水平位移值。

S200、在软岩隧道的变截面段设立过渡段；

在本实施例中，在隧道变截面段设立过渡段时，在步骤S100示例的数学模型中直接设立，也可以采用其他示例的方式进行直接设立。

需要特别和明确说明的是，在本实施例中，示例的软岩隧道的变截面段是指在隧道中，当存在至少两个隧道且在围岩中呈Y字型或者类Y字型交汇时，在两个隧道的交汇处，存在隧道的断面宽度逐渐变宽的情况，而该变宽处也就形成变截面段。

S300、采用预设施工方法对过渡段进行施工，以使过渡段形成三台阶临时仰拱结构；

在本实施例中，在设立过渡段之后，便将过渡段所在区域的图纸导出为施工图纸，技术人员根据施工图纸对该过渡段进行施工。在本实施例中，进行施工时主要采用的是个方法是三台阶法进行施工，在施工时，每一个台阶的宽度距离相邻的上一层或者下一层的台阶的宽度不大于1m，通过这一设置，使得本发明在实施时能够有效保证整个台阶结构的稳定性。

S400、将三台阶临时仰拱结构的实际数据信息与模拟数据信息比对并判断实际数据信息与模拟数据信息是否相对应；

在本实施例中，在对实时数据信息和模拟数据信息进行比对时，主要比对实时竖直沉降信息以及实时水平位移信息是否与模拟水平位移信息是否分别相对应即可。

S500、若实际数据信息与模拟数据信息相对应，则对三台阶临时仰拱结构进行施工。

在本实施例中，当实际数据信息与模拟数据信息相对应时，则说明变截面段的沉降以及位移均符合模拟数据值。因此，在此基础上直接对三台阶临时仰拱结构进行施工即可。

本发明通过设置变截面软岩隧道的数学模型，并且获取对应的模拟数据信息，然后在软岩隧道的变截面段设立过渡段，采用预设施工方法对过渡段进行施工，以使得过渡段形成三台阶临时仰拱结构，同时将三台阶临时仰拱结构的实时数据信息与模拟数据信息相比对并判段两者是否相对应，当两个数据信息不相对应时，则对数学模型进行优化，使得两个数据信息相对应。本发明通过在软岩隧道的变截面段设置过渡段，并且对采用预设施工方法施工得到的实时数据信息与模拟数据信息进行比对并判断两者是否相对应，假如两者不相对应，则对数学模型进行优化，以使得两者相对应，使得本发明在实施过程中能够有效解决相关技术中存在的隧道变截面段不便于施工的技术问题，通过本方法，使得本发明实现了对变截面段的软岩隧道进行施工，并且有效降低了软岩隧道变截面段的位移和沉降值。

在一些具体实施例中，将三台阶临时仰拱结构的实际数据信息与模拟数据信息比对并判断实际数据信息与模拟数据信息是否相对应的步骤之后，还包括：

A500、若实际数据信息与模拟数据信息不对应，则对数学模型进行优化，以使实际数据信息与模拟数据信息相对应。

在本实施例中，当实际数据信息与模拟数据信息不对应时，便对数学模型进行优化，使得实时数据信息与模拟数据信息相对应，在本实施例中，在对数学模型进行优化时，主要检查构建的数学模型是否正确，以及构建数学模型的过程是否正确和施加荷载的方式是否正确。当然，在具体实施时，主要检测构建的数学模型是否正确，以及检测在施加荷载是否正确。

在一些具体实施例中，若实际数据信息与模拟数据信息不对应，则对数学模型进行优化，以使实际数据信息与模拟数据信息相对应的步骤，包括：

S410、若实际数据信息与模拟数据信息不对应，则对数学模型的构建过程进行检测并筛选；

在本实施例中，在对数学模型的构建过程进行检测和筛选时，主要检测和筛选模型的建立过程和模拟过程，也即是，检测构建过程中对地质结构的模拟以及构建过程是否正确，以及检测进行荷载模拟时是否正确。

S420、若在构建过程中存在缺陷处，则对缺陷处进行优化，并获取优化数据信息；

在本实施例中，检测过程中，如果存在缺陷处，则对出现的缺陷处进行优化，并获取优化之后所对应的优化数据信息。

S430、将优化数据信息作为模拟数据信息，并返回执行将三台阶临时仰拱结构的实际数据信息与模拟数据信息比对并判断实际数据信息与模拟数据信息是否相对应的步骤，直至实际数据信息与模拟数据信息相对应。

在本实施例中，在比对和判断过程中，可以让整个优化和判断过程跟随施工时获得的实际三台阶临时仰拱结果所面对的实际的地质情况等进行调整或者多次优化，以使得整个优化数据信息与实时数据信息相对应。

在一些具体实施例中，请参阅图2，若实际数据信息与模拟数据信息不对应，则对数学模型的构建过程进行检测并筛选的步骤之后，还包括：

A420、若构建过程不存在缺陷处，则确定目标施工方法；

在本实施例中，当构建过程不存在缺陷时，则确定目标施工方法，同时在优化之后的模型中采用目标施工方法进行施工，以检测目标施工方法对应的模拟沉降值或者模拟位移值是否与实际沉降值或者实际位移值相对应，直到模拟数据信息与实际数据信息相对应时，在将模拟时所确定的目标施工方法作为实际施工方法。

A430、将目标施工方法作为预设施工方法，并返回执行采用预设施工方法对过渡段进行施工，以使过渡段形成三台阶临时仰拱结构的步骤，直至形成变截面段。

在本实施例中，实例的目标施工方法以及实例的临时施工方法可以但不限于如下类型的施工方法：双侧壁导坑法、三台阶临时仰拱法等。

在一些具体实施例中，变截面软岩隧道包括变截面段；

构建变截面软岩隧道的数学模型，并获取模拟数据信息的步骤，包括：

S110、根据地质数据信息，构建变截面段所在区域的非对称应力场下的围岩受力模型，形成数学模型；

在本实施例中，构建变截面段所在区域的非对称应力场下的围岩受力模型时可以采用先获取非对称应力场下的围岩弹性应力解，再根据弹性应力解与塑性准则公式获得塑性区半径方程。

S120、根据数学模型，获取模拟数据信息。

在一些具体实施例中，根据地质数据信息，构建变截面段所在区域的非对称应力场下的围岩受力模型，形成数学模型的步骤，包括：

S111、根据地质数据信息，构建变截面段所在区域的围岩应力计算模型以及土体单元受力模型，形成非对称应力场下的围岩受力模型；

S112、根据非对称应力场下的围岩受力模型，获得围岩弹性应力解析解；

S113、结合围岩弹性应力解析解，获取围岩塑性区半径，形成数学模型。

在一些具体实施例中，预设施工方法包括上部台阶扩挖施工方法；

采用预设施工方法对过渡段进行施工，以使过渡段形成三台阶临时仰拱结构的步骤，包括：

S310、将过渡段按照自上而下的顺序分割为第一施工断面、第二施工断面以及第三施工断面；

S320、采用上部台阶扩挖施工方法对过渡段进行施工，以使第一施工断面、第二施工断面以及第三施工断面构成三台阶结构，形成三台阶临时仰拱结构。

在一些具体实施例中，第一施工断面包括顺次设置的第一开挖段、第二开挖段以及第三开挖段；

采用上部台阶扩挖施工方法对过渡段进行施工，以使第一施工断面、第二施工断面以及第三施工断面构成三台阶结构，形成三台阶临时仰拱结构的步骤，包括：

S321、对第一开挖段所在的围岩区域设立超前支护结构进行预加固，且对第一开挖段进行施工；

在本实施例中，在对第一开挖段进行开挖施工时，首先可采用朝向隧道延伸方向进行开挖，在开挖时，可以在第一施工断面上形成短台阶结构，在形成短台阶结构之后，再朝下开挖或者再朝第二施工断面的方向开挖，直至完成整个第一施工断面的开挖施工。同时，在施工第一施工断面时，还需要使得第一施工断面朝向第二施工断面嵌入至少部分，以使得第二施工断面形成台阶结构，也即是，在对第一施工断面以及第二施工断面进行施工的过程中，第一施工断面未完成施工之前，会形成台阶结构，第二施工断面开挖完成之后，第二施工断面也会形成台阶结构，还即是，在对整个第一施工断面以及第二施工断面进行施工的过程中，第一施工断面以及第二施工断面上可以同时存在台阶结构。通过这一设定的方式，使得本申请在实施过程中能够有效保证整个隧道结构的稳定性，减缓了隧道的沉降、变形以及位移等隐患。

S322、对第二开挖段进行开挖并施作锚杆和支护喷砼；

S323、在第二开挖段与第三开挖段内的交界处，按照远离第一开挖段第一开挖段方向对第三开挖段进行横向开挖，并架立门架、喷射初支砼，且在拱脚处打设锁脚锚管；

S324、顺次对第二施工断面和第三施工断面进行施工，并施作支护结构，以使第一施工断面、第二施工断面以及第三施工断面构成三台阶结构，形成三台阶临时仰拱结构。

在一些具体实施例中，第一施工断面包括顺次设置的第一开挖段、第二开挖段、第三开挖段以及第四开挖段；

采用上部台阶扩挖施工方法对过渡段进行施工，以使第一施工断面、第二施工断面以及第三施工断面构成三台阶结构，形成三台阶临时仰拱结构的步骤，包括：

A321、对第一开挖段以及第二开挖段所在的围岩区域设立超前支护结构进行预加固，且顺次对第一开挖段以及第二施工段进行施工；

在本实施例中，可以根据第一开挖段以及第二开挖段所在区域的围岩等级确定是否需要进行预加固，当围岩等级达到需要预加固的等级要求时，即通过超前小导管、超前大管棚以及注浆或者冷冻法等方式对第一施工断面进行预加固，以使得在进行隧道开挖时不会出现涌水突泥或者坍塌的风险。在完成预加固之后，便按照施工图纸在施工区域进行第一开挖段、第二开挖段的施工。

A322、对第三开挖段进行施工，直至第三开挖段的上部的至少部分嵌入第四开挖段，以使第四开挖段形成第一短台阶结构；

A323、对第一短台阶结构进行施工，以形成第一施工断面结构；

A324、在第一施工断面结构的下方，按照自上而下的顺序分别对第二施工断面以及第三施工断面进行施工，直至第一施工断面、第二施工断面以及第三施工断面共同形成三台阶临时仰拱结构。

在一些具体实施例中，请参阅图2，过渡段包括第一施工段和第二施工段，第一施工段的至少部分未与第二施工段重叠，预设施工方法包括第一预设施工方法和第二预设施工方法；

采用预设施工方法对过渡段进行施工，以使过渡段形成三台阶临时仰拱结构的步骤，包括：

采用第一预设施工方法对第一施工段进行施工，其中，第一预设施工方法为双侧壁导坑法或者上部台阶法中的一种；

将第二施工段按照自上而下的顺序分割为第一施工断面、第二施工断面以及第三施工断面；

采用第二预设施工方法对第二施工段进行施工，以使第一施工断面、第二施工断面以及第三施工断面构成三台阶结构，形成三台阶临时仰拱结构，其中第二预设施工方法与第一预设施工方法相对应。

在一些具体实施例中，请参阅图6至图27，为了实现非轴对称应力场下隧道的塑性区范围计算，相较于均匀应力场，即假设侧压力系数λ为1时求解围岩塑性区难度更大，但实际工程中λ＝1的情况较少，所以非轴对称应力场中塑性区应力解析解对研究隧道施工过程中，围岩破坏机理有很重要的作用。

施工过程中，土体单元平衡方程为公式(2-1)

土体单元满足几何方程(2-2)与物理方程(2-3)：

式中：w为隧道开挖引起土体单元的竖向位移、s为土体单元的切向位移，ε_w为土体极坐标轴中径向应变分量，ε_s为切向应变分量，γ_sw为剪切应变。E 为弹性模量；μ为泊松比。

开挖过程满足变形协调方程：

由边界条件r_t＝d可得σ_r＝0,τ_rθ＝0，当r_t＝∞时，可得：

结合公式(2-1)、(2-2)、(2-3)、(2-4)及边界条件，可得非轴对称应力场中隧道开挖时，围岩弹性应力解析解为：

卡斯特奈曾经提出非轴对称地应力场中塑性区范围的近似解，即将非均匀地应力下的弹性应力解析解代入到塑性准则公式(2-7)中：

得到非均匀应力场中隧道开挖时，围岩塑性区的塑性区半径为：

式中：

α＝d/R；

为围岩内摩擦角；c为土体粘聚力；σ_x为竖向围岩压应力；R为塑性区半径

以某大跨度隧道变截面段为研究对象，由于隧道深埋较大，假设四周承受均匀的水平与竖向应力，且开挖断面为圆形隧道，等代圆半径 r＝(h+d)/4＝7.75m，采取2.3.2节推导出的围岩塑性区近似解，对比计算与数值模拟结果。数值模拟与卡斯特奈近似理论塑性区分布规律较为一致，松动圈扩大区域位于45°角处，且呈蝴蝶状对称分布。但由于理论计算中将开挖断面假设为正圆形，且未考虑隧道截面改变对塑性区的影响，所以理论计算与数值模拟结果存在一定差异。

依托某隧道，介绍了开挖区间内基本情况与工程地质条件，针对软弱围岩隧道施工过程中的施工力学特性变形机理进行了分析，并基于卡斯特奈近似理论，分析并计算了大跨度隧道开挖对的围岩塑性区的影响，主要结论为：

结合隧道开挖时围岩应力的转化过程，对软弱围岩力学特征进行研究，结果表明软岩隧道开挖过程抗扰动性能差、流变性明显、塑性变化较强、易膨胀和发生崩解。

采用卡斯特奈近似理论，得到了非均匀应力场中隧道开挖时，围岩的塑性区半径方程，计算了隧道开挖引起的围岩塑性区分布范围，将模拟结果与理论计算结果进行对比，发现松动圈扩大区域基本位于45°角处，且呈蝴蝶状对称分布，验证了模拟结果的合理性。

为了确保施工方案的可行性，根据现场工况建立数值模型，分析某隧道大跨度变截面区间，开挖与支护的施工过程对隧道土体应力位移的影响。本文采用Midas GTS/NX岩土有限元软件建立三维隧道模型。有限元模型设计为上表面距离地面为66m，为防止边界约束条件对计算产生不利影响，根据圣维南原理并结合现场实际情况，在横向取71m，纵向取100m，隧道中心距离模型底部距离26m，左右边界约束设置为水平方向，底部设置为全约束，计算过程土体采用摩尔—库伦弹塑性模型。地层为泥岩夹砂岩，采用3D网格进行划分，单元数量为65334个，节点数量为16171个。

有限元模型设计为上表面距离地面为66m，为减小有限元模型中边界约束条件对计算结果产生不利影响，根据圣维南原理并结合现场实际情况，在横向取71m，纵向取100m，隧道中心距离模型底部为26m，模型左右的边界约束为水平方向，底边为全约束。计算时假定隧道围岩为连续、均匀、各向同性的弹塑性实体单元，计算中土体采用摩尔—库伦弹塑性模型。地层为泥岩夹砂岩，采用3D网格进行划分。

围岩与初期支护的参数根据现场地质报告及现行规范确定。泥岩岩质较软，饱和单轴抗压强度Ra＝4.3MPa，为极软岩，围岩稳定性较差，数值模拟在材料参数的选取上进行了一定的折算，模型计算参数见表1

表1模型计算参数表

隧道开挖方案的选择影响着围岩应力、变形与支护结构的受力状态，本节通过有限元模型的建立，分析不同施工方法下围岩变化的规律。

根据某东环正线隧道大跨DK43+180～DK43+200的实际工程情况，预设计初期支护结构钢拱架为I20b@0.6m，网片钢筋为

网格尺寸0.2m×0.2m，混凝土设计强度等级为C25，钢拱架与网片布设完成后喷射砼厚度为27cm，隧道拱顶施作4m的φ22中空锚杆，临时支撑采用I18钢架，施工步长度2m，喷混滞后一个施工步。

表2施工阶段划分表

土体开挖后，由于重力效应掌子面上方围岩发生竖直向下的土体位移；仰拱处土体发生隆起形变；沉降与隆起形变的最大值分别发生在隧道的拱顶与仰拱中部位置，最大水平位移基本发生于拱肩或拱脚位置。台阶法隆起极大值为18.61mm，沉降极大值为32.75mm，水平位移最大值为15.41mm；双侧壁导坑法隆起极大值为17.27mm，沉降极大值为25.91mm，水平位移最大值为5.59mm。

为了便于比较两种工法下位移的变化趋势，针对DK43+190断面，选取隧道拱顶、拱底、左右拱肩、左右拱脚，6个关键节点的位移随施工步变化的数据进行整理。

拱顶处沉降与仰拱处隆起的位移时程曲线基本呈现“S”型的发展趋势，隧道开挖时位移开始发生，掌子面推进至选取断面时，变形发生剧烈变化，掌子面远离选取断面时，位移变化量与速率都逐渐减少直至平稳。拱肩与拱脚处收敛分布趋势基本相同，两种方案下，净空收敛时程曲线基本呈现“U”型发展趋势，隧道开挖时收敛开始发生，收敛速度逐渐增大，当开挖掌子面行进至监测断面时，收敛达到最大值，当开挖掌子面远离监测断面时，收敛变化量呈现反向增大，直至平稳。由于对比的两种施工步数略有不同，且开挖掌子面达到选取断面时间也不同，台阶法在开挖目标断面时才发生较大影响，这说明台阶法对开挖断面前方围岩稳定性更有利。

由表3最终位移可知，台阶法沉降量最大位置处于拱顶，值为30.04mm，隆起最大位置处位于拱底，值为18.35mm，净空收敛量最大位置在拱脚，值为2.53mm；双侧壁导坑法沉降量最大位置处于拱顶，值为21.09mm，隆起最大位置处与拱底，值为14.51mm，净空收敛量最大位置处于拱肩，值为5.89mm。两种工法竖向位移最大值位于拱顶位置，最大水平位移分别位于拱脚与拱肩位置，两种工法选取的关键节点竖直方向的位移基本都远大于水平方向位移，说明隧道开挖引起的围岩扰动主要由竖向位移造成。控制拱底隆起、拱顶沉降方面，采用双侧壁导坑法效果较好，沉降值相较于三台阶法大29.7％，隆起值比双侧壁导坑法小20.1％；在控制净空收敛方面，双侧壁导坑法拱肩处较差，台阶法拱脚处较差。说明在控制大断面软弱围岩隧道变形方面，两种工法拥有各自优劣势。综上所述：通过对上述两种工法的模拟可知，在大断面软岩隧道施工中，在控制拱顶沉降方面，采用双侧壁法优于三台阶法；控制净空收敛方面，双侧壁导坑法拱肩处较差，台阶法拱脚处较差，两种方案均符合围岩位移的规范要求；双侧壁导坑法在控制变形方面效果略优于三台阶法，但施工工序繁多，易造成施工进度慢、施工成本高等问题。考虑到本工程为深埋隧道，因此在保证围岩稳定的条件下，为了加快施工进度，建议采用三台阶法施工。

表3 DK43+190断面关键节点最终位移

隧道开挖完成后，三台阶法初支所受环向轴力以压应力为主，局部出现拉应力，拉应力主要集中在右侧拱肩与仰拱位置，双侧壁导坑法初支所受环向轴力仅有压应力。台阶法施工完成后，压应力最大值位于左侧拱脚位置，值为3028.75kN/m，拉应力最大值位于右侧拱腰位置，值为177.69kN/m；双侧壁导坑法施工完成后，压应力最大值位于左侧拱腰位置，值为5247.10kN/m，相较于台阶法最大压力增大，增幅约为42.3％。

隧道开挖完成后，台阶法施工完成后，最大正弯矩位于左侧拱腰位置，值为62.90kN·m/m，最大负弯矩位于右侧拱脚位置，值为48.04kN·m/m；双侧壁导坑法施工完成后，最大正弯矩位于拱顶位置，值为96，96kN·m/m，相较于台阶法最大正弯矩有较大增加，减幅约为50.5％，最大负弯矩值位于右侧拱腰位置，为127.04kN·m/m，相较于台阶法最大负弯矩增大，增幅约为23.7％。两种工法的临时支撑处应力变化较大，支撑加强了对支护结构应力的承担，因此土体变形相对较小，并导致支护结构受力增大。

台阶法中锚杆最大拉力出现在拱肩位置，为282.54kN，拱顶处发生最大压力，为1.99kN，压应力主要分布在锚杆拱顶靠近土体一端；双侧壁导坑法中拱顶处发生最大拉力，为91.88kN，相较于台阶法拉力明显减少，减幅约为 67.5％，最大压力出现在拱顶位置，为5.81kN，，中压应力主要分布在左右拱肩靠近土体一端，两种工法施工时锚杆结构轴力均出现负值，双侧壁导坑法最大负值较台阶法增幅约为66％，这证明双侧壁导坑法锚杆受压更大，对于支护结构的安全性不利。

通过对比台阶发与双侧壁导坑法隧道施工塑性区发展可以发现，台阶法的塑性应变极值为0.0036，双侧壁导坑法的塑性应变极值为0.0032，台阶法塑性应变极值与双侧壁导坑法基本相等，在塑性区的分布上，两种工法塑性区都分布在隧道四周，分布范围较为对称，无偏压现象发生，且无塑性区贯通的现象。台阶法主要分布在两侧拱腰与拱脚位置，双侧壁导坑法主要分布在两侧拱脚位置，说明两种工法都很好的抑制了围岩的塑性发展。

由上述分析可知，两种工法在针对某隧道大跨度软弱围岩段施工时，不同方案有各自的优势。控制拱顶沉降、净空收敛方面，双侧壁导坑法优于三台阶法；支护结构受力方面，轴力与弯矩的最大值基本都出现在拱腰与拱脚处，需加强施工过程中的监控测量，双侧壁导坑法支护结构受力均大于三台阶法，所以双侧壁导坑法对支护结构的要求更高。结合隧道变形情况对比分析两种施工方案受力情况可知，隧道开挖卸荷导致围岩向掌子面内发生移动，土体应力重新分布。由于施作初期支护阻止了隧道围岩变形，因此围岩产生应力一部分由发生应力重分布的土体承担，另一部分由初期支护承担，由于临时支撑的存在，隧道支护结构与临时支撑相交处产生较大应力，施作临时横撑时应注意，除了加强拱肩及拱脚位置处应力监测外还应加强初期支护与临时支撑相交处的应力监测。由于本工程开挖断面较大、围岩受力复杂，因此在保证安全施工和工程质量的前提下选择安全的施工工艺尤为重要，故根据围岩的变形和受力分析结果建议采用台阶法施工，施工时应加强对拱肩及拱脚位置的应力监测。

本章以某大跨度变截面隧道DK42+900～DK46+545段为工程背景，通过建立三维有限元模型，对三台阶法和双侧壁导坑法施工方案进行数值模拟，研究了不同施工方案对拱顶沉降、净空收敛、支护结构受力以及塑性区的影响。通过分析采用不同施工方案的拱顶沉降、净空收敛、支护结构受力的变化规律，得出了以下结论：

大断面软弱围岩施工过程中，围岩变形控制方面，台阶法拱顶沉降最大值30.04mm，最大拱底隆起为18.33mm，最大净空收敛为2.53mm；双侧壁导坑法最大拱顶沉降量为21.09mm，最大拱底隆起为14.51mm，最大净空收敛量为5.89mm，控制拱底隆起、拱顶沉降方面，双侧壁导坑法效果较好。两种工法竖向位移最大值位于拱顶位置，最大水平位移分别位于拱脚与拱肩位置，两种工法竖向位移基本大于水平位移，隧道开挖引起的围岩扰动主要由竖向位移造成。

开挖过程中，台阶法初支所受环向轴力以压应力为主，局部出现拉应力，压应力最大值为3028.75kN/m；双侧壁导坑法初支所受环向轴力仅有压应力，压应力最大值为5247.10kN/m，相较于台阶法增幅约为42.3％。台阶法最大正弯矩为62.90kN·m/m，最大负弯矩为48.04kN·m/m；双侧壁导坑法最大正弯矩为96.96kN·m/m，相较于台阶法增幅约为50.5％，最大负弯矩为127.04kN·m/m，相较于台阶法增幅约为23.7％。双侧壁导坑锚杆受压相较于台阶法，增幅约为 66％。支护结构内力方面，双侧壁导坑法对支护结构的要求更高。

综合考虑隧道围岩变形受力、支护结构受力情况以及施工进度等，建议本工程采用三台阶法施工。由于隧道施工过程中临时支撑的存在，会导致其与支护结构交汇处产生较大应力，因此需要加强交汇处的应力监测。

本章在前文已确定的开挖方案基础上，进一步探讨隧道截面改变情况下工法的数值模拟。在变截面隧道施工过程中，过渡段的应力与位移可以直接反映大跨度隧道的稳定状况，基于开挖断面转化的工程实践，针对某隧道开挖断面大、拆除竖撑技术复杂、超前支护无法施作等特点，采用在变截面位置处设置过渡段，运用三台阶临时仰拱法施工，调整临时竖撑的位置保证隧道的正常施工。通过有限元数值模拟方法，分析得到隧道小跨度段过渡到大跨度段的开挖及支护施作全过程围岩位移及应力分布规律。

某隧道开挖断面转换，用来引入某车站联络线，其中施工段DK43+150～ DK43+304段为某车站右联络线三线分岔大跨段，DK43+150处左侧不变，右侧直拐，隧道断面由15.12m×13.61m突变为20.51×14.22m。

为了分析大跨度变截面隧道地层变形规律，并分析设立三台阶临时仰拱法为过渡段施工在地表沉降、隧道变形、围岩稳定性及衬砌结构受力的不同，模型尺寸土层、支护参数等均上章相同。围岩应力不考虑构造应力对土层和支护结构的影响，仅考虑自重作用，在模型底部和左右两侧设置水平和竖向约束。

本节模拟根据某隧道DK43+108～DK43+257段的工程情况，按实际施工顺序进行分步开挖，小跨度段与大跨度段围岩分别采取两台阶法、三台阶七步法开挖，施工步长度2m；过渡段工法为三台阶临时仰拱法，实际施工过程中过渡段施工难度较大，所以施工步长度设为0.6m，初支滞后隧道开挖与锚杆施作一个施工步，二衬在各段开挖支护完成后进行施作。

为了使变截面处围岩变形特征对比结果更加直观，本节将重点针对隧道开挖中的四个不同断面，即为小跨度段(断面Ⅰ)、小跨度段变截面(断面Ⅱ)、大跨度段变截面(断面Ⅲ)、大跨度段(断面Ⅳ)的岩体形变进行分析与研究。

为验证三台阶临时仰拱法的合理性，选取小跨度段开挖支护完成、过渡段开挖支护完成、隧道贯通围岩支护完成，三个施工步隧道贯通后的竖向与水平位移云图进行分析。

不同施工步开挖过程中，围岩的竖向位移指向隧道临空面，竖直位移呈抛物线形状，围岩的竖向位移均在隧道拱顶及拱底处达到最大，开挖过程中上部土层竖向位移逐渐增大，两侧边墙的竖向位移较小，对隧道施工稳定性影响较小。围岩的竖向沉降与隆起最小值均出现在小跨度段开挖支护完成时，数值分别为27.93mm、27.76mm，沉降与隆起最大值出现在隧道贯通后，数值分别为48.72mm、37.94mm。由水平位移分析得出：施工过程中围岩土体的水平位移基本均指向开挖临空面；开挖洞体周围水平位随着施工步的进行逐渐增大；隧道各断面开挖支护完成后，水平位移最大值都分布在右侧边墙处，小跨度段施工完成后最大值为23.46mm，变截面段施工完成后最大值为 22.45mm，最大值均位于隧道初始开挖截面，隧道贯通后最大值为25.25mm，位于隧道贯通截面。

为了便于对比分析，论文选取三个断面的拱顶、拱底、左右拱腰与左右拱脚六个节点，针对整体施工过程的竖向位移进行分析。

隧道贯通后，拱顶处沉降值为28.36mm，仰拱处隆起值为25.59mm，左侧拱腰处沉降15.76mm，右侧拱腰处沉降15.55mm，左侧拱脚处沉降3.11mm，右侧拱脚处沉降4.29mm。随着隧道施工的进行，各处竖向位移基本呈增长趋势，拱顶和拱底增幅最大，其次是左右拱腰，左右拱脚增幅最小，主要发生在小跨度段上台阶开挖，拱腰与拱脚变化整体基本一致。小跨度段上台阶开挖完成，引起土体竖向位移发生较大变化；施工至过渡段开挖完成，土体竖向位移变化主要集中在拱顶、拱底处，三台阶临时仰拱法上部开挖产生较大突变。

隧道贯通后各点水平位移值分别为0.16mm，0.30mm，2.90mm，4.27mm， 0.44mm，0.48mm。拱腰与拱脚位置水平位移变化较大，两侧拱腰位移最大，开挖对拱顶与拱底位移影响较小，两侧拱腰与拱脚分布规律基本一致。随着0 至7施工步推进，小跨度段上台阶开挖完成，拱腰、拱脚处位移发生突变；8 至16施工步，施工至小跨度段下台阶开挖完成，拱腰处位移持续增加，拱脚位移先增后减。过渡段开挖后由于断面Ⅰ围岩受到开挖掌子面处的部分卸荷，导致拱腰与拱脚处水平位移减少，拱顶与拱底位移影响较小，拱脚与拱脚对应两侧位置位移方向相反分布规律较为一致，过渡段开挖完成后断面仰拱、拱顶及左右拱腰处水平位移均逐渐稳定

隧道贯通后拱顶竖向位移为29.06mm，仰拱竖直位移为24.17mm，左侧拱腰竖向位移为17.54mm，右侧拱腰竖向位移为16.56mm，左侧拱脚竖向位移为2.87mm，右侧拱脚竖向位移为3.89mm。随着隧道施工的进行，断面Ⅱ各点竖向位移呈增长趋势，拱顶和拱底处增幅最大，其次是左右拱腰，两者变化趋势基本一致，左右拱脚增幅最小，主要发生在小跨度段上台阶开挖。小跨度段上台阶开挖完成，引起土体竖向位移发生较大变化；施工至过渡段开挖完成，土体竖向位移变化主要集中在拱顶与拱底，三台阶临时仰拱法上部开挖会导致竖向位移突变。

隧道贯通后，拱顶处水平位移为0.08mm，仰拱处水平位移为0.65mm，左侧拱腰水平位移2.77mm，右侧拱腰水平位移为6.70mm，左侧拱脚水平位移为0.18mm，右侧拱脚水平位移为2.40mm。拱腰与拱脚变化最为明显，小跨度段台阶法开挖完成，引起围岩各点水平位移均有增加，拱顶与拱底处最为明显，过渡段开挖后右侧拱腰位移突变最大，拱顶与拱底位移影响较小，拱脚对应两侧位置分布规律较为一致，过渡段开挖开始后右侧拱腰水平位移值均大于左侧拱腰。过渡段开挖完成后各点位移均逐渐稳定。

隧道贯通后，拱顶处沉降25.36mm，仰拱处隆起22.49mm，左侧拱腰处沉降16.62mm，右侧拱腰处沉降12.41mm，左侧拱脚处沉降1.03mm，右侧拱脚处沉降0.96mm。各点竖向位移基本呈增长趋势，竖向位移增幅最大为拱顶与拱底，其次是左右拱腰，左右拱脚增幅最小。随着0至7施工步推进，小跨度段上台阶开挖完成，引起土体竖向位移增加；小跨度段下台阶开挖，对土体竖向位移影响较小；过渡段施工过程中，围岩变形速率随掌子面推进逐渐增大；目标断面处围岩开挖时，围岩变形量急剧增大；随着掌子面远离目标断面，围岩变形速率逐渐减小，变形量增加缓慢；施工步30后各个监测点竖向位移均趋于稳定。

隧道贯通后，拱顶处水平位移为1.88mm，仰拱处水平位移为1.78mm，左侧拱腰水平位移4.11mm，右侧拱腰水平位移为0.58mm，左侧拱脚水平位移为0.45mm，右侧拱脚水平位移为0.12mm，拱顶与拱底水平位移方向一致，左右拱腰处围岩水平变形量相差较大，在该断面过渡段下台阶土体开挖完成后，水平位移基本稳定。小跨度段台阶法开挖完成，引起土体水平位移增加。过渡段开挖，隧道拱顶与仰拱处围岩与断面Ⅰ拱顶、仰拱的水平位移相比变形量较大且断面Ⅲ处仰拱的水平位移方向与断面Ⅰ仰拱位移方向相反，因此该处仰拱支护结构易发生剪切破坏。

拱顶处沉降37.08mm，仰拱处隆起28.45mm，左侧拱腰处沉降22.17mm，右侧拱腰处沉降20.78mm，左侧拱脚处沉降2.94mm，右侧拱脚处沉降3.02mm，各点较加宽段变截面竖向位移减量约为24.2％、39.5％、3.3％、17.8％、51.6％、 58.6％。随着隧道施工的进行，变截面各处竖向位移基本呈增长趋势，其中拱顶和拱底竖向位移增幅最大，其次是左右拱腰，左右拱脚位移很小。随着0 至7施工步推进，小跨度段上台阶开挖完成，各节点竖向位移都有增加；8至 16步为小跨度段下台阶开挖，对围岩竖向位基本没有影响；17至25施工步为过渡段施工，拱顶与仰拱处围岩与小跨度段水平位移相比变形量较大且仰拱的水平位移方向与加宽段变截面仰拱位移方向相同。

隧道贯通后，拱顶处水平位移为0.32mm，仰拱处水平位移为0.62mm，左侧拱腰水平位移3.40mm，右侧拱腰水平位移为0.96mm，左侧拱脚水平位移为1.52mm，右侧拱脚水平位移为1.38mm。左拱腰位置处水平位移变化明显，拱顶与拱底位移影响较小，拱脚对应两侧位置分布规律较为一致，过渡段开挖开始后左右拱腰位移量先增后减，过渡段下部开挖导致左拱腰处位移大幅增加。

通过对比四个断面的处的竖向位移，可得出以下结论：

隧道开挖由普通断面过渡到大截面过程中竖向位移发生突变，围岩竖向位移随开挖逐渐增大，隧道开挖过程竖向位移分布较为合理。断面Ⅰ、断面Ⅱ、断面Ⅲ、断面Ⅳ的拱顶沉降位移分别为28.36mm、29.06mm、25.36mm、 37.08mm仰拱隆起量分别为25.59mm、24.17mm、22.49mm、28.45mm。从以上数据得知，设立三台阶临时仰拱法可减少变截面段拱顶的竖向位移，变截面处围岩最大位移量大于小跨度段的各断面围岩最大位移量，小于大跨度段的各断面围岩最大位移量，过渡段前后断面处围岩位移量变化明显。

隧道开挖支护完成后，三个断面两侧边墙的相同位置处，由于过渡段的设立，造成竖向位移产生差异，将三个断面的拱腰与拱脚处的位移做比，如表4异侧边墙相同位置处竖向位移比所示，小跨度段段变截面处位移比大于大跨度段变截面，产生这个现象的原因是变截面处堵头墙的存在，导致小跨度段变截面处右边墙围岩的竖向位移增大，同时抑制大跨度段变截面处右边墙围岩的竖向变形。

表4异侧边墙相同位置处竖向位移比

通过对比四个断面的处的水平位移，可得出以下结论：

变截面处小跨度段和加宽段的拱顶水平位移值相差较小，且位移方向相同；小跨度段和加宽段的仰拱水平位移值相差较大而且位于同一竖向平面内的两点位移的方向相反，会导隧道底部支护结构发生剪切破坏，三台阶临时仰拱法设立横撑很好的抑制了围岩的水平位移。

隧道开挖支护完成后，三个断面两侧边墙的相同位置处，会由于过渡段的设立，造成水平位移产生差异，为了使分析研究直观，将三个断面的拱腰与拱脚处的位移比值进行总结。如表5所示，小跨度段变截面处位移比最大，变截面段堵头墙的存在会导致小跨度段变截面处右侧边墙的水平位移变大，并且会抑制加宽段变截面处右侧边墙的水平变形。

表5异侧边墙相同位置处水平位移比

小跨度段开挖完成，压应力最大值发生在左侧拱脚，为1.16MPa；下部台阶开挖断面受拉应力，导致有土体隆起的，拱底中间位置拉应力值较大，拉应力分布均匀，其值约为0.04MPa，施工期间及时添加仰拱使开挖隧道形成闭环，抑制了围岩应力集中现象。过渡段开挖完成后，拉应力最大值发生在过渡段左侧拱腰位置，值为0.16MPa，压应力发生在小跨度段左拱脚位置，其值为1.94MPa；掌子面土体拉应力最大值为0.16MPa。隧道贯通支护完成后，拉应力最大值发生在过渡段与大跨段连接左拱腰位置，其值为0.16MPa，压应力最大值发生在小跨度段左拱脚位置，其值为2.29MPa。隧道开挖过程中，断面围岩的最大主应力均呈增大趋势。小跨度段开挖时，掌子面左右拱腰处围岩的最大主应力变化幅度较大，隧道扩大断面段上台阶开挖后，左右边墙处最大主应力减小，右侧边墙减小幅度大于左侧。大跨度右侧拱脚与过渡段左侧拱脚、拱腰与拱底处拉应力较大。

小跨度段开挖支护完成，压应力最大值发生在左侧拱脚，值为3.30MPa；拱底位置拉应力大小分布较为均匀。过渡段开挖之后完成后，拉应力最大值发生在小跨度段拱顶位置，值为0.01MPa，压应力发生在小跨度段左侧拱脚位置，其值为4.04MPa；掌子面土体拉应力最大值为2.36MPa。隧道贯通支护完成后，除小跨度段拱顶位置外围岩最小主应力均为压应力，截面变化连接处拱脚位置有应力集中现象，最大值发生在小跨度段与变截面段连接处左拱脚位置，其值为4.43MPa。

三台阶临时仰拱法上台阶开挖初衬施作后，衬砌最大主应力基本为正值，主要分布在小跨度段拱顶、变截面处堵头墙及衬砌连接处，主应力最大值在小跨度段左侧拱腰位置，为15.10MPa，说明过渡段堵头墙处出现较大拉应力，负值分布在小跨度段拱肩位置处，原因为上台阶开挖导致衬砌与围岩连接处土体卸荷导致此处受压，施工过程中易发生剪切破坏，施工过程中需要加强小跨度段拱肩与土体连接处变形的监测。过渡段中台阶支护完成并添加横撑后，主应力最大值进一步增大，主应力最大值转移至过渡段右侧拱肩堵头墙处，为35.12MPa，相比上台阶支护完成，小跨度段左侧拱肩最大主应力由 15.19MPa减少为10.00MPa，过渡段拱顶与土体连接处有压应力的分布。过渡段下台阶支护完成并添加堵头墙后，最大主应力位于右侧拱肩堵头墙处，与上一施工步位置相同，其值由35.12MPa增加至36.37MPa，变截面处堵头墙与小跨度段连接处应力值较大且均为正值，压应力分布于拱顶与土体连接处。隧道贯通后主应力最大值为38.69MPa，主应力分布规律与变截面支护完成基本相同，压应力分布与小跨度段左侧拱腰与过渡段两侧拱腰处。由此可见，过渡段开挖直至隧道贯通后，过渡段拉应力最大值基本都分布于右侧拱肩堵头墙，且数值逐渐增加；小跨度段左侧拱腰、过渡段堵头墙、过渡段拱顶与土体连接处、过渡段两侧拱腰处均有压应力产生，有发生剪切破坏的可能，施工过程中需加强变形的监控量测，小跨度段与变截面段应尽早形成封闭的支护结构。

隧道贯通后塑性应变极值为0.053，隧道小跨度段与大跨度段的塑性区均分布于拱腰与拱脚位置，大跨度段由于工法和开挖断面较大的原因，塑性区分布范围更广；过渡段与普通断面连接处塑性区分布在连接处与堵头墙的位置；过渡段与大跨度段连接处塑性区主要分布在左右两侧拱脚位置。施工过程中土体卸载会导致水平方向产生较大变形，要加强水平收敛量测；塑性区发展较为严重的区域，需要加强监测防止支护结构发生过大形变而导致破坏，保证隧道围岩的稳定。

在大跨度软岩隧道加宽变截面施工过程中，变截面处围岩受力复杂，位移及应力变化较大，为给予变截面施工提供合理的施工参考，研究变截面处的施工优化尤为重要。本章已针对隧道开挖断面改变的实际工程问题，提出了设立过渡段的解决方法，这种工法在一定程度上可以满足隧道开挖的设计要求，但大断面开挖时，变截面处不同工法的转换存在一定困难，过渡工序转化复杂，掌子面施工空间不足，导致设备进场较难，不同跨度之间支护结构连接难度较大，易发生坍塌的安全问题，从而影响隧道开挖的进度与质量。本文提出两种针对三台阶临时仰拱法上部台阶的改良扩挖工法，分别为支立门架法(工况1)和类正洞台阶法(工况2)来解决上述施工问题。

工况1，施工步骤为：(1)小跨度段开挖与二衬设立完成；(2)在导洞1 周围设立超前支护结构进行预加固，然后开挖导洞1，施作锚杆与支护喷混； (3)导洞2开挖，施作初支与上部锚杆；(4)横向开挖导洞3，开挖进尺为 1m，并架立门架、喷射初支混凝土，拱脚处打设锁脚锚管。(5)大跨度段开挖，施作支护结构。

工况2，施工步骤为：(1)小跨度段开挖与二衬设立完成；(2)在导洞1 周围设立超前支护结构进行预加固，然后开挖导洞1，施作锚杆与支护喷混； (3)导洞2开挖，竖向支撑与拱架形成右拐门洞；(4)导洞3-1一次性开挖，边墙预留台阶(5)开挖导坑3-2，施作衬砌，形成封闭支护结构；(6)大跨度段开挖，施作支护结构。

过渡段上右部分开挖支护完成之后，方案1所引起的洞周竖向位移最大值为14.13mm，方案1所引起的洞周竖向位移最大值为17.19mm。为进一步对比两种工法对洞周竖向位移的影响，选取整体变截面施工步骤的竖向位移进行分析，可知上右部分施工完成后，方案1引起的拱顶、拱腰、拱脚沉降分别为1.34mm，6.33mm，2.04mm；方案2分别为5.01mm，7.19mm，4.19mm，方案1引起的沉降均小于方案2，并且发展平缓，说明方案1对洞周土体的变形控制效果优于方案2。

两方案下过渡段上右部分施工过程中，y＝14m处洞周土体的应力云图。对比两种工法下土体应力的分布可以看出：方案1第三榀门架处施工完成后，由于土体临空，下部土层出现压应力,最大值为0.17MPa；由于大断面上台阶采用3导坑开挖，上部压应力较小，最大值为0.42MPa，洞周土体应力分布均匀；开挖掌子面无拉应力出现且应力较小，土体沿y轴掘进方向临空面未产生较大应力，洞周土体应力分布比较均匀,最大值为0.62MPa。方案2开挖支护完成后，上部临空面应力分布均匀且应力值较小，但分布不均匀。从图17(b) 可以看出上台阶开挖后，上部临空面和未开挖土体出现拉应力；开挖掌子面出现两处应力集中现象且应力值较大，最大值为0.77MPa，最小值为0.03MPa。方案2开挖支护完成后，整体应力分布趋势与方案1相似。开挖结果证明施工过程中，两种方案的施工工法与支护结构对洞周土体应力的控制效果较好，其中方案1比方案2应力分布的情况更加稳定，较好的解决了应力集中现象。

方案1过渡段开挖完成后主应力最大值分布在拱脚与土体连接处，约为21.53MPa，由于土体对衬砌的挤压，造成此处应力集中明显；主应力最小值位于大断面开挖上下台阶交界处，约为0.24MPa，说明土体连接处和交界处承受较大主应力。由图18(b)可知：方案2主应力最大值与方案1位置相同，约为2.94MPa，主应力最小值位于上台阶衬砌处，约为0.84MPa。过渡段开挖完成后衬砌上部出现大面积拉应力，应力分布不均匀。对比两种工法可知：隧道过渡段使用支立门架法施工可以使衬砌应力分布均匀，并且仅在衬砌连接处产生拉应力。土体、衬砌连接处应力较大，隧道开挖过程当中需要加强监测、适当增加衬砌强度，保证施工安全。

在变截面施工结束后，两方案塑性应变等值面塑性区分布。由图可知方案1和方案2塑性应变极值为0.0169和0.0175，塑性区主要分布在小断面和过渡段初期开挖截面、过渡段和土体临空面、大断面开挖掌子面，隧道开挖时由于土体卸载引起的土体位移会加剧塑性区的发展，隧道开挖时需要对过渡段面以及土体临空面进行监测，保证围岩开挖的稳定性。对比两种方案可知：方案1有效地抑制了过渡段上部洞周土体的塑性发展。

某隧道施工过程中，拱顶竖向位移最大为25.83mm，最小为17.12mm；仰拱的竖向位移最大为18.62mm，最小为14.13mm。位移分布较为合理，改良的三台阶临时仰拱法有效地控制了土体开挖引起的竖向位移。变截面处拱顶位移突变化较大，需要对支护结构加强监测。

隧道过渡段选用支立门架法和类正洞台阶法施工，有效地衔接了开挖工作面，同时减少了超前支护无法施作的问题，并且施工过程中未有发生土体塌落等现象，有效地抑制洞周土体变形与应力变化。支立门架法适合围岩较为破碎的工况；类似正洞台阶法适合在围岩较完整的工况。

针对某大跨度隧道变截面段，建立有限元模型，研究其施工力学特性，分析变截面处设置过渡段对围岩位移变化规律及受力特征的影响，得出以下结果：

隧道设立三台阶临时仰拱法作为过渡段施工时，沉降与隆起最大值出现在隧道贯通后，数值分别为48.72mm、37.94mm；各施工段水平位移最大值均分布右侧边墙处，小跨度段施工完成后最大值为23.46mm，变截面段施工完成后最大值为22.45mm，隧道贯通后最大值为25.25mm。设立三台阶临时仰拱法可减少变截面段拱顶的竖向位移，变截面处围岩最大位移量大于小跨度段的各断面围岩最大位移量，小于大跨度段的各断面围岩最大位移量。

过渡段前后断面处围岩位移量变化明显，会造成施工断面两侧边墙位移产生差异，小跨度段变截面处右边墙与左边墙位移比大于大跨度段变截面，其拱腰竖直位移比为0.94，水平位移比为2.42，拱脚竖直位移比为1.36，水平位移比为1.54，变截面处堵头墙的存在，导致小跨度段右边墙围岩的位移增大，同时抑制大跨度段右边墙围岩的变形。

隧道开挖过程中，断面围岩的最大主应力均呈增大趋势，拉应力最大值为0.16MPa，压应力最大值为2.29MPa。小跨度段开挖时，掌子面左右拱腰处围岩的最大主应力变化幅度较大，隧道扩大断面段上台阶开挖后，左右边墙处最大主应力减小，右侧边墙减小幅度大于左侧。大跨度右侧拱脚与过渡段左侧拱脚、拱腰与拱底处拉应力较大，截面变化连接处拱脚位置有应力集中现象。

过渡段开挖直至隧道贯通后，过渡段衬砌结构拉应力最大值基本都分布于右侧拱肩堵头墙，且数值逐渐增加，最终值为36.37MPa；小跨度段左侧拱腰、过渡段堵头墙、过渡段拱顶与土体连接处、过渡段两侧拱腰处均有压应力产生，有发生剪切破坏的可能，施工过程中需加强变形的监控量测，小跨度段与变截面段应尽早形成封闭的支护结构。

通过两种过渡段优化工法对比发现：

设立过渡段施工过程中，隧道开挖过程竖向分布较为合理，未出现大面积应力集中现象，三台阶临时仰拱法可减少变截面段拱顶的竖向位移。不同断面两侧边墙的相同位置处，由于过渡段的设立，造成竖向位移产生差异。变各断面拱顶、拱底、右拱腰与右拱脚处存在剪切破裂的可能；三台阶临时仰拱法设立横撑很好的减少了开挖掌子面的水平位移。变截面处堵头墙的存在，会导致小跨度段变截面处右侧边墙的位移增大，同时会削弱加宽段右侧边墙变形。

设立过渡段施工过程中，掌子面附近的主应力大部分为压应力，拉应力集中在拱底掌子面周围。喷混结构拉应力极值位于堵头墙与过渡段连接处，压应力极值位于堵头墙中间处；最小主应力中拉应力极值位于过渡段右侧拱脚位置，压应力极值位于大跨度段左侧拱腰位置；喷混结构弯矩云图中，最大正弯矩位于大跨度段左侧拱腰位置，最大负弯矩位于过渡段拱顶处。支护结构主应力在各断面连接处应力集中现象较明显，小跨度段与大跨段应力分布基本均匀。

改良的三台阶临时仰拱法，有效地控制了土体开挖引起的竖向位移。隧道过渡段选用支立门架法和类正洞台阶法施工，有效地衔接了开挖工作面，同时减少了超前支护无法施作的问题，并且施工过程中未有发生土体塌落等现象，有效地抑制洞周土体变形与应力变化。支立门架法适合围岩较为破碎的工况；类似正洞台阶法适合在围岩较完整的工况。

本发明技术方案通过将隧道变截面段划分为第一施工段和第二施工段，并且第一施工段的至少部分与第二施工段的至少部分未重叠，然后将第二施工段按照自上而下的方向分割为第一施工断面，第二施工断面和第三施工断面，同时在第一施工断面上进行导洞施工，以形成第二施工段的拱顶结构，然后在拱顶结构的下方，按照自上而下的顺序分别对第一施工断面、第二施工断面以及第三施工断面进行施工，直至第一施工断面、第二施工断面以及第三施工断面共同形成三台阶临时仰拱结构。本发明通过采用三台阶法施工方式对变截面段进行施工，能够在变截面段形成三台阶临时仰拱结构，通过这一结构，使得本发明在施工过程中能够对隧道形成支护结构，进而使得整个变截面段在穿越软弱围岩区域时不会发生较大的沉降或者位移，解决了相关技术无法保证隧道变截面段穿越软弱围岩区域时存在位移、沉降均较大的缺陷。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种变截面软岩隧道施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

构建所述变截面软岩隧道的数学模型，并获取模拟数据信息；

在所述软岩隧道的变截面段设立过渡段；

采用预设施工方法对所述过渡段进行施工，以使所述过渡段形成三台阶临时仰拱结构；

将所述三台阶临时仰拱结构的实际数据信息与所述模拟数据信息比对并判断所述实际数据信息与所述模拟数据信息是否相对应；

若所述实际数据信息与所述模拟数据信息相对应，则对所述三台阶临时仰拱结构进行施工。

2.根据权利要求1所述的变截面软岩隧道施工方法，其特征在于，所述将所述三台阶临时仰拱结构的实际数据信息与所述模拟数据信息比对并判断所述实际数据信息与所述模拟数据信息是否相对应的步骤之后，还包括：

若所述实际数据信息与所述模拟数据信息不对应，则对所述数学模型进行优化，以使所述实际数据信息与所述模拟数据信息相对应。

3.根据权利要求1所述的变截面软岩隧道施工方法，其特征在于，所述若所述实际数据信息与所述模拟数据信息不对应，则对所述数学模型进行优化，以使所述实际数据信息与所述模拟数据信息相对应的步骤，包括：

若所述实际数据信息与所述模拟数据信息不对应，则判断所述数学模型的构建过程是否存在缺陷处；

若在所述构建过程中存在缺陷处，则对所述缺陷处进行优化，并获取优化数据信息；

将所述优化数据信息作为所述模拟数据信息，并返回执行将所述三台阶临时仰拱结构的实际数据信息与所述模拟数据信息比对并判断所述实际数据信息与所述模拟数据信息是否相对应的步骤，直至所述实际数据信息与所述模拟数据信息相对应。

4.根据权利要求3所述的变截面软岩隧道施工方法，其特征在于，所述若所述实际数据信息与所述模拟数据信息不对应，则判断所述数学模型的构建过程是否存在缺陷处的步骤之后，还包括：

若所述构建过程不存在缺陷处，则确定目标施工方法；

将所述目标施工方法作为所述预设施工方法，并返回执行采用预设施工方法对所述过渡段进行施工，以使所述过渡段形成三台阶临时仰拱结构的步骤，形成所述变截面段。

5.根据权利要求1所述的变截面软岩隧道施工方法，其特征在于，所述变截面软岩隧道包括变截面段；

所述构建所述变截面软岩隧道的数学模型，并获取模拟数据信息的步骤，包括：

根据地质数据信息，构建所述变截面段所在区域的非对称应力场下的围岩受力模型，形成所述数学模型；

根据所述数学模型，获取模拟数据信息。

6.根据权利要求5所述的变截面软岩隧道施工方法，其特征在于，所述根据地质数据信息，构建所述变截面段所在区域的非对称应力场下的围岩受力模型，形成所述数学模型的步骤，包括：

根据所述地质数据信息，构建所述变截面段所在区域的围岩应力计算模型以及土体单元受力模型，形成所述非对称应力场下的围岩受力模型；

根据所述非对称应力场下的围岩受力模型，获得围岩弹性应力解析解；

结合所述围岩弹性应力解析解，获取围岩塑性区半径，形成所述数学模型。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的变截面软岩隧道施工方法，其特征在于，所述预设施工方法包括上部台阶扩挖施工方法；

所述采用预设施工方法对所述过渡段进行施工，以使所述过渡段形成三台阶临时仰拱结构的步骤，包括：

将所述过渡段按照自上而下的顺序分割为第一施工断面、第二施工断面以及第三施工断面；

采用上部台阶扩挖施工方法对所述过渡段进行施工，以使所述第一施工断面、第二施工断面以及第三施工断面构成三台阶结构，形成所述三台阶临时仰拱结构。

8.根据权利要求7所述的变截面软岩隧道施工方法，其特征在于，所述第一施工断面包括顺次设置的第一开挖段、第二开挖段以及第三开挖段；

所述采用上部台阶扩挖施工方法对所述过渡段进行施工，以使所述第一施工断面、第二施工断面以及第三施工断面构成三台阶结构，形成所述三台阶临时仰拱结构的步骤，包括：

对所述第一开挖段所在的围岩区域设立超前支护结构进行预加固，且对所述第一开挖段进行施工；

对所述第二开挖段进行开挖并施作锚杆和支护喷砼；

在所述第二开挖段与所述第三开挖段内的交界处，按照远离所述第一开挖段第一开挖段方向对所述第三开挖段进行横向开挖，并架立门架、喷射初支砼，且在拱脚处打设锁脚锚管；

顺次对所述第二施工断面和所述第三施工断面进行施工，并施作支护结构，以使所述第一施工断面、第二施工断面以及第三施工断面构成三台阶结构，形成所述三台阶临时仰拱结构。

9.根据权利要求7所述的变截面软岩隧道施工方法，其特征在于，所述第一施工断面包括顺次设置的第一开挖段、第二开挖段、第三开挖段以及第四开挖段；

所述采用上部台阶扩挖施工方法对所述过渡段进行施工，以使所述第一施工断面、第二施工断面以及第三施工断面构成三台阶结构，形成所述三台阶临时仰拱结构的步骤，包括：

对所述第一开挖段以及所述第二开挖段所在的围岩区域设立超前支护结构进行预加固，且顺次对所述第一开挖段以及所述第二施工段进行施工；

对所述第三开挖段进行施工，直至所述第三开挖段的上部的至少部分嵌入所述第四开挖段，以使所述第四开挖段形成第一短台阶结构；

对所述第一短台阶结构进行施工，以形成所述第一施工断面结构；

在所述第一施工断面结构的下方，按照自上而下的顺序分别对所述第二施工断面以及所述第三施工断面进行施工，直至所述第一施工断面、所述第二施工断面以及所述第三施工断面共同形成三台阶临时仰拱结构。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的变截面软岩隧道施工方法，其特征在于，所述过渡段包括第一施工段和第二施工段，所述第一施工段的至少部分未与所述第二施工段重叠，所述预设施工方法包括第一预设施工方法和第二预设施工方法；

所述采用预设施工方法对所述过渡段进行施工，以使所述过渡段形成三台阶临时仰拱结构的步骤，包括：

采用所述第一预设施工方法对所述第一施工段进行施工，其中，所述第一预设施工方法为双侧壁导坑法或者上部台阶法中的一种；

将所述第二施工段按照自上而下的顺序分割为第一施工断面、第二施工断面以及第三施工断面；

采用所述第二预设施工方法对所述第二施工段进行施工，以使所述第一施工断面、第二施工断面以及第三施工断面构成三台阶结构，形成所述三台阶临时仰拱结构，其中所述第二预设施工方法与所述第一预设施工方法相对应。

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